автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Модели и инструментальные средства для автоматизации начальных этапов проектирования технических объектов

На правах рукописи

ЖУКОВА Ирина Георгиевна

МОДЕЛИ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ НАЧАЛЬНЫХ ЭТАПОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ (НА ПРИМЕРЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ - ТВЕРДОМЕРОВ)

Сп -циальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Волгоград 1998

Работа выполнена на кафедре "Системы автоматизации проектирования и поискового конструирования" Волгоградского государственного технического университета.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Камаев В.А.

Научный консультант - доктор технических наук,

профессор Дворонкин A.M.

Официальные оппоненты • доктор технических наук, профессор

Петрова И.Ю.

кандидат технических наук, доцент Жога В.В.

Ведущее предприятие - ОАО "Волгоградский тракторный завод"

Зашита состоите» " йгъиЛ),* 1998 г. в часАз мин, в ауд. 209 на заседании диссертационного совета К 063.76.05 в Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400066. г. Волгоград, пр. Ленина, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВолгГТУ. Автореферат разослан " ¿<о-л 1998г.

Ученый секретарь л

диссертационного совета В.И. Водопьянов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современный уровень развития общества н ускорение темпов научно-технического прогресса характеризуются высокими требованиями к срокам и качеству проектирования новых технических объектов.

На начальных этапах проектирования технических объектов принятие проектных решений приходится осуществлять в условиях неполной и нечеткой информации. От принятых проектных решений на этих этапах во многом зависит качество будущего изделия. При этом производительность труда проектировщиков во многой определяете* тем. несколько эффективно он обеспечен инструментальными средствами проектирования, усиливающими его интеллектуальные возможности, автоматизирующими процессы принятия проектных решений, поиск и обработку необходимой информациии.

В настоящее время известны ряд эвристических и компьютерных подходов, использующихся для автоматизации начальных этапов проектирования пхничесхих объектов.

Однако, использование этих подходов часто затруднено из-за отсутствия экспертной поддержки выбора проектных решений и методов моделирования н анализа структур технических объектеь на качественном уровне.

В настоящей работе практическое использование предложенных моделей, алгоритмического, программного, информационного и других видов обеспечений рассматривается на области измерительных уст-ройств-тзсрдомеров, предназначенных для определения физихо-меха-ничеосих свойств металлов.

Выбор измерительных устройств • твердомеров обусловлен современным состоянием, перспективой развития и использования этого класса технических объектов, так как в езязн с предъявляемыми высокими требованиями к качеству и надежности изделий, является актуальным решение задач автоматизированного проектирования новых измерительных устройств с высокими показателями качества и расширенными

Цель работы. Цепью диссертационной работы является создание моделей и вгаструменталышх средств для автоматизация начальных

этапов проектирования технических объектов, обеспечивающих экспертную поддержку процессов принятия проектных решений, и проверка полученных результатов для решения задач в области проектирования измерительных устройств - твердомеров.

Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Разработать формальное описание технического объекта в виде качественной модели, язык описания и рекомендации по ее построению.

2. Разработать алгоритмы анализа качественных моделей.

3. Разработать модель и алгоритмы работы ЭС выбора проектных решений.

4. Разработать инструментальные средства для автоматизации начальных этапов проектирования измерительных устройств-твердомеров.

5. Проверить работоспособность инструментальных средств на примерах решения проектных задач в области измерительных устройств - твердомеров.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовался математический аппарат теории систем, теории вероятностей, теории принятия решений, теории качественного анализа, теории построения систем автоматизированного проектирования, теории системного анализа, теории графов.

Научная новизна. В диссертации разработаны и вынесены на защиту следующие основные положения:

1. Модель представления знаний о техническом объекте, позволяющая анализировать качественное поведение технических объектов на начальных этапах проектирования.

2. Модель представления знаний о структуре технического объекта в виде И-ИЛИ дерева с набором экспертных систем для поддержки процессов выбора альтернатив на ИЛИ-вершинах.

3. Формальный язык описания качественной модели и соответствующий транслятор, рекомендации по построению модели.

4. Постановки задач анализа качественного поведения технических объектов и алгоритмы их решения.

5. Инструментальные средства в виде экспертных систем для анализа и выбора структуры технического объекта на начальных этапах проектирования.

Практическая ценность. Разработанные модели и инструментальные средства реализованы в виде программно-информационного комплекса автоматизации начальных этапов проектирования измерительных устройств-тверломеров. Работоспособность комплекса проверена при решении конкретных задач проектирования твердомеров.

Результаты работы могут быть использованы при решения задач анализа и выбора структур технических объектов на начальных этапах проектирования.

Реализация научных результатов. Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы в научно • исследовательской работе Волгоградского государственного технического университета. выполняемой в соответствии с планом госбюджетной ПИР по теме ГАСНТИ 14.01.21.14.35.00 "Разработка автоматизированных контрольно-обучающих систем по разделам учебных курсов" 39.179), подтема "Разработка автоматизированных контрольно-обучающих систем по САПР, методам инженерного творчества, экспертным системам" (N39.179.03).

Результаты исследований диссертационной работы и разработанное программное обеспечение используются в учебном процессе ВолгГ-ТУ.

