автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Модели и комплексы программ для синтеза датчиков с поддержкой многопользовательской работы в сети

На правах рукописи

ЗАРИПОВА ВИКТОРИЯ МАДИЯРОВНА

МОДЕЛИ И КОМПЛЕКСЫ ПРОГРАММ ДЛЯ СИНТЕЗА ДАТЧИКОВ С ПОДДЕРЖКОЙ МНОГОПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ В СЕТИ

Специальность 05.13.18 — Математическое моделирование, численные методы н комплексы

программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

АСТРАХАНЬ-2006

Работа выполнена в Волгоградском Государственном Техническом Университете

Научный руководитель: доктор технических наук

профессор Камаев Валерий Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

профессор

Филин Виктор Андреевич

доктор технических наук профессор

Лукьянов Виктор Сергеевич

Ведущая организация: Институт конструкторско-технологической

информатики РАН, г. Москва

Зашита диссертации состоится 22 декабря 2006г. в 13 часов 00 минут на заседании диссертационного совета ДМ.212.009.03 при Астраханском государственном университете по адресу: 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 20 а, АГУ, конференц-зал.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью просим направлять ученому секретарю диссертационного совета по адресу: 414056, г. Астрахань, ул. Татищева 20А, АГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета

Автореферат разослан «21» ноября 2006 года

Ученый секретарь диссертационного

совета ДМ212.009.03 д.т.н. профессор

И.Ю. Петрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Датчиковая аппаратура широко востребована во многих областях народного хозяйства. Согласно исследованиям рынка США (Business Communication Company, inc) спрос на датчиковую аппаратуру в среднем ежегодно возрастает на 6.2 % на мировом рынке вплоть до 2009 года. Прогнозируемое развитие рынка датчиков США приведено на рис. 1,

По данным НИИФИ (г. Пенза, ЕЛ. Мокрое) известно более 400 физических явлений, которые могут быть положены в основу создания современных средств измерений и это количество постоянно растет. Возросшие

требования рынка

вынуждают производителей интенсивно расширять номенклатуру серийно выпускаемых датчиков. Наиболее

2002 2003 2004 2003 2000 2007 200s 2009

Пассивные -Û—Электромеханические

-•■—Активные

Полупроводниковые

Рис. 1 Прогноз развития рынка США по индустриальным датчиковым технологиям за период 2002 -2009 (ВСС, 1пс> трудоемким и длительным является начальный этап проектирования, на котором необходимо определить физический принцип действия и конструктивную реализацию датчика.

Поэтому актуальной является автоматизация начальных этапов проектирования, выбора принципов действия датчиковой аппаратуры с применением мощной базой знаний о физико-технических эффектах (ФТЭ). Такие системы позволяют: сократить время и трудоемкость создания нового изделия, оперативно адаптироваться к изменениям рынка, быстро обучать специалистов.

В условиях интенсивного развития различных областей науки и техники особенно остро встает вопрос способа наполнения базы знаний, ее универсальной направленности, достоверности экспертной оценки н полноты представления имеющихся данных. Учитывая бурное развитие Интернет-технологий, особенно актуальны базы знаний, представленные в Интернет, что обеспечивает централизацию процесса разработки, дает возможность свободного пополнения базы знаний специалистами широкого профиля и проведения групповых экспертиз.

В работах М.Ф. Зарипова й И.Ю. Петровой предложена концепция построения базы знаний на основе энергоинформационных моделей цепей

(ЭИМЦ), которая позволяет использовать универсальный математический аппарат неравновесной термодинамики для описания эффектов и явлений. Однако наполнение базы знаний сдерживается необходимостью преобразования информации о том или ином эффекте в соответствии с критериями ЭИМЦ, а также необходимостью сбора и неавтоматизированной обработки мнений экспертов по оценке эксплуатационных характеристик технической реализации физико-технических эффектов. Требования, предъявляемые к исходному материалу в других системах (Ail. Половинкнн, В .А. Камаев, Р. Коллер, А.М. Дворяикин, В.А. Глазунов, С.А. Фоменков, В.М. Цурнков и другие.), позволяют им относительно быстро наращивать объем базы знаний, тле. описание физических эффектов производится в текстовой форме. Но они не поддерживают математический аппарат и экспертные оценки эксплуатационных характеристик. В то же время, если использовать эффекты, даже с таким неполным описанием, в процессе синтеза инженер сможет получить значительно большее число вариантов решений. Таким образом, актуальной научно-технической задачей является создание сетевой системы синтеза новых технических решений датчиковой аппаратуры на основе консолидации знаний экспертов о физических эффектах и явлениях с учетом различного характера изменений во времени входных величин. Работа выполнялась в рачках тематического плана НИР по заданию Федерального агентства по образованию, тема «Разработка автоматизированной системы поиска новых технических решений чувствительных элементов систем управления на ранних этапах проектирования» (№ 1.2.06).

Цель диссертационной работы: разработка комплекса программ для эффективного синтеза физического принципа действия датчиков с поддержкой экспертизы в сети Интернет на основе усовершенствованной концептуальной модели баз знаний о физических эффектах и математической модели сложных параметрических структурных схем с гармоническим изменением входного воздействия.

Для достижения поставленной цепи в диссертационной работе осуществляется решение следующих задач:

•анализ существующих автоматизированных систем инженерного творчества и разработка расширенной модели паспорта физического эффекта на основе их консолидированных моделей; •разработка модели консолидированной базы знаний о физико-технических эффектах на основе объектно-ориентированного подхода;

•разработка модели организации процесса сетевой экспертной оценки технической реализации физического эффекта на основе метода парных сравнений и реализация интерфейса экспертной оценки;

•классификация существующих элементов параметрических структурных схем (ПСС) и разработка модели описания гармонического изменения во времени величин и параметров цепей с помощью аппарата параметрических структурных схем; •классификация и разработка паттернов — сложных соединений элементов ПСС с заранее рассчитанными характеристиками и параметрами, которые могут участвовать как блоки в синтезе физического принципа действия (ФПД);

•составление библиотеки графических примитивов и разработка на ее основе модели графического представления принципа действия физического эффекта и вариантов технической реализации; •разработка комплекса программ для синтеза чувствительных элементов датчиков с поддержкой работы в сети. Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались энерго-информационная модель цепей и аппарат параметрических структурных схем, модель структурированного представления физических знаний, методы и модели экспертной оценки, методы объектно-ориентированного проектирования, технология проектирования реляционных баз данных, метод комплексных амплитуд при гармонических воздействиях. Научная новизна работы:

1. Разработана обобщенная объектная модель представления знаний и расширенная модель паспорта ФТЭ для реализации в сети Интернет, Предложена модель пролонгированного накопления информации о физическом эффекте, основанная на многокомпонентном представлении информации. Это облегчило и ускорило процесс пополнения базы данных ФТЭ.

2. Разработана модель организации сетевой экспертной оценки эксплуатационных характеристик физических эффектов и их технических реализаций на основе метода парных сравнений, что позволило консолидировать мнения множества экспертов и повысить точность оценки.

3. Разработана модель построения параметрических структурных схем при гармоническом характере изменения входной величины, что позволило учитывать динамику процесса и расширило область применения системы.

4. Предложено производить синтез физического принципа действия технического устройства с использованием паттернов (шаблонов сложных соединений элементов ПСС), что позволило рассчитывать н синтезировать более сложные технические решения.

Практическая ценность работы.

На основе проведенных исследований создан комплекс программ для синтеза датчиков с поддержкой многопользовательской работы экспертов

в сети. Система может применяться в приборостроительной отрасли для автоматизации начальных этапов проектирования чувствительных элементов датчиков, а также в высших учебных заведениях для преподавания дисциплин в рамках направлений: «Приборостроение», «(Информационные системы и технологии». Результаты работы использованы на ОАО «КБЭ XI века» (г. Сарапул, Удмуртия) и в Астраханском государственном университете.

Апробация научных результатов.