Апробация работы. По основным результатам диссертационной работы сделаны доклады на научных семинарах по автоматизации проектирования ВолгГТУ (Волгоград 1993-1998 гг.); на научных конфере-ниях профессорско-преподавательского состава ВолгГТУ (Волгоград 1-993 - 1998 гг.): на областной конференции молодых ученых Волгог-град,1994); на международной научно-методической конференции по САПР (Волгоград, 1995); на международной конференции по САПР (Астрахань,1995); межвузовской региональной конференции научного общества (Камышин, 1997); всероссийской научной конференции студентов и аспирантов (Таганрог,1997).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, приложений, списка использованной литературы из ¿57 наименований и содержит страниц основного текста.

рисунков. Общий объем работы страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследования и дана общая характеристика работы.

В ПЕРВОЙ главе приведен обзор методов и средств для измерении твердости и автоматизации начальных этапов проектирования технических объектов, сформулированы задачи исследования.

Современная промышленность предъявляет высокие требования к качеству металла, в частности к таким его свойствам, как твердость, упругость, прочность, пластичность и т.п. Для определения фнзихо-мсханических свойств металлов наиболее широко применяется метод измерения твердости. Это обусловлено тем, что величина твердости дает представление о комплексе механических свойств металлов, проявляющихся при других видах испытаний, поэтому проектированию измерительных устройств-твердомеров уделяется большое внимание.

В настоящее время сформировались различные подходы к представлению и использованию инженерных и физических знаний, необходимых для решения задач автоматизированного проектировали современных технических объектов. В результате анализа этих подходов были выявлены четыре этапа развита методов и средств автоматизации начальных этапов проектирования. Первый этап связан с созданием теоретических основ эвристических методов поиска новых технических решений. Наибольший вклад в развитие этого направления внесли работы ГЛ. Буша, Г.С. Альтшуллера, К.Джонса и др. Второй этап связан с программной реализацией эвристических методов в оптимизационных задачах поисха решений. Здесь наиболее интересные результаты были получены Половинкиным А.И. и Б.С.Воиновым. Третий этап связан с разработкой теоретических основ и систем автоматизации начальных этапов проектирования доя стадии эскизного проеастироюшд, а осносу ссгсо-

рых заложены как эвристические, так и хорошо формализованные методы. Наибольший вклад в развитие этого направления внесли отечественные и зарубежные ученые А.И Половинки», В.М.Одрин, A.M. Дворян-кин, А.В.Анлрейчиков, М.Ф. Чарипов, И.Ю. Петрова, П.М. Мазуркин, В.М. Вагин, А.П. Борисов, К.В.Кумунжнев, Р.Коллер, К.Рот, И.Мюллер и др.

Четвертый лам автоматизации начальных этапов проектирования технических объектов связан, с развитием современных компьютерных {схнолошй и разработкой автоматизированных систем, основанных на инженерных знаниях и идеях теории искусственного интеллекта (ИИ). Характерной особенностью знаний, используемых при проектировании технических объектов является их неполнота и неопределенность. Принятию решений в условиях неопределенности, методам описания нечетких систем, инженерии знаний посвящены работы Поспелова Д.А, Вагина В.П.. Попова О.В., Лворянкнна A.M., Андрейчикова A.B., Борисова А.Н. и др.

Итвеоны ряд подходов к автоматизации проектирования измерительных устройств, в частости датчиков измерения. Такие исследования проведены п работах Чарнпова М.Ф., Петровой И.Ю., Шмакова Э.Г, Кумунжиена К.В, Никижна В.В. Наряду с очевидными достоинствами разработанных моделей, методов и средств автоматизации, имеется ряд недостатков: отсутствие интегрированной качественной модели объекта проектирования, учитывающей значения параметров и характер их изменения: отсутствие достаточно эффективных способов построения, моделирования и анализа моделей измерительных устройств; отсутствие экспертной поддержки процессов выбора проектных решений и интеграции ранее разработанных средств проектирования.

Решение указанных проблем и создание современных инструментальных средств проектирования и обработки информации позволило бы ускорить процесс проектирования измерительных устройств и повысить качество проектных решений.

Во ВТОРОЙ главе приведены подходы к автоматизации начальных этапов проектирования технических объектов, даны формальные модели представления знаний о техническом объекте в виде качественной модели и модели на И-ИЛИ дереве, построены модели измерительных устройств • твердомеров.

Проектирование технических объектов на начальных этапах рас-сматриваетса кок совокупность решения задач анализа и синтеза

к

(выбора) структур технического объекта на функциональном, физическом и конструктивных уровнях.

Анализ задач проектирования и способов описаний техническою объекта показал, что необходима интеграция существующих моделей, и построение ¡акон обобщенной модели, которая обеспечивала бы с одной стороны использование всей совокупности имеющихся знаний о техническом объекте, для решения задач, возникающих в процессе проектирования, а с другой стороны обеспечивала выделение необходимых знаний о техническом объек1сдля решения конкретных проектных задач.

Для представления знаний о 1ехннческом объекте предложена качественная модель описания 1схническою объекта, которая интегрирует ранее разработанные модели представления знаний.

Под качественной моделью понимается набор правил, описывающих структуру объекта и правила ее функционирования.

При построении качепвенной модели технического объекта описываются качественные модели конструктивных элементов технического объек-ia, выполняемые функции, а также качественный характер изменения параметров.

Качественная модель конструктивного элемента имеет следующей

вид:

КМ= ! U.S. \V, V, K.R. 1N.P), где U - конечное множество входных параметров; S- конечное множество параметров внешней среды; W - конечное множество внутренних параметров; V - конечное множество выходных параметров; KR - конечное множество критериев качества, являющегося подмножеством V; IN • конечное множество допустимых интервалов параметров; Р - набор правил. отражающих взаимосвязь параметров на качественном уровне.

Правила имеют вид: ЕСЛИ XI INxl Kxl на Ш ... Lx (И) Xi INxi Rxi, ТО Yl INyl Kyi Lyl ... Ly(m-l) Ytn lNym K.ym, где XI.... Xn, YI, ... Ym - параметры из обьединенного множества всех параметров модели; INxl..... INxi, INyl.....INym - множество допустимых интервалов параметров; K.xi - качественное изменение параметров Xi : "-" - уменьшается. "+" - увеличивается , " * " - не изменяется; Lxi, Lym - логические связи между параметрами ("И", "ИЛИ").

Например, формальная запись правила вида: Если W [Wo, Wpea] + то A [An. Ар«] +. означает следующее: "Если "частота внешней силы"

на "интервале от до Wpe-)" "увеличивается"то "амплитуда вынужденных колебаний" на "интервале от Ао до Ар«"" увеличивается".

Отметим, что не все компоненты могут присутствовать в моделе. Например, могут отсутствовать параметры внешней среды.

В работе предложены рекомендации для построения качественных моделей. Выделено три способа построения качественных моделей в зависимости от исходных данных: на основе общего закона физической системы, на основе знания графической зависимости между физическими величинами параметров объекта, на основе физических знаний "интуитивной" физики, которым подчиняются параметры объекта.

Построение качественной модели технического объекта включает в себя следующие действия:

1. Представить технический объект в виде потоковой функциональной структуры, отражающей взаимосвязь функциональных, физических и конструктивных параметров технического объекта (рис.1).

2. Описать качественные модели конструктивных элементов, входящих в данный объект. При этом для конструктивных элементов необходимо определить физические параметры и их качественные интервалы (рис.2), значения физических параметров и характер их изменения, правила функционирования и правила поведения физических параметров объекта (табл.1).

3. Выделить критерий качества функционирования технического объекта.

Для описания качественных моделей измерительных устройств, в работе проведены анализ и классификация измерительных устройств -твердомеров, предназначенных для определения физико-механических свойств металлов, выявлены физические и конструктивные параметры, особенности функционирования измерительных устройств, технико-экономические показатели, предъявляемые к ним и т.п. На основе полученных данных построены качественные модели измерительных устройств.

Для поддержки выбора проектиых решений с помощью ЭС разработана модель представления измерительных устройств в виде И-ИЛИ дерева.

Результаты полученные в ходе исследований подожены в основу формирования экспертных знаний и информационного фонда об измерительных устройствах для автоматизации начальных этапов проектирования.

Сипгы« |и|ружс -

11Ш

О-ОАЭ^О

Рис.1 Потоковая функциональная структура измерительного устройства

«Ыинт!» «Минт2» «ЫинтЗ»

» » » »—»

(Ышт) «Ысреды» «Минд» ^тах)

Рис. 2 Качественная шкала физического параметра "абсолютная оптическая плотность И"

На качественной шкале физического параметра "абсолютная оптическая плотность ЬГ' введены следующие интервалы и значения: Ышт -минимально существующая абсолютная оптическая плотность для прозрачных материалов; Мшах - максимально существующая абсолютная

оптическая плотность для прозрачных материалов; «Ыинт1» - абсолютная оптическая плотность, меньшая абсолютной оптической плотности окружающей среды; «Ысреды» - абсолютная оптическая плотность окружающей среды; «Ыинт2» - абсолютная оптическая плотность, большая абсолютной оптической плотности окружающей среды и меньшая абсолютной оптической плотности индентора; «Ыинд» - абсолютная оптическая плотность индентора; «ЫинтЗ» - абсолютная оптическая плотность, большая абсолютной оптической плотности индентора.

Таблица 1

Качественная модель конструктивного элемента - "индентор"

Входные параметры Выходные параметры Правила

Н.О,1Ч,Р Р Если Ы= «Книг!»*, то И = «максимальный»*

Если N = «Ыинт2»* и Н = «средняя»*, то И = «средний»*

Если N = «>)инд»* и Н - «средняя»*, то Р = «срсднни»'

В табл.1 приняты следующие обозначения: Р - нагрузка, О -твердость образца. М- абсолютная оптическая плотность образца, Н -глубина внедрения, О - деформация индентора, Р- световой поток,* - не изменяется.

Критерием качества измерительного устройства является выходной параметр "работоспособность".

В ТРЕТЬЕЙ главе рассмотрены вопросы информационной и алгоритмической поддержхи начальных этапов проектирования технических объектов. Решены задачи формирования структуры данных и моделей баз знаний для машинного представления информации о технических объектах, разработаны алгоритмы моделирования и анализа структур технических объектов с помощью качественных моделей, разработаны алгоритмы выбора проектных решений на И-ИЛИ дереве с помощью ЭС.