Отдельные материалы, входящие в диссертацию обсуждались на международной научно-технической конференции Joint IMEKO ТС-1&XXXIY МКМ (г. Вроклав, Польша, 2002 г.) , SEFI 30th Annual Conference (Флоренция, Италия 2002 г.), Конференция КИТ-2003 (г.Сочи, 2003 г.), "Информационные технологии в образовании, технике и медицине* (г, Волгоград, 2004 г.), MEL-2006 (г, Варна, Болгария 2006 г), и научно технических конференциях профессорско -преподавательского состава (г. Астрахань 2004,2006 гг.).

Публикации, Основные положения и результаты работы опубликованы в 7 печатных работах.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 112 наименований и приложений. Содержит: 145 страниц основного текста, включающего 69 рисунков и 12 таблиц. Общий объем работы 162 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, дана общая характеристика работы.

В первой главе проведен сравнительный анализ существующих автоматизированных систем поиска новых технических решений, основанных на работе с базами знаний по физическим эффектам и явлениям. Выявлены метода и модели описания физических эффектов, участвующих в синтезе технического решения. Были рассмотрены следующие модели и методы: формализованное описание естественнонаучных и научно-технических эффектов на основе отологии научно-технических характеристик (Башмаков А.И., Владимиров А.И.), теория решения изобретательских задач - первое и второе поколение (Альтшуллер Г.С.), обучающие CAE системы (на примере системы ILEM2001, разработанной на базе университетов "Pieire et Marie Curie" (Париж, Франция) и «Valahia» (Румыния)), системы конечно элементного анализа, т.е. исследования свойств объекта или процесса путем создания и решения адекватной математической модели (COMSOL Multiphasics), энерго-информационная модель цепей различной физической природы и аппарат параметрических структурных схем (Зарипов М.Ф., Петрова

ИЛО.), методы поискового конструирования (Половинкии А.И., Камаев В.А.), комбинаторный метод поиска принципов действия (Глазунов В.Н.)-

По результатам сравнения функциональных возможностей этих систем показано:

•большинство систем стремится к универсальности, поэтому при синтезе решений в них не может применяться математический аппарат для расчета эксплуатационных характеристик;

•невозможность пополнения базы данных со стороны пользователя существенно сдерживает развитие самой системы и ограничивает инженера - конструктора;

•отсутствует возможность групповой экспертизы при оценке эксплуатационных характеристик синтезированного технического решения и его элементов;

•отсутствует возможность синтеза новых технических устройств на основе ФТЭ с неполным описанием н пролонгированного накопления информации о ФТЭ;

•не проработан математический аппарат в случае изменения воздействия по гармоническому закону.

Возможность разместить базу знаний и расчетные модули в сети дает несколько преимуществ: независимое пополнение базы группами специалистов; сетевая экспертная оценка по совокупности значащих признаков; проверка актуальности хранимой информации; вывод статистики по популярности и моральному устареванию используемых эффектов и вариантов их технических реализаций; сбор и анализ статистики по использованию определенных эффектов в различных областях науки и техники; групповые разработки новых технических решений и т.д.

Далее в работе сформулирован перечень требований к разрабатываемой системе:

•организация многопользовательской работы в сети;

•использование ФТЭ с неполными данными для синтеза ФПД, использование графических изображений принципа действия и технической реализации устройства (2й и 3<1 анимация) для более полного восприятия;

•должен существовать модуль экспертной оценки набора эксплуатационных характеристик для каждого ФТЭ и для каждого варианта технической реализации этого ФТЭ, а также модуль ранжирования полученных решений по совокупности эксплуатационных характеристик;

•должна существовать возможность использовать паттерны (неизменные по структуре и принципу действия сложные соединения

ФТЭ с рассчитанными характеристиками) для ускорения процесса

синтеза и возможности синтеза более сложных устройств.

Во второй главе более подробно в качестве аналогов рассматриваются две выбранные системы «Интеллект» и «Сапфит», наиболее полно отвечающие поставленным задачам. Производится детальный анализ и сравнение характеристик систем.

Исходя из анализа этих систем, автором предложена следующая объектная модель объединенной системы (рис. 2). На рисунке объект представлен в виде прямоугольника, который содержит (сверху-вниз) следующие разделы: наименование объекта, атрибуты-свойства объекта, операции объекта. Стрелки отображают соответствие {атрибут объекта А -объект В).

В работе подробно рассмотрены объектные модели классов систем «Интеллект» и «Сапфит» и выделены связи - наследования, которые позволили описать обобщенную модель.

Объект «Величина::Ке\у» был получен из объектов «Величина» и «Параметрическая величина» путем наследования свойств. Для выгода соответствий величин было отобрано контрольное множество физико-технических эффектов и физических эффектов (ФЭ) и построены таблицы соответствий для величин и параметров различной физической природа.

На основании разработанного объекта «Величина::пе\у», а также объектов «Элемент технического устройства» и «ФЭ» был построен объект «Элемент::пет». При этом, в качестве возможных направлений развития системы учитывалось, что декартово произведение состояний фазы объекта ФЭ дает множество вариантов технической реализации этой фазы, в то время как сочетание фаз друг с другом в порядке следования может дать варианты конструкций везущего признака эффекта, т.е. признака, на основании свойств которого вычисляются характеристики ФТЭ.

Объекты «Последовательность::пе1лг» и «Менеджер синтеза» были выведены как заключительный этап анализа на основе объектов «Цепочка элементов» и «Последовательность ФЭ», «ФПД», а также выведенного объекта «Элемент: :пеу/»

На основе объектно-ориентированной модели интегрированной системы была также выведена расширенная логическая модель паспорта физико-технического эффекта.

РТЕ = {Нрю, Вях^Вцих },К,Ка, КМт ,Двх1> Двых! >

Э? ЛАП 3 М 17 О \ •■'и)!»* рте * лес > ™ <иэ'11 о > "в /

Первая группа—основные параметры:

Н т: . наименование ФТЭ, текстовая величина,

Ввх, - вид входной величины ¡- той физической природы.

&вых] - вид выходной величины^той физической природы,

К - коэффициент передачи, отображает зависимость выходной и входной величин, где Вик^К-В^,

К0- текстовая величина, представляет текстовое и формульное описание коэффициента зависимости входной и выходной величины ФТЭ,

КМт- флаг наличия математической модели ФТЭ, в которой указываются факторы, влияющие на функциональную связь физических величин входа и выхода, например влияние полей, а также по возможности приводится графическое выражение зависимости. Принимает значение 1 или О,

Двх; >Двых; ■ диапазон изменения входной и выходной величины, для обеспечения работоспособности цепочки необходимо соблюдение правила Даш

Вторая труппа - эксплуатационные характеристики Э^

переменные дня расчета эксплуатационных характеристик синтезированного физического принципа действия. Если хотя бы один вид эксплуатационной характеристики известен для всех ФТЭ, входящих в синтезированную цепочку физического принципа действия устройства, то возможен расчет этой эксплуатационной характеристики для синтезированного устройства в целом.

Третья группа - дополнительные параметры:

ЛАПргв - флаг наличия дополнительного описания ФТЭ (литература, авторы, патенты) может принимать значение 0 или 1,

^отэ _ флаги наличия графического описания ФТЭ могут принимать значения 0 или I, означают соответственно изображение звена параметрической структурной схемы и динамическое изображение принципа действия ФТЭ,

Пс . флаг наличия текстового описания применения ФТЭ в технических областях может принимать значение 1 или О,

Оа - флаг наличия общего описания ФТЭ, включает в себя подробное текстовое описание объекта и сути физического явления, содержит данные справочного характера. Переменная может принимать значения 1 или О.

устройства датчика является полное совпадение выходной величины предыдущего эффекта со входной величиной последующего эффекта в цепочке:

ТУ=(ФТЭ у,, ФТЭУ2>...,ФТЭ1Л]П \

OT3iJK е БД л ]к = i**, л ввыхи = ВкJ"^) (2) При этом техническое устройство будет являться работоспособным,

если диапазоны соответствующих величин пересекаются ^ .