Для автоматизации процедуры построения, моделирования и анализа структуры технического объекта на функциональном, физическом и конструктивных уровнях предложена следующая формальная модель базы знаний:

M=(FS, K.M.SH}, где FS - потоковая функциональная структура технического объекта; КМ • качественная модель конструктивных элементов, описанная в соответствии с предложенной моделью описания данных; SH - сценарий моделирования работы технического объекта.

Для построения качественной модели технического объекта предложен язык описания качественных моделей на основе грамматики, использующей форму Бекуса-Науэра, и разработан соответствующий транслятор (пример приведен в табл. 2).

Таблица 2

Описание качественной модели конструктивного элемента - "индентор" •• Испускает световой поток F пропорциональный глубине отпечатка Н ** Входные параметры - глубина отпечатка Н, абсолютная оптическая ** плотность N образца; выходные - световой поток F, испускаемый ин-дентором

SETINPUT("H_IN") SETfNPUT("NJN")

SETOUTPUT("F_OUT") #

H=INPUT("HJN") N= 1NPUT("N_1N")

** Устанавливаем зависимость светового потока F от абсолютной •• оптической плотности N образца и глубины отпечатка Н DO CASE CASE [N]= "NINT1"

F= "*MAX" CASE (N]= "NSUR" F- "*MAX" CASE [NJ= "N1NT2" DO CASE CASE fH]= "SMALL" F= {H|+"B1G" CASE [H)= "MIDDLE" F= {H}+"MIDDLE" CASE [H]= "BIG" F= {H)+"SMALL" ENDCASE

Для обеспечения процесса имитационного моделирования поюко ной функциональной структуры 1е\нического обьекта разрабопш соот неимвчюшии алтршм. Моделирование покжовой функционально!" структуры (МФО происходит на дискретном временном пространстве Р.пчер кнаша разбиения времени задаемся ин 1ерактивно. Логика функ ционирования определяется 11Ф( и описаниями качественных моделеГ коне 1р\к1 ивных исмешов Резулыаюм моделирования является |ра<] ихмокнин. представленный в виде шблицы описания состояний всех но токов качественной модели технического объекта в любой момент вре меня моделирования, а шк&с »начения параметров техническог о обгск та (пример в табл.3).

Таблица 3

Рсчу н.тaibi моделирования НФС технического обьекта_

Абсолютная оп- Резулыаш измерения Работ оспособност ь

тическая плот-

ность образца

N

N'lN'J i i N!iht I )* выход м hej/хнюю границу* не работ аст

NSIjR (Ncpe.u.i i" чыхол за верхнюю pammv* не работ aei

NINT? iNijiuIj* -;.1'!ая: ______I работает

Результаил моделировании o'uwvhm "При знамениях физической) параметра " абсолютная оптическая плотность образца" меньшего или рапного плотности окру лающей среды измерительное устройство рабо-I ат ь не будет

Для решения задач анализа качественного поведения технических

объектов при и тмгнекьи входных или пыходных параметров использует-сч метол "пряно:«" и "обратной " волны.

Для экспертной поддержки выбора структуры технических объектов предложена следующая модель базы знаний (БЗ) и алгоритм работы •экспертной системы:

М1 -{Т. VS,r.K"(xt I х<;- ХчгтиИ. где T(X,U) - И-И.'¡И дерево предметной области; VS -справочник, отражающий описание предметной области; Хилк ■ множество МЛ 11-зершин дерева Т; ЭС(х1 - это ЭС байесовского типа (Неялор К.), БЗ которая имеет следующие компоненты:

3C(x)=<F(x), S(x), G (F(x)VS(x), U(x))>,

где G - двудольный взвешенный граф, каждая дуга которого из U(x) имеет две оценки Р+ и Р- (условные вероятности связи "симптом-гипотеза"), для каждой вершины F(x) задана оценка Ра - априорная вероятность гипотезы; F(x) = JFl(x), F2(x),...,Fn(x)} - множество сыновей ИЛИ- вершины (гипотезы); S(x) = (SI(x),S2(x).....Sm(x)J - конечное множество симптомов.

Алгоритм работы экспертной системы:

1. Построение решения начинает ся с корня дерева.

2. Если х - И - вершина вошла в решение, то в решение включить всех ее сыновей.

3. Если х - ИЛИ • вершина вошла в решение, проектировщик имеет две возможности:

а) выбрать одного сына непосредственно, если он уверен в правильности выбора:

б) обратиться за консультацией к ЭС и провести сеанс работы с ЭС. При этом ему необходимо ответить на вопросы ЭС, которые формулируются на основе соответствующих симптомов S(x). ЭС рекомендует выбор определенного сына из F(x).

4. Алгоритм заканчивает работу если решение построено.

Таким образом, качественная модель технического объекта и модели БЗ экспертной системы позволяют решать следующие задачи:

• имитационное моделирование потоковой функциональной структуры технического объекта;

• решение задач анализа качественного поведения технического объекта при изменении входных или выходных параметров;

- выбор структур технического объекта.

В ЧЕТВЕРТОЙ главе рассмотрены вопросы программной реализации инструментальных средств для автоматизации начальных этапоо проектирования технических объектов, приведены примеры решенна проектных задач в области измерительных устройств.

Разработанные инструментальные средства образуют программно-информационный комплекс ЭЗОП и предназначены для автоматизации начальных этапов проектирования технических объектов. В рамках используемой технологии ЭЗОП обеспечивает интеграцию ранее разработанных моделей и средств САПР и ПК и ИИ (ЭС).

В состав программно-информационного комплекса включены следующие инструментальные средства (рнс.З):

Рнс.З Состав инструментальных средств программно-информационного

комплекса ЭЗОП.

- ЗС ЬХРЕРчТ, осуществляющая настройку предметной области, выбор стратегии проектирования, формирование соответствующих баз знаний и баз данных, выбор метода решения задачи, связь и передачу

данных с другим!', снстеманн;

- ЭС качественного анализа технических объектов СЭСКАТО), реализующая построение, моделирование и анализ потоковой функциональной структуры технического объекта на основе качес; - ¡пых моделей;

- ЭС качественного синтеза технических объе;стов с элементами конструктивной реализации (РРЭ_1), осуществляющая выбор физического принципа действия технического объекта- и его конструктивной

реализации, прямой и обратный анализ полученных решений с помощью качественных моделей;

- ЭС выбора проектных решений на И-ИЛИ деревьях (ELLE), позволяющая осуществлять выбор проектных решений в различных предметных областях, производить объяснение полученного в ходе консультации решения и обучение ЭС с целью повышения достоверности выбора;

- АИПС САПФИТ - автоматизированная поисковая система по физико-техническим эффектам. В состав программно-информационного комплекса входит на уровне баз данных, для получения оперативной информации по физико-техническим эффектам.

Процесс проектирования в ЭЗОП осуществляется в диалоговом режиме в соответствии с выбранной стратегией проектирования. Для реализации процесса проектирования измерительных устройств - твердомеров разработаны соответствующие информационные и другие виды обеспечений.

Спроектированный програмно-информационный комплекс является открытым, что обеспечивает возможность его развития, в первую очередь, за счет формирования и наполнения предметно-ориентированных баз знаний и расширения методов принятия решений.

С помощью разработанных инструментальных средств для автоматизации начальных этапов проектирования технических объектов решен ряд задач в области проектирования измерительных устройств - твердомеров для определения физико-механических свойств металлов. В работе приведены полученные результаты.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Й ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана модель для представления знаний о техническом объекте в виде качественных зависимостей параметров. Модель позволяет анализировать поведение объектов на начальных этапах проектирования.

2. Предложена модель представления знаний о структуре технического объекта в виде И-ИЛИ дерева с использованием экспертных систем для поддержки процессов выбора альтернатив на ИЛ И-вершинах.

3. Разработан формальный язык описание моделей и реализован соответствующий транслятор.

4. Разработаны методические рекомендации для проектировщиков по построению моделей. Построение моделей ведется в интерактивном режиме путем заполнения экранных форм описания конструктивных элементов.

5. На построенных моделях сформулированы задачи анализа качественного поведения технического объекта и выбора его структуры, для решения этих задач разработаны соответствующие алгоритмы.

6. Предложенные модели и алгоритмы реализованы в виде инструментальных средств автоматизации начальных этапов проектирования измерительных устройств-твердомеров.

7. Работоспособность инструментальных средств проверена при решении конкретных задач проектирования.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Камаев В.А., Карачунова Г.А, Жукова И.Г. Автоматизированная система синтеза функционально-физических структур измерительных устройств II Инновационное образование и инженерное творчество: Сборник научных трудов.' Российская ассоциация научно-технического творчества 'Эвристика".-Москва.-1995,-С. 91-94 .

2. Дворянкин A.M., Жукова И.Г., Шкурина ГЛ. Об использовании оболочки "Миннэксперт" при создании экспертных систем, предназначенных для автоматизации начальных этапов проектирования технических объектов// Инновационное проектирование в образовании, технике и технологии: Тезисы доклада международной научно-методической конференции, 11-14 сентября 1995 /ВолгГТУ. -Волгоград, 1995,-С.121-124.

3. Дворянкин A.M., Жукова И,Г., Пустовалов Д.А. О создании оболочки экспертной системы принятия проектных решений // Инновационное проектирование в образовании, технике и технологии: Тезису доклада международной научно-методической конференции, 11-14 сентября 1995/ВолгГТУ.-Волгоград, 1W5.-С.43-45.

4. Дворянкин A.M., Жукова И.Г., Фоменков С.А., Покусав С.Д. Автоматизированная система моделирования процесса принятая решений // Инновационное проектирование в образовании, технике и технологии: Тезисы доклада международной научно-методической конференции, 11-14 сентября 1995 /ВолгГТУ. -Волгоград, 1995.- С.94-%.

5. Дворянки и A.M., Жуком И. Г., Камаев В.А. Оболочка экспертной системы принятия проектных решений //Нояые информационные технологии а региональной инфрастуктуре. НИТ-РИ 95: Тезисы доклада Второй международной научно-технической конференции/Астраханский государственный технический университет. - Астрахань, 1995.- ч.2.-С.55-56.