Эксплуатационные характеристики синтезированного технического решения вычислимы - если рассчитаны эксплуатационные характеристики для каждого эффекта в цепочке:

Э1ТУ = f(3tíFTE,(VFT£e ТУХЭЭ^)) (Э)

Исходя из логической модели ФТЭ и вышеприведенных выражений, можно рассчитать минимальный набор сведений, необходимых для успешной процедуры синтеза.

FTE - {Н^.В^^В^ j ,1,0,0, (-».-н»), (-ссуно), {о}ДО,ОДО} (4)

Таким образом, при занесении в систему данных о новом физическом эффекте или явлении, для того, чтобы ФТЭ участвовал в процедуре синтеза, достаточно ввели сведения о его наименовании и определить входную и выходную величину ФТЭ.

Однако, согласно формуле (3), невозможно рассчитать эксплуатационные характеристики для найденной цепочки, что автоматически исключает ее из конечной выборки синтезированных цепочек при ранжировании. Поэтому предложено создать отдельную выборку для такого рода цепочек.

Получена дополнительная формула минимального наполнения паспорта ФТЭ для полноценного использования при синтезе:

Вся остальная информация не является обязательной и может быть получена инженером из справочников.

На основе полученных формул проведен расчет полноты паспорта ФТЭ и формирование запроса на заполнение паспорта с указанием проблемных областей. Статистический анализ таких запросов по всей базе данных ФТЭ поможет привлечь к проекту экспертов в необходимых областях путем автоматического формирования анкеты эксперта.

Далее в главе рассматривается возможность адаптации модели данных системы «Интеллект» к работе в сети. Данная модель предназначена для решения нескольких независимых функциональных задач:

•Управление данными - заключается во внесении, редактировании и удалении информации о ФТЭ, обеспечении целостности информации и ограничении доступа к системе.

•Генерация решений - данная задача специфична для системы и характеризуется различными алгоритмами генерации ПСС и ранжирования полученных результатов.

•Формирование морфологической матрицы на основе экспертных данных по ФТЭ;

•Синтез наилучших решений на основе сформированной морфологической матрицы;

•Графическое представление синтезируемых решений. Созданная система обеспечивает Web-интерфейс (на основе Web-сервера Apache). Схема обработки информации приводится на диаграмме потоков данных (рис. 3). UML диаграмма развертывания для представления общей конфигурации и топологии разработанного программного комплекса приведена на рис. 4.

В результате обследования предметной области были построены ER-диаграммы сущностей, участвующих в процессе автоматизации, для подсистемы анализа и синтеза ФПД датчиков, а также поиска наилучшей технической реализации.

Таким образом, на основании объектно-ориентированной модели и модели расширенного паспорта ФТЭ была получена модель данных, обладающая следующими преимуществами:

•Благодаря возможности определить физический эффект сначала текстовым описанием, по которому можно производить синтез цепочек, а потом рассчитать формулу коэффициента передачи существенно упрощается ввод информации об эффекте. •Детальное описание коэффициента передачи как формулами ЭИМЦ, так и, в случае невозможности их применения, графиками или уравнениями, позволяет конструктору всегда иметь представление о характере протекающих процессов.

•Более детальное описание входных и выходных величин, включающее характер их изменения (например, синусоидальный); позволяет получить представление о динамике процесса. •Включение «Объекта ФЭ» в морфологическую матрицу позволяет упростить экспертную обработку за счет автоматизированного построения вариантов реализации ведущего признака. Кроме того, это служит увеличению количества вариантов реализаций самого ФТЭ.

Рис.3. Адаптированная модель обработки данных

«брямроишм уелйый

Рис. 4. ЦМЬ Диаграмма развертывания.

Третья глава посвящена описанию математической модели расчета величин и параметров цепей при их гармоническом изменении во времени, обзору аппарата параметрических структурных схем, его использованию при различных видах соединений, применению структурно-параметрических моделей при гармоническом изменении во времени величин и параметров цепей, а также применению ПСС для описания паттернов проектирования на примере мостовой схемы.

Принцип действия любого технического устройства основан на взаимодействии цепей различной физической природы. Поэтому в любом техническом устройстве можно выделить участки, включающие несколько последовательных элементарных преобразований одной и той же физической природы. Между собой эти участки взаимосвязаны посредством межцепных физико-технических эффектов. Таким образом, практически любое устройство можно рассматривать как совокупность простых звеньев, каждое из которых характеризует элементарную зависимость величины или параметра от другой величины той же или иной физической природы. При таком подходе существенно облегчается как анализ, так и синтез технических решений.

Энерго-информационная модель цепей позволяет перейти к структурно-формализованному описанию процессов в технических устройствах с помощью параметрических структурных схем.

Большинство реально существующих технических устройств можно описать достаточно сложными структурными схемами, в которых действуют параллельно несколько последовательных цепочек, существуют обратные связи и т.д. Поэтому в данной работе предложено дополнительно ввести элементарные звенья, отражающие математические операции типа сложение/вычитание и умножение/деление. Величины В и параметры П энерго-информационной модели цепей могут изменяться во времени по различным законам. Наиболее часто используются:

•линейный закон В = В0 + Ы и , при этом скорость

изменения величины В? — к,—const, а скорость изменения параметра Л* =|А| —соп$1 и всегда положительна; • гармонический закон изменения В = В0со5(о>'1 + ф) и П = Пй собесу * /), при этом скорость изменения величины В' — — + а скорость изменения параметра

77' = -¡Я0й)| зш(й) • 0.

В случае гармонического изменения величин в ПСС для упрощения расчетов можно использовать широко известный метод комплексных амплитуд, часто применяемый для решения электротехнических задач.

Тогда звенья интегрирования и дифференцирования по времени входной гармонической величины можно представить в виде:

Вг =

Соответствует критериям:

Ль

или

Л

я,

■А

Соответствует критериям: е-[/Л или я-/с/Л

Таким образом, в случае, если параметры цепи любой физической природы постоянны, то можно (по аналогии с теорией электрических цепей) ввести пон»ия комплексных проводимостей и сопротивлений. Элементарные звенья ГТСС для комплексных значений параметров и величин цепи сведены в табл. 1.

Таблица 1. Элементарные звенья ПСС для комплексных значений параметров и величин цепи

Критерия ЭИМЦ

Параметры тока

обозиа чение

ПСС

Сокращенная ПСС

Статики иш).Ц

I=Ь'в

I

и

/ .

I

О

и ^

т .

Динамики 1 (при С-ЦГ-с***)

С

Щ5&

и

МС

и

} .

Динамики2 (при Сш1

I

и

и / .

В качестве примера в работе были рассмотрены соединения трех элементарных звеньев механической и электрической цепей (последовательное, параллельное и смешанное), в том числе и при гармоническом изменении величин и параметров, что доказывает применимость введенного дополнения к аппарату ПСС для расчета цепей

инвариантно к физической природе. Получены основные уравнения и рассчитаны паттерны для описания этих схем.

В области применения чувствительных элементов очень часто требуется произвести сравнение контролируемой (измеряемой) величины с величиной, значение которой известно. При этом существуют 2 метода определения контролируемой (измеряемой) величины: компенсационный метод и метод разностей. Для практического решения этой задачи служат мостовые схемы.

Пример электрической мостовой схемы изображен на рис. 5, а на рис. б. изображена соответствующая параметрическая структурная схема.

Такую структуру измерительной цепи имеют не только электрические, но и магнитные, оптические и другие мосты, где подобная ситуация с компенсацией величин создается не для электрических токов, а для магнитных, световых и других потоков. Таким образом, мостовая схема имеет универсальное применение в цепях разной физической природы.

Система уравнений для этой ПСС может быть записана в виде:

- • *24 11

« • - (Аз + • -»34 (б)

С помощью этих уравнений можно найти токи и напряжения на каждом участке сложной цепи. Из этой системы уравнений можно подучить известное условие равновесия моста: С12 • К24 - • которое также будет справедливо для цепей любой физической природы.

Необходимо отметить, что при использовании электрической схемы замещения моста для расчета токов и напряжений на участках цепи требуется предварительно осуществить преобразование треугольника в звезду, а затем еще ряд последовательных преобразований. При

использовании ПСС расчет упрощается, так как мы получаем сразу систему уравнений, из которых можно найти любые токи и напряжения на участках цепи.

Поскольку использование мостовых схем является актуальным при конструировании чувствительных элементов, было предложено использовать рассчитанную ПСС как паттерн, т.е. шаблон с некоторыми рассчитанными характеристиками, который может использоваться инженером в дальнейшем в процессе проектирования как еще одно элементарное звено.

Использование паттернов существенно повышает потенциал системы за счет экономии времени при расчете характеристик и уравнений для сложных схем. При эксплуатации системы можно произвести статистическую выборку цепочек наиболее часто выбираемых инженерами в качестве моделей для датчиков и на основе повторяющихся элементов этих цепочек создать другие прототипы.

В четвертой главе рассматривается второй этап синтеза технического решения — морфологический синтез конструктивных реализаций и применение метода парных сравнений для экспертной оценки эксплуатационных характеристик различных технических реализаций элементов ПСС.

Для определения множества конструктивных реализаций, соответствующих каждому ФТЭ, используется метод морфологического синтеза и анализа технических решений. Согласно этому методу с помощью экспертных оценок для каждого эффекта составляется морфологическая матрица, на основе которой производится выбор наиболее оптимальных по совокупности эксплуатационных характеристик решений.

Морфологическую матрицу , можно представить в виде двухуровневой структуры, на первом уровне которой находятся классификационные признаки ФТЭ, а на втором варианты их конструктивных реализаций — значения. В некоторых случаях определенные значения 2-х признаков могут не состыковаться друг с другом, тогда этому сочетанию присваивается весовой коэффициент -«о. Комбинируя значения признаков между собой, можно получить все возможные варианты конструктивного исполнения ФТЭ и выбрать среди них представляющие практический интерес. Сочетания значений признаков оцениваются при выборе по ряду значимых эксплуатационных характеристик с возможностью учета весовых коэффициентов данных характеристик, что дает возможность учитывать требования среды эксплуатации элемента, стоимости, габаритов, требования безопасности и эргономики и т.д.

Работа эксперта на этапе морфологического анализа заключается в:

•Анализе существующих или возможных технических реализаций ФТЭ и выявлении элементарных составляющих этих реализаций -признаков с последующим выбором способов конструктивной реализации каждого признака (значений признака) и их качественном сравнении на множестве эксплуатационных характеристик.

•Составлении на основе полученных данных морфологической матрицы.

В разработанной модели проведения консолидированного экспертного анализа в качестве метода анализа был выбран метод парных сравнений, который, с одной стороны, позволяет работать с большим множеством объектов оценки, а с другой позволяет сгладить возможные расхождения в экспертных оценках.

С помощью метода парных сравнений эксперт должен сравнить между собой значения каждого признака по каждой эксплуатационной характеристике («лучше», «хуже», «одинаково»). Затем для каждого признака по каждой характеристике строятся усредненные матрицы парных сравнений консолидированных экспертных оценок. При этом Зц — ячейка усредненной матрицы для характеристики данного признака, рассчитывается по формуле

_ ум-1^ j

где

Xij - ячейка матрицы парных сравнений со сравнительной оценкой превосходства i-того значения данного признака над j-тым, для данной характеристики, введенной экспертом m, М- общее количество экспертов.

На основании усредненных матриц находится вектор значений характеристик:

1. Составляем для каждой матрицы вектор-столбец оценок характеристики для значений В — {¿>,}, где fy = S^tf (ч — количество

/«Ол

значений признаков)

2. Ранжируем значения классификационных признаков по характеристике. Получаем вектор В1.

3. Составляем вектор оценок характеристик для каждого значения из

множества векторов В'. С = где Ь;р - номер строки i - того

значения признака в р - том векторе столбце В'.

Таким образом, после экспертной оценки каждое значение признака будет характеризовано своим вектором оценок эксплуатационных характеристик, описывающим степень соответствия этого значения

заданной характеристике. При этой наибольшая степень соответствия выражается наименьшим значением в векторе оценок эксплуатационных характеристик.

Проблема подбора экспертов решается с помощью ряда ограничений на этапе регистрации эксперта в системе: анкетирование, рекомендации разработчиков и других экспертов, входное тестирование и тл. Методика проведения экспертного анализа также предусматривает проверку квалификации эксперта при назначении ему ФТЭ и проверку согласованности мнений экспертов.

В пятой главе предложена модель графического представления физического принципа действия ФТЭ и морфологических матриц.

Построенная модель основывается на ряде правил и допущений:

1. Изображение ФТЭ состоит из совокупности графических примитивов. Конструктивная реализация ФТЭ компонуется наложением изображений отдельных значений признаков морфологической матрицы ФТЭ,

2. Изображения ФТЭ (3(1) и его конструктивной реализации (2с1) должны соответствовать координатной сетке (рис. 7).

3. Любой нарисованный элемент изображения объявляется примитивом и разрабатывается с учетом его возможного включения в другие изображения. Общая и неизменная для всех сочетаний признаков часть выносится в качестве фона. Для каждого признака создается свой символ — контейнер изображений значений признака, где переход от значения к значению осуществляется как переход от кадра к кадру при смене значения в процессе перебора сочетаний.

На основе вышеизложенного были разработаны две модели построения изображения:

1. изображение физического принципа действия физико-технического эффекта (ФПДрге);

2. изображение морфологической матрицы физико-технического эффекта {ММПЕ),

фпДрге =f(s,F,pЫlp„n:pta2,p^к)t ф

где

5 = ,А,,ф,¿т,у)_ описивает (рис. 7), где V - логический признак наличия сетки.

Р = {(*, х,у, А, IV), * е Т^ л л е [0, и-, - л у е [О, А, - А]} . описание фона изображения как совокупности примитивов определенных своими координатами, где 1 — примитив, принадлежащий к библиотеке статических примитивов ТБ1айс (рис. 7, изображение примитива).

Рис. 7. Сетка и схематичное изображение примитива.

Plnl, Рш2, Poutl, Pout2 - первый и второй вход и первый и второй выход соответственно, где

Рш TDyKamie Ax = (wt/2~dp — w/2\ у = ht-h)r

- (Ux,y,h,w\f е Ti^ Ax = (wj2+dp-wjl\ y = h,-h)t

ршг = wjf e Тр^лх = (wj2 + dp-wj2\ у = h/2).

Описание динамической части изображения: F = {(i, xty,h, w)„t e T^^ Л Jt e [0, wt - w] л у в [0, A, - A]}

ММр^ =f(S,FЛР^пе) ^ьл^тг^оил^вшт) . модель морфологической матрицы ФТЭ, где S — описывает сетку, Plnl, Рш2, Poutl, Pout2 - соответствуют входам и выходам изображения технической реализации и описываются аналогично модели ФПДгте, за исключением того, что примитивы принадлежат к библиотеке T2d — двумерных статических примитивов.

PPfrs ~ f(xpp' Урц > NР!>, {(Zpp»Nz ))) - модель признака ФТЭ, где

хрр и Урр - координаты символа признака, N№ - порядковый номер

признака, (Zpp») _ пара значение признака и порядковый номер значения, который также служит порядковым номером слайда признака.

¿.рр = {(/,*,* Л, w), I €ГМ} - значение признака - совокупность графических примитивов, представленных на слайде признака, где t -примитив, принадлежащий к библиотеке двумерных примитивов T2d. Необходимым условием образования цепочки является:

Цепочка=( ФПДУ[, ФЦДщ,.....ФПД^,

tpotf* - *Ип1+1 Л ХРмйк = ХРш1+1 Li) ^

На основании вышеописанных моделей, а также на основе анализа контрольной группы ФТЭ были разработаны: шаблон создания изображений для ФПД ФТЭ и морфологической матрицы ФТЭ и библиотека графических примитивов, содержащая статические и динамические 3d примитивы и статические 2d примитивы.