6. Жукова И.Г., Дворянкин A.M., Камаев В.А. Интеллектуальная система автоматизации начальных этапов проектирования технических объектов// Инновационное проектирование в образовании, технике и технологии: Межвузовский сборник научных трудов международной научно-методической конференции/ВолгГТУ.- Волгоград, 1996.- С.45-49.

7. Кизим A.B.. Жукова И.Г., Дворянкин A.M., Куликов O.A. Методика проектирования средств автоматизации в машиностроении// Концептуальное проектирование в образовании, технике и технологии: Сборник научных трудов/ВолгГТУ.- Волпирад, 1997.. С. 78-82.

8. Кизим A.B.. Жукова И.Г., Дворянкин А.М.,Костерин В.В. Метод выбора оптимальной автоматизированной линии // Концептуальное проектирование в образовании, технике и технологии: Сборник научных трудов/Волг ГТУ.- Волгоград, 1997.- С. 75-78.

9. Дворянкин A.M., Жукова И.Г., Короткова А.Я., Куприянов Д.А., Столярова И.Ю. Экспертная система синтеза технических решений на И-ИЛИ деревьях // Путь в науку • формирование творческой личности инженера: Тезисы доклада межвузовской региональной конференции научного общества / Камышинский технологический институт и др. - Камышин, 1997.- С. 299-301.

ам . а а л" / цп{) >• и

о / ■ и - ; / з и V.

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЖУКОВА ИРИНА ГЕОРГИЕВНА

МОДЕЛИ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ НАЧАЛЬНЫХ ЭТАПОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ (НА ПРИМЕРЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ - ТВЕРДОМЕРОВ)

05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

ДИССЕРТАЦИЯ

На соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор

КАМАЕВ В.А. Научный консультант: д.т.н., профессор

ДВОРЯНКИН A.M.

Волгоград - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение......................................................................................................6

Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования.............8

1.1. Обзор современного состояния методов и средств измерения твердости.................................................................8

1.1.1. Теоретические методы измерения твердости........................9

1.1.2. Практические средства измерения твердости......................12

1.1.3. Классификация измерительных устройств...........................12

1.1.4. Задачи проектирования измерительных устройств..............15

1.1.5. Представление информации о техническом объекте...........17

1.1.6. Особенности проектирования измерительных устройств ... 20

1.2. Применение методов и средств САПР и ПК для автоматизации начальных этапов проектирования технических объектов...............................................................23

1.2.1. Эвристические методы...........................................................24

1.2.2. Алгоритмические методы......................................................25

1.2.3. Компьютерные методы..........................................................27

1.2.4. Методы искусственного интеллекта......................................30

1.3. Применение методов и средств САПР и ПК и ИИ для автоматизации начальных этапов проектирования измерительных устройств........................................................36

1.4. Формулировка цели и постановка задачи..............................40

Глава 2. Модели представления знаний о техническом объекте.............42

2.1. Классические модели представления знаний о техническом объекте.................................................................42

2.2. Представление технического объекта в виде качественной модели................................................................46

2.2.1. Качественная физика и ее использование при проектировании технического объекта................................46

2.2.2. Формальное описание качественной модели........................47

2.2.3. Способы описания и правила построения качественной модели............................................................49

2.2.4. Рекомендации по выбору способа построения качественных моделей..........................................................75

2.3. Рекомендации по построению качественных моделей технического объекта...............................................................75

2.4. Представление информации о структуре измерительных устройств в виде Й-ИЛИ деревьев.............................................81

2.4.1. Обобщенная функциональная структура измерительных устройств.................................................................................83

2.4.2. Обобщенная конструктивная структура измерительных устройств................................................................................83

2.4.3. Обобщенная структура технико-экономических показателей измерительных устройств ..с...............................83

2.5. Основные выводы и результаты...............................................84

Глава 3. Алгоритмическое и информационное обеспечение процедур анализа качественных моделей технических объектов и выбора проектных решений........................................................85

3.1. Задачи построения, моделирования и анализа

качественных моделей.............................................................85

3.1.1. Модель представления базы знаний качественных моделей..................................................................................85

3.1.2. Моделирование работы потоковой функциональной структуры технического объекта...........................................86

3.1.3. Прямой анализ качественной модели технического объекта....................................................................................92

3.1.4. Обратный анализ качественной модели технического объекта...................................................................................93

3.1.5. Язык описания качественных моделей..................................96

3.1.6. Рекомендации при описании качественных

моделей технических объектов............................................101

3.2. Задачи выбора проектных решений на начальных этапах проектирования технических объектов с помощью ЭС........102

3.2.1. Общие замечания.................................................................102

3.2.2. Модель представления базы знаний для выбора проектных решений..............................................................103

3.2.3. Алгоритм работы экспертной системы ...............................104

3.2.4. Модель вывода решения на И-ИЛИ дереве.......................105

3.2.5. Выбор допустимых решений на И-ИЛИ дереве................106

3.2.6. Выбор рационального проектного решения.......................107

3.2.7. Выбор рационального проектного решения с учетом совместимости элементов.....................................................108

3.2.8. Рекомендации по разработке ЭС........................................111

3.3. Основные выводы и результаты.............................................112

Глава 4. Инструментальные средства для автоматизации начальных

этапов проектирования технических объектов........................113

4.1. Общая архитектура, состав и принципы организации программно - информационного комплекса ЭЗОП..............113

4.2. Состав и функциональные возможности инструментальных средств программно-информационного комплекса ЭЗОП ...117

4.2.1. Экспертная система выбора проектных решений

на И-ИЛИ деревьях (ELLE)..................................................118

4.2.2. Экспертная система EXPERT...............................................124

4.2.3. Экспертная система качественного анализа

технических объектов РСКАТО)........................................128

4.2.4. Экспертная система качественного анализа и синтеза физических принципов действия технических объектов

с элементами конструктивной реализации FPD_1..............132

4.3. Основные выводы и результаты..............................................136

Заключение...............................................................................................138

Библиографический список использованной литературы.....................140

Приложение 1...........................................................................................155

Приложение 2...........................................................................................157

Приложение 3...........................................................................................158

Приложение 4...........................................................................................159

Приложение 5...........................................................................................161

Приложение 6...........................................................................................162

Приложение 7............................................................................................163

Приложение 8.............................................................л............................166

Приложение 9...........................................................................................170

Приложение 10.........................................................................................172

Приложение 11.........................................................................................178

Приложение 12.........................................................................................179

Приложение 13.........................................................................................206

Приложение 14.........................................................................................207

ВВЕДЕНИЕ

Современный уровень развития общества и ускорение темпов научно-технического прогресса характеризуются высокими требованиями к срокам и качеству проектирования новых технических объектов.

На начальных этапах проектирования технических объектов принятие проектных решений осуществляется в условиях неполной и нечеткой информации. От принятых проектных решений на этих этапах во многом зависит качество будущего изделия. При этом производительность труда проектировщиков во многом определяется тем, насколько эффективно он обеспечен инструментальными средствами проектирования, усиливающими его интеллектуальные возможности, автоматизирующими процессы принятия проектных решений, поиск и обработку информации.

В настоящее время известны ряд эвристических и компьютерных подходов, использующихся для автоматизации начальных этапов проектирования технических объектов. Однако, использование этих подходов часто затруднено из-за отсутствия экспертной поддержки выбора проектных решений и методов моделирования и анализа: структур технических объектов на качественном уровне.

В настоящей работе практическое использование предложенных моделей, алгоритмического, программного, информационного и др. видов обеспечений рассматривается на области измерительных устройств-твердомеров. Выбор обусловлен современным состоянием и перспективой развития данного класса технических объектов.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и 14 приложений.

В ПЕРВОЙ главе приведен обзор методов и средств измерения твердости и автоматизации начальных этапов проектирования технических объектов, сформулированы задачи исследования.

Во ВТОРОЙ главе приведены подходы к автоматизации начальных этапов проектирования технических объектов, даны формальные модели представления знаний о техническом объекте в виде качественной модели и модели на И-ИЛИ дереве, построены модели твердомеров.

В ТРЕТЬЕЙ главе рассмотрены вопросы информационной и алгоритмической поддержки начальных этапов проектирования. Решены задачи формирования моделей баз знаний для машинного представления информации о технических объектах, разработаны алгоритмы качественного моделирования и анализа структур технических объектов, разработаны алгоритмы выбора проектных решений на И-ИЛИ дереве с помощью набора ЭС.

В ЧЕТВЕРТОЙ главе рассмотрены вопросы программной реализации инструментальных средств для автоматизации начальных этапов проектирования технических объектов.

В приложениях приведены фрагменты моделей представления знаний об измерительных устройствах, описание элементов информационного и программного обеспечений, примеры решения задач в области проектирования измерительных устройств-твердомеров и др.

В диссертационной работе предложена качественная модель технического объекта в виде набора правил, учитывающих причинно-следственные связи между физическими параметрами объекта и модель представления знаний о структуре технического объекта в виде И-ИЛИ дерева с использованием экспертных систем для поддержки процесса выбора альтернатив на ИЛИ - вершинах. На построенных моделях сформулированы задачи анализа качественного поведения технического объекта и выбора его структуры. Для решения этих задач разработаны соответствующие алгоритмы и инструментальные средства.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Обзор современного состояния методов и средств измерения твердости

Современная промышленность предъявляет высокие требования к качеству и надежности продукции, а следовательно, и к качеству металла, в частности к таким его физико-механическим свойствам, как твердость, упругость, выносливость, прочность, пластичность и т.п. Известно около восьмидесяти (а по некоторым данным около 120) методов определения физико-механических свойств металлов [133].

Для определения физико-механических свойств металлов наиболее широко применяется метод измерения твердости.

Это обусловлено прежде всего тем, что величина твердости дает представление о комплексе механических свойств металлов, проявляющихся при других видах испытаний, и измерение твердости имеет ряд преимуществ перед другими видами испытаний:

- в результате испытаний изделие не разрушается и практически не повреждается;

- приборами для измерения твердости может осуществляться контроль ответственных деталей или узлов изделий и конструкций как в массовом, так и в единичном производстве;

- приборы для испытаний твердости обладают значительно более высокой производительностью, чем другие испытательные машины;

- обслуживание приборов, реализующих методы измерения, несложно и их освоение не требует высокой квалификации.