Далее в главе описывается программно-инструментальный комплекс для синтеза физического принципа действия и технических реализаций чувствительных элементов «Intellect Pro». Средствами СУБД Oracle9i, языка программирования PHP, XML и графического пакета Macromedia Flash разработано программное обеспечение дня размещения в сети банка физико-технических эффектов, его пополнения, модификации, вывода информации, проведения операций синтеза, а также групповой экспертной оценки значений признаков морфологической матрицы по совокупности эксплуатационных характеристик, \

Рассматривается пример заполнения базы данных паспортами эффектов и их морфологическими матрицами, включая процесс экспертной оценки, а также пример поиска наиболее оптимальных вариантов ФПД (тестовый пример — формирование вариантов цепочек из 3-х ФТЭ при Qt на входе и Qe на выходе, с заданными ограничениями по диапазону эксплуатационных характеристик ),

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. На основе анализа существующих систем поиска новых технических решений разработана расширенная модель паспорта ФТЭ, а также определены критерии минимально необходимого наполнения паспорта, при котором он может участвовать в синтезе физического принципа действия датчика. За счет разработанной модели существенно упрощен процесс пополнения базы данных.

2. Произведена адаптация существующей модели данных системы «Интеллект» к работе в сети Интернет, с учетом возможности консолидированных экспертных оценок морфологических матриц ФТЭ по совокупности эксплуатационных характеристик.

3. Разработана математическая модель расчета величин и параметров цепей при гармоническом характере изменения входной величины, что расширило область действия системы.

4. Включены дополнительные звенья ПСС доя описания паттернов проектирования на примере паттернов последовательного и параллельного соединения трех звеньев ПСС, а также мостовой схемы. Данное введение позволит ускорить процесс синтеза и перейти к синтезу более сложных структур.

5. Разработана модель экспертной оценки эксплуатационных характеристик значений признаков технической реализации ФТЭ на основе метода парных сравнений, за счет чего повысилась точность экспертных оценок эксплутационных характеристик одновременно с увеличением скорости произведения экспертных оценок.

6. Предложена модель графического представления ФПД ФТЭ и морфологических матриц, что позволит значительно упростить процесс создания изображений ФПД и технических реализаций ФТЭ и упростит процесс восприятия изображений за счет их унифицированности

7. Разработан комплекс программ для автоматизации начальных этапов проектирования датчнковой аппаратуры, которая позволяет существенно расширить объем активно используемых знаний, и повысить точность и объем предоставляемой пользователю информации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

1. MZaripov Project on Creation of Knowledge Base on Physical and Technologocal Effects / MZaripov, I Jetrova, V.Zaripova // Education in Measurements and Instrumentation — Challenges of New Technologies: Proceedings of TC-1 Symposium - 2002 - Wroclaw: Wroclaw University of Technology, - 2002 -C. 171-176 ISBN 83-7085-647-0

2. M.F. Zaripov Use of Integrated Base of Knowledge on Physical Effects During Training the Engineers/ I.Yu. Petrova, V.M. Zaripova // The Renaissance Engineer of Tomorrow: Proceedings of the 30th SEFI Annual Conference - 2002 - Firenze: Universita degli Studi di Firenze - SEFI, Edizioni Polistampa, - 2002 - C. 102-103 ISBN 88-8304481-9

3. Зарипов М.Ф, Метод парных сравнений при оценке эксплуатационных характеристик технических реализаций элементов систем управления/ М.Ф. Зарипов, В.М. Зарипова //ДАТЧИКИ И СИСТЕМЫ. - 2004. - J& 3. -С, 31-34

4. Зарипова В.М. Объектно-ориентированная модель систем поиска новых технических решений / Зарипова В.М. // Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных

технологий: Материалы Международной науч но-технической конференции и Российской научной школы (Часть 7. Том 1.). - 2004г. — М.: Радио и Связь, - 2004. - с. 84-86. ISBN 5-256-01748-9

5. Зарипова В.М. Применение объектных технологий для анализа и проектирования систем поиска новых технических решений (на примере систем Интеллект и Сапфит) / В.М. Зарипова, В А. Камаев // Информационные технологии в образовании и медицине: Материалы международной конференции — 2004 г. — Волгоград: Издательство ВолгГТУ, 2004 г.

6. Петрова И.Ю. Системы инженерного обучения на базе Интернет технологий / И.Ю. Петрова, В.М. Зарипова // Modem (е-) Leaming: Proceedings of the International Conférence - 2006 - Sofia: FOI-COMMERCE, - 2006 - C. 89-95 ISBN -10:954-16-0037-9 ISBN -13:978954-16-0037-5

7. Автоматизация деятельности инженера на этапах предварительного проектирования чувствительных элементов «Intellect Рго»: свидетельство на ПрЭВМ №2006613930 РФ/ В. М. Зарипова (РФ) - M» 2006613800; заявл. 13.11.2006.; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 16,11.2006.

i

i

Подписано к печати 20.11.2006. Усл. печ. я. 1,4. Уч.-иад. л. 1.3. Тираж 100 эю. Заказ № 1034.

Издательский дом «Астраханский университет» 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 20 E-mail: asupress@yandex.ru Факс (8512) 23-17-18, тел. (8312) 54-01-89,54-01-87

Введение.

Глава 1 Сравнительный анализ систем концептуального проектирования технических устройств.

1.1 Формализованное описание естественнонаучных и научно-технических эффектов на основе онтологии научно-технических характеристик.

1.2 Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ).

1.3 Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ) 2го поколения.

1.4 Системы автоматизированного проектирования в обучении.

1.5 Системы конечно-элементного анализа (моделирование физических процессов).

1.6 Энерго-информационная модель цепей и метод структурных параметрических схем (система Интеллект).

1.7 Система структурированных физических знаний (САПФИТ).

1.8 Сравнительный анализ функциональных возможностей систем концептуального проектирования технических устройств.

1.9 Перечень требований к разрабатываемой системе.

1.10 Выводы.

Глава 2 Модель классов консолидированной автоматизированной системы синтеза технических решений датчиков.

2.1 Применимость объектно-ориентированного подхода при анализе совместимости систем Интеллект и САПФИТ.

2.2 Объектно-ориентированный анализ системы Интеллект.

2.3 Объектно-ориентированный анализ системы САПФИТ.

2.4 Модель объектов консолидированной системы.

2 5 Расширенные модель и паспорт для описания физико-технического эффекта.

2.6 Модель данных системы адаптированная к работе в режиме многопользовательского доступа в сети.

2.7 Выводы.

Глава 3 Аппарат параметрических структурных схем (ПСС) для синтеза и анализа сложных соединений звеньев.

3.1 Виды элементарных звеньев параметрических структурных схем (ПСС) и их графические изображения.

3.2 Простейшие виды соединения звеньев внутрицепных зависимостей в параметрических структурных схемах и их реализация.

3.3 Применение аппарата ПСС при гармоническом изменении во времени величин и параметров цепей.

3.4 Расчет мостовой схемы с применением аппарата ПСС.

3.5 Выводы.

Глава 4 . Автоматизация этапа морфологического синтеза конструктивных реализаций технических решений (TP).

4.1 Построение морфологической матрицы физико-технического эффекта (ФТЭ) или параметра.

4.2 Пример морфологической матрицы физико-технического эффекта

4.3 Этап морфологического анализа при заполнении морфологических матриц.

4.4 Обработка парных сравнений значений признаков по эксплуатационным характеристикам.

4.5 Оценка согласованности мнений экспертов.

4.6 Морфологический синтез новых решений.

4.7 Технология сетевой работы экспертов.

4.8 Выводы.

Глава 5 Комплекс программ для синтеза датчиков и визуализации полученных решений.

5.1 Использование графики при описании физико-технического эффекта (ФТЭ).

5.2 Модель графического представления принципа действия физико-технического эффекта (ФТЭ) и морфологических матриц вариантов технических реализаций.

5.3 Шаблоны и примитивы для создания изображений ФТЭ.

5.4 Программно-инструментальный комплекс для синтеза физического принципа действия и технических реализаций чувствительных элементов

Intellect Pro».

5.5 Тестирование Интернет приложения «Intellect Pro».

5.6 Выводы.

Датчиковая аппаратура широко востребована во многих областях народного хозяйства: автоматизированные системы управления и регулирования, робототехника, автомобиле-, самолето- и кораблестроение, бытовая и офисная техника, медицинская техника. При этом в зависимости от сферы использования необходимо учитывать различные конструктивные особенности и характеристики датчиков. Например, при промышленном применении определяющим фактором является погрешность, которая при регулировании процессов должна составлять 1.2%, а для задач контроля - 2.3%. Благодаря внедрению новых технологий изготовления (высоковакуумное напыление, распыление, химическое осаждение из газовой фазы, фотолитография и т. д.) и новых материалов непрерывно расширяются сферы применения датчиков, недоступные ранее из-за их высокой цены.

Согласно аналитическим исследованиям рынка США (проведенным Business Communication Company, inc) спрос на датчиковую аппаратуру будет в среднем ежегодно возрастать на 4.7% в США и на 6.2% на мировом рынке вплоть до 2009 года. Если учитывать бурное развитие иных сфер применения датчиковой аппаратуры (например, датчиковых сетей), то в целом возможен ежегодный прирост спроса еще на один процент!" 1,2,3.4].

2,6

Пассивные -в—Активные

Электромеханические X Полупроводниковые

Рисунок 1. Прогноз развития рынка США по индустриальным датчиковым технологиям за период 2002 -2009 по итогам маркетинговых исследований ВССДпс

16 Б 14 о со 12 о а я 10

С ц 8 о ч 6

X о

5 с; 4 ц

S ю 2

14,67

10,08

5,72

3,54

Германия

США

9,87

6,31

10,63

6,76

4,96

1,98

3,29

2,86

1,47

0,98

Япония Западная Другие страны Азия Европа американского континента 1998 □ 2008

Остальные страны мира

Рисунок 2. Развитие мирового рынка датчиковой аппаратуры к 2008 году.

По данным НИИФИ [5] известно более 400 физических явлений, которые могут быть положены в основу создания современных средств измерений и это количество постоянно растет. Возросшие требования рынка вынуждают производителей интенсивно расширять номенклатуру серийно выпускаемых датчиков.

Однако, даже ведущие фирмы в области производства чувствительных элементов используют не более 27-30% от имеющегося фонда физических явлений (данные фирмы Endress&Hauser. промышленное техническое оборудование [6]). Кроме того, необходимо учитывать, что одни и те же датчики могут использоваться для различных измерений (Рисунок 3).

Наиболее трудоемким и длительным является начальный этап проектирования, на котором необходимо определить физический принцип действия и конструктивную реализацию датчика.

Поэтому актуальным является автоматизация начальных этапов проектирования, выбора принципов действия датчиковой аппаратуры. Это позволит унифицировать и централизовать процесс разработки и обеспечит инженера мощной базой знаний о физико-технических эффектах (ФТЭ). Такие системы позволяют: сократить время и трудоемкость создания нового изделия, оперативно адаптироваться к изменениям рынка, быстро обучать специалистов [7,8,9].

Физическая величина Принцип действия Давление 1 Усилие Положение (в пгэо-странстве без ме-хажческой связи) 3 I 1 О) с Скорость (линейная) Ускорение 1 Вибрация I « Ш ф о !| & 1 5 1 I 1 | | is 1 S & 2 о & о о Деформация Координаты точки (без механической связи) Угловая скорость 9 5 0) 3 с £ Е о 2 а 2 Е & >. S Влажность Расход

Емкостный • • ! э • - • О • О 1 У - У У - О Э i -

Пьгэоэлекгржеский У j ' - - - ) • - ! -

Дифференциально- трансформаторный J ! О j Э 1 • У У О • ~ 1 ~ - - '1-1-

Термогарный ! ) -

Тензорвзиставный • • t - - 1 - - - - - - У - У У

ПотенциометричеаиЙ о у - • - У - - - - - - о -

Тошжревой о - J О О - - • - ] - - J | У - о -

Термистарный - 1 У

Эффект Холла - У • О - - • - 1 " • - о

Пьезорезиставный • • - - • • - ;> - > - у * 3

Вслоконно оптический > Э У • ') • • • У У ) > 1 У J t ■> 1 -

Магниторезистивный - У У - - - * - У У - э ' - -

ПАВ э - - У ) - - - •> 1 - - у 1 - -

Пьезорезонансный резонансный • •| - - - • - - У - - У - У -

Индукционный - " I - - ! • - о - - 1 - • - - У - i - ' -— 1

Эффект Виганда -1 - f - 1 - 1 i

Эффект Матусеи о о! - - ! - У о - - 1 - - >1 - - > 1 - ! -

Лавинный пробой в пол/провэдникоеых рп переходах 3 1 ) ) э - у • ? - • У У У

Эффект Виллари у э 1 - у - • • - 1 - { - у f - t -

Туннельный эффект у э 1 - -1 - • • - - < - - У 1 - У ■у ' У\ У

Приншже "У- иаш>з)ется иотэдьэсеамг предпочтительное - использование нецелесообразно

Рисунок 3. Принципы действия датчиков - частота применения [5].

Принцип действия любого датчика можно представить как ряд преобразований входной величины одной физической природы в выходную величину другой физической природы - физико - технический эффект. Таким образом, синтез физического принципа действия основан на использовании базы знаний по физическим эффектам и явлениям и их конструктивным реализациям. База знаний обеспечивает выполнение различных функций: хранение, пополнение, просмотр, выборка, поиск и корректировка информации об эффекте или явлении, с одной стороны и синтез физического принципа действия (ФПД) - сочетаний физических эффектов и явлений - с последующим ранжированием найденных решений по некоторому набору эксплуатационных характеристик с другой стороны. [10]

В условиях интенсивного развития различных областей науки и техники особенно остро встает вопрос способа наполнения базы знаний, ее универсальной направленности, достоверности экспертной оценки и полноты представления имеющихся данных.

Внедрение современных сетевых технологий (сетевые поисковые системы, системы сетевого экспертного анализа, сетевые банки идей) на этапах проектирования и ввода информации в банки данных по физико-техническим эффектам позволит запустить процесс непрерывной актуализации данных, обеспечить сетевую экспертизу вводимых данных, расширить объем используемых специалистами знаний, повысить качество и объем информации в банке данных за счет привлечения специалистов и экспертов разного профиля, разрабатывать групповые проекты, и, как следствие, уменьшить стоимость и повысить эффективность работы с системами такого рода.[11]

В работах М.Ф. Зарипова и И.Ю. Петровой предложена концепция построения базы знаний на основе энерго-информационных моделей цепей (ЭИМЦ), которая позволяет использовать универсальный математический аппарат неравновесной термодинамики для описания эффектов и явлений различной физической природы. При синтезе физического принципа действия (ФПД) одновременно синтезируется параметрическая структурная схема и математическое описание конструкции, а также рассчитываются оценки эксплуатационных характеристик. Однако, наполнение базы знаний сдерживается необходимостью преобразования информации о том или ином эффекте в соответствие с критериями энерго-информационной модели цепей (ЭИМЦ), а также необходимостью сбора и неавтоматизированной обработки мнений экспертов по оценке эксплуатационных характеристик технической реализации физико-технических эффектов (ФТЭ). Кроме того, рассматриваются только случаи линейного изменения воздействия любой физической природы.