1.1.1. Теоретические методы измерения твердости

В развитии методов измерения твердости и исследования физико-механических свойств металлов теоретические и экспериментальные методы занимают основополагающее значение.

Большой вклад в развитие отечественной науки о твердости внесли: H.A. Белолюбский, Д.К. Чернов, A.B. Гадолин, Н.В. Калакутский, A.M. Драгомиров, А.Г. Гагарин, Н.С. Курнаков, А.Ф. Иоффе, H.H. Да-виденков, В.Д. Кузнецов, C.B. Серенсен, Д.Б. Гогоберидзе, М.П. Мар-ковец, М.С. Дрозд, Ю.И. Славский и др.

Понятие твердость можно сформулировать как некоторую способность испытуемого материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела с исключением появления в нем остаточных пластических деформаций [132]. В работе [134] предлагается другая формулировка: "Твердость - это свойство вещества в твердом состоянии сопротивляться образованию вмятины на его поверхности".

В соответствии с классификацией Д.Б.Гогоберидзе методы определения твердости делятся по способу измерения на семьтрупп [132]. Указанная классификация охватывает все основные методы и позволяет объединять в одной группе только те, которые сходны между собой по физическим принципам действия. Кроме этой классификации методы измерения твердости можно классифицировать и по другим признакам:

- по типу измерения физической величины (Fl):

- прямое (Fl 1),

- косвенное (F 12);

- по виду деформации (F2):

- пластическая (F21),

- упруго-пластическая (F22);

- по виду прилагаемой нагрузки (F3):

- статическая (Р31):

- статическая постоянная (Р311),

- статическая непостоянная (ИЗ 12),

- динамическая (Р32);

- по типу разрушения (Р4):

- с разрушением (Р41):

- излом (Р411),

- разрыв <Р412);

- без разрушения (Р42):

- с нарушением геометрии формы (Р421),

- без нарушения геометрии формы (Р422);

- по параметру деформации (Р5):

- глубина вдавливания индентора (Р51),

- диаметр отпечатка (Р52),

- диагональ отпечатка (Р53) и т.п.

Фрагмент классификации методов измерения представлен на рис.1, и в табл.1 (см. приложение 1).

В России и за рубежом стандартизованы методы определения твердости по Бриннелю НВ, Роквеллу НЯВ и НЯС, Виккерсу НУ, Шору Н8Б, пластической твердости НД, а также разработаны и вводятся новые стандарты, регламентирующие методы измерения твердости -НБШ и НЯТ по Супер-Роквеллу и Н о,2 (на пределе текучести металла) [136,140],

Однако, не существует какого-либо критерия для определения единого числа твердости. Такое положение вещей обусловлено большим разнообразием условий испытаний, свойств материалов, содержанием задач, решаемых в каждом конкретном случае отдельно, и т.п. Поэтому "...разнообразие методов сохраняется и, повидимому, сохранится и впредь, по крайней мере в обозримом будущем. " [133].

Каждый метод измерения твердости имеет теоретическое обоснование использования тех или иных зависимостей при расчете значения твердости; методики измерения; условия измерений, а также соответст-ву ющие технические реализации. При этом существуют ГОСТы на отдельные методы измерения твердости, которые стандартизируют условия проведения измерений [133].

Необходимо отметить, что существует множество задач, когда стандартные методы определения твердости вообще неприменимы и необходима разработка специальных методик измерения твердости и технических средств реализации.

Для определения значений твердости в теоретических методах используют различные численные методы. Результаты расчета сравнивают с экспериментальными значениями, полученными в ходе практических измерений. По результатам сравнения судят о точности метода. На основании полученных данных строят таблицы зависимостей параметров деформации от твердости материала, диаграммы состояний и т.п. Таким образом, достоверность теоретической модели проверяют по полученным в ходе эксперимента данным.

Использование вычислительной техники позволило автоматизировать необходимые расчеты при построении теоретических моделей. Однако затраты на экспериментальную проверку теоретических методов значительны. При этом, если при исследовании были допущены какие-либо ошибки, то материальные затраты существенно возрастают, так как для экспериментальной проверки метода необходимо создание физической модели измерительного устройства.

Применение соответствующих моделей и алгоритмов имитационного моделирования работы технических объектов позволило бы облегчить проведение и анализ эксперимента, уменьшить потери, неизбежно возникающие при использовании физических моделей.

1Л .2. Практические средства измерения твердости

Для практического определения твердости разработаны различные измерительные устройства - твердомеры, которые позволяют определить значения физико-механических свойств металлов, необходимые для дальнейшего проведения инженерных и конструкторских расчетов.

Пример измерительного устройства-твердомера представлен на рис.2 (см. приложение 2).

1.1.3. Классификация измерительных устройств

Существуют различные классификации измерительных устройств [132,137,141]. Рассмотрим классификацию измерительных устройств по принципу действия.

Все известные приборы твердости можно разделить по принципу их действия на следующие группы:

1) работающие по методу упругого отскакивания бойка;

2) испол