Требования, предъявляемые к исходному материалу в других системах (А И Половинкин, В А. Камаев, Р. Коллер, А.М Дворянкин, В.А. Глазунов, С А Фоменков, В М Цуриков, В В Попов и другие), позволяют им относительно быстро наращивать объем базы знаний, т.к. описание физических эффектов производится в текстовой форме, но не поддерживают математический аппарат и экспертные оценки эксплуатационных характеристик. В то же время, если использовать эффекты, даже с таким неполным описанием, в процессе синтеза, инженер сможет получить значительно большее число вариантов решений. Таким образом актуальной научно технической задачей является создание сетевой системы поиска новых технических решений датчиковой аппаратуры на основе консолидации знаний экспертов о физических эффектах и явлениях с учетом различного характера изменений во времени входных величин.

Работа выполнялась в рамках госбюджетной НИР Федерального агентства по образованию по теме «Автоматизированная система поиска новых технических решений чувствительных элементов систем проектирования на ранних этапах проектирования» (№ 1.2.06).

Цель диссертационной работы: разработка комплекса программ для эффективного синтеза физического принципа действия датчиков с поддержкой экспертизы в сети Интернет на основе усовершенствованной концептуальной модели баз знаний о физических эффектах и математической модели сложных параметрических структурных схем с гармоническим изменением входного воздействия.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе осуществляется решение следующих задач:

• анализ существующих автоматизированных систем инженерного творчества и разработка расширенной модели паспорта физического эффекта на основе их консолидированных моделей;

•разработка модели консолидированной базы знаний о физико-технических эффектах на основе объектно-ориентированного подхода;

•разработка модели организации процесса сетевой экспертной оценки технической реализации физического эффекта на основе метода парных сравнений и реализация интерфейса экспертной оценки;

• классификация существующих элементов параметрических структурных схем (ПСС) и разработка модели описания гармонического изменения во времени величин и параметров цепей с помощью аппарата параметрических структурных схем;

• классификация и разработка паттернов - сложных соединений элементов ПСС с заранее рассчитанными характеристиками и параметрами, которые могут участвовать как блоки в синтезе физического принципа действия (ФПД);

• составление библиотеки графических примитивов и разработка на ее основе модели графического представления принципа действия физического эффекта и вариантов технической реализации;

•разработка комплекса программ для синтеза чувствительных элементов датчиков с поддержкой работы в сети.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались энерго-информационная модель цепей и аппарат параметрических структурных схем, модель структурированного представления физических знаний, методы и модели экспертной оценки, методы объектно-ориентированного проектирования, технология проектирования реляционных баз данных, метод комплексных амплитуд при гармонических воздействиях. Научная новизна

1. Разработана обобщенная объектная модель представления знаний и расширенная модель паспорта ФТЭ для реализации в сети Интернет. Предложена модель пролонгированного накопления информации о физическом эффекте, основанная на многокомпонентном представлении информации. Это облегчило и ускорило процесс пополнения базы данных ФТЭ.

2. Разработана модель организации сетевой экспертной оценки эксплуатационных характеристик физических эффектов и их технических реализаций на основе метода парных сравнений, что позволило консолидировать мнения множества экспертов и повысить точность оценки.

3. Разработана модель построения параметрических структурных схем при гармоническом характере изменения входной величины, что позволило учитывать динамику процесса и расширило область применения системы.

4. Предложено производить синтез физического принципа действия технического устройства с использованием паттернов (шаблонов сложных соединений элементов ПСС), что позволило рассчитывать и синтезировать более сложные технические решения.

Практическая ценность работы.

На основе проведенных исследований создан комплекс программ для синтеза датчиков с поддержкой многопользовательской работы экспертов в сети. Система может применяться в приборостроительной отрасли для автоматизации начальных этапов проектирования чувствительных элементов датчиков, а также в высших учебных заведениях для преподавания дисциплин в рамках направлений: «Приборостроение», «Информационные системы и технологии». Результаты работы использованы на ОАО «КБЭ XI века» (г. Сарапул, Удмуртия) и в Астраханском государственном университете.

Апробация научных результатов.

Отдельные материалы, входящие в диссертацию обсуждались на международной научно-технической конференции Joint IMEKO TC-1&XXXIY МКМ (г.Вроклав, Польша, 2002 г.) , SEFI 30th Annual Conference (Флоренция, Италия 2002 г.), Конференция КИТ-2003 (г.Сочи, 2003 г.), "Информационные технологии в образовании, технике и медицине" (г.Волгоград, 2004 г.), MEL-2006 (г. Варна, Болгария 2006 г), и научно технических конференциях профессорско -преподавательского состава (г. Астрахань 2004, 2006 гг.).

Публикации. Основные положения и результаты работы опубликованы в 7 печатных работах.

1.10 Выводы

Проведен сравнительный анализ существующих автоматизированных систем поиска новых технических решений, основанных на работе с базами знаний по физическим эффектам и явлениям. Выявлены методы и модели описания физических эффектов участвующих в синтезе технического решения. Были рассмотрены следующие модели и методы: формализованное описание естественнонаучных и научно-технических эффектов на основе онтологии научно-технических характеристик (Попов В.В. и др.), теория решения изобретательских задач первое (Альтшуллер Г.С.) и второе (Глазунов В.И.) поколение, обучающие системы по курсам проектирования (на примере системы ILEM2001, разработанной на базе университетов "Pierre et Marie Curie" (Париж, Франция) и «Valahia» (Румыния)), системы конечно элементного анализа, т.е. исследовании свойств объекта или процесса путем создания и решения адекватной математической модели (COMSOL Multiphusics), энерго-информационная модель цепей различной физической природы и аппарат параметрических структурных схем (Зарипов М.Ф., Петрова И.Ю.), методы поискового конструирования (Половинкин А.И., Камаев В.А).

На основании рассмотренных моделей была построена таблица сравнительных характеристик и выявлены основные требования к разрабатываемой системе.

Таким образом, для построения модели системы удовлетворяющей вышеперечисленным требованиям необходимо решение следующих задач:

• исследовать возможность совмещения информации о физических эффектах из разных баз данных для создания модели расширенного паспорта ФТЭ;

• повысить эффективность синтеза за счет использования паттернов;

• создать возможность консолидации мнений экспертов при работе в сети Интернет;

• для расширения сферы применения системы исследовать возможность анализа ПСС при синусоидально изменяющихся во времени входных взаимодействиях различной физической природы.

Глава 2 Модель классов автоматизированной системы решений датчиков. консолидированной синтеза технических

2.1 Применимость объектно-ориентированного подхода при анализе совместимости систем Интеллект и САПФИТ

Концепция объектно-ориентированного подхода возникла в конце 70-х -начале 80-х как альтернатива традиционному стилю программирования. Традиционный стиль программирования подразумевал главенствование алгоритма, программы над данными. Такой подход отвечал требованиям вычислительных задач, относительно неплохо подходил для коммерческих, в основном, учетно-расчетных задач. Как альтернатива традиционному подходу постепенно сформировался объектно-ориентированный подход [43,44,45,46].

Объектно-ориентированный подход предполагал сосредоточиться на описании предметной области как некоторого набора объектов, которые общаются между собой, к которым можно обратиться с запросами, но про внутреннее устройство которых нам на данном уровне абстракции знать не надо. Объектная технология - это, по сути, комбинация 4-х идей:

• Структура классов. Чтобы сделать систему гибкой и многократно используемой лучше базироваться на типах объектов, а не на действиях осуществляемых над ними. Результатом такого подхода является такой мощный и многогранный механизм как класс, который в объектном подходе служит базой модульной структуры и системы типов.

• Дисциплина надежности. Вся система представляет собой набор компонент, взаимодействующих друг с другом на основе контрактов, четко оговаривающих обязанности и привилегии каждой части.

• Принцип АТД (абстрактных типов данных) определяет способ описания класса. Описание объекта (через класс) определяет только что можно сделать с этим объектом: операции (или же признаки) и формальные свойства этих операций (признаков). Данная идея формально выражена с помощью теории абстрактных типов данных. Абстрактный тип данных -набор объектов, определенных списком операций, или признаков, применимых к этому объекту, и свойств этих операций.

• Иерархичность- в любой дисциплине необходима систематизация, в объектно-ориентированных технологиях этим целям служит механизм наследования.

В дополнение к четырем основным концепциям объектного подхода: классу, контракту, абстрактному типу данных, наследованию - необходимо использовать ряд других техник таких как:

• инкапсуляция - сокрытие деталей реализации внутри типа;

• полиморфизм - применимость одной операции к разным типам и разный способ вычисления в зависимости от типа;

• позднее связывание - определение реального типа объекта в момент исполнения;

• новые виды типов и верификация типов;

• ограниченная и неограниченная универсальность, скрытие информации, утверждения, обработка исключительных ситуаций, автоматическая сборка мусора.

Объектно-ориентированный метод призван улучшить такие качества системы как

• надежность - гибкость начальных установок и готовность объектно-ориентированной системы к изменениям позволяют строить корректное программное обеспечение, а принцип инкапсуляции гарантирует устойчивость системы;

• расширяемость - благодаря механизмам наследования, полиморфизма и универсальности система легко адаптируется к изменениям спецификации;

• повторное использование компонентов - поскольку класс должен изначально разрабатываться как самодостаточная, законченная структура, он может быть применим для построения других систем;

• совместимость, переносимость, простота в использовании, эффективность, своевременность, экономичность и функциональность.

P0CCKI*,C,",.I

ГОСУДАРСТВУ.' I

БИЕШ.ОТС.,»

Рассмотрим преимущества объектно-ориентированного подхода по сравнению с традиционным [47 - 67] (Таблица 2-1).

1. Рисунок технической реализации Краткое описание

2. Рисунок 2-1 Структура паспорта ФТЭ

3. Входная величина Величина

4. Выходная величина -щ Наименование Физ природа Диапазон изменения Размерность Краткое наименование

5. Рассчитать Вывести на жран Занести опесанд^спшэдгсо1. Операнд

6. Наименование Описание Размерность Диапазон значений1. Задать операнд1. Задать численное значение

7. Рассчитать среднее значениематрица1. Массив признаков1. Построить реализации1. Цепоч<аЪ<1емекгов

8. Массив элементов Порядковый номер Набор аот. Sap, Входная величина Выходная величина

9. Добавить элемент ТУ Рассчитать характеристики Вывести цепочку Рассчитать средждо оцежу1. Менеджер синтеза

10. Массив цепочек Входная величина Выходная величина Диапазон значений характеристик Количество цепочек для отбора

11. Сингезирсеапъ цепо-ги Ранжировать цегпг-ки Отобрала цепочки1. Признак

12. Массив реализаций Наименование ОРРЯДКОВШ номер1. Реализация1. Наименование Набор щт Щ

13. Рисунок 2-2 Модель объектов системы Интеллект

14. Объектно-ориентированный анализ системы САПФИТ

15. Система САПФИТ является автоматизированной системой синтеза физического принципа действия изделий и технологий.

16. Для работы в системе было выработано стандартное описание физического эффекта, которое состоит из трех документов: входной карты ФЭ, выходной карты ФЭ и основного текста описания.

17. Физический эффект может иметь несколько входов, но только один выход.

18. Выходная карта ФЭ дает краткую легко-обозримую характеристику ФЭ в удобной для восприятия форме и содержит следующие поля:1. Наименование ФЭ.

19. Сокращенное представление схемы вход объект - выход.3. Краткая сущность ФЭ.

20. Математическая модель ФЭ математическая зависимость, устанавливающая связь физических величин А и выхода С. При отсутствии такой зависимости дается ее графическая или табличная интерпретация.

21. Диапазон изменения входа\выхода.

22. Практическое применение ФЭ.

23. Использованная литература.

24. Основной текст описания представляет собой подробное описание сущности и математической модели ФЭ, применения ФЭ в технике и научных исследованиях, инженерно-технические характеристики ФЭ. (Рисунок 2-3)1. Основной текст описания ^математическаямодель

25. Применение ФЭ в >технике и научных ' исследований

26. Инженерно-технические характеристики ФЭ1. Наименование1. Краткая сущность ФЭ

27. Диапазон изменения входа .выхода Математическа я модель1. Практическое применение1. Использованная литература1. Ь)1. Наименование

28. Наимен ование входа Существенные качественные характеристики Наименование физ. величин, характеризующи х вход Характер измененияфиэ. ветчин1. П В С 1. Объект

29. Общая структура NP фаз ы Физико-химические свойс тва Спец. хар -и и ограничения1. Ф X Э М Мх ОС С С С С

30. Рисунок 2-3 Структура описания физического эффекта в системе САПФИТ.

31. Основной текст описания (а), выходная карта ФЭ (Ь), входная карта ФЭ (с).

32. Более подробное описание системы было приведено в источниках 28,29,80,81,82.

33. Описание математической модели ФЭ Практические применение ФЭ Списск литературы описание

34. Сформировать сокращенное представление

35. Сформировать выходную карту Ввести вход Ввести выход Ввести объект Сравнить вход1. Параметрическая величина

36. Наименование Пространственная характеристика Временная ШШШШШ. Специа/ъная характеристика Физическая величина Ед ИМ

37. Характер изменения физической величины1. Объект ФЭ1. Структура1. Фазы1. ФПД1. Вход1. Выход1. Количество эффектов1. Матрица ограничений

38. Массив послвдоеательнсстей — -►

39. Сформировать ФПД Отобрать ФПД1. Фаза

40. Рисунок 2-4 Модель объектов системы САПФИТ

41. Модель объектов консолидированной системы

42. После построения модели можно выявить связи наследования, которые позволят создать общую структуру.

43. Наименование Физ. природа Диапазон изменения ЩцШШЬ Краткое наименование Физ. природа1. Величина: :new1. Параметрическая величина1. Наименование

44. Пространственная характеристика Временная характеристика Специальная характеристика Физическая величина Ед. ИЗД.

45. Характер изменения физической величины

46. Наименование Физ, природа Краткое наименование Пространственная характеристика Временная характеристика Специальная характеристика Диапазон изменении

47. Характер изменения физической величины

48. Рисунок 2-5 Получение объекта «Величина: :new»

49. Массив признаков Ведущий признак1. Построить реализации1. Признак1. Ведущий1. Значение1. Генерация ч значений1. Признак

50. Массив реализаций Наименование Порча'.сеый номер1. Qfmm

51. Наименование Порядковый номер Массив ЮЩШШ1. Сшяшт ЙШ

52. Рассчитать массив реализаций1. Обккг ФЭ1. А251. Реш1шшт

53. Наименование Набор жод, /дв.

54. Фазовсе состояние Химический состав Электропроводность Магнтная структура Me <аничаское состояние1. Огоиадие «шдаиесочетайте у1. Декартсео произведение

55. Порядковый номер Фазовсе состояние Химический состав1. Злаэтваишшзь

56. Магнигнда стр^гг>ра Механическое состояние Опт-Веское состояние Специальное хар-зктеристи:н

57. Рисунок 2-6 Система объектов описывающих техническую реализациюфизического эффекта

58. Практическое применение ФЭ Список литературы1. Описание1. Сформировать сокращеннеепредставление Сформировать еьюлную карту Ввести вход Ввести выход Ввести объект Сравнилъ в>.од1. Элемент ТУ

59. Входная величина Выходная величина

60. Рисунек технической реализации Морфологическая матрица Матрица несовместимости1. Набор а&пд, характеристик

61. Рассчитать диапазон выходной величины1. Построить ПСС1. Вывести пасгорт1. Ввести паспорт1. Вывести карту1. Ввести карту1. Ввести харягтеристиги■ Г: • ■■.:■

62. Рисунок 2-7. Получение объекта Элемент::new

63. Шаг 3: На основе объектов «Цепочка элементов» и «Последовательность ФЭ», а также выведенного объекта «Элемент: :new» был построен объект «Последовательность: :new»

64. Массив элементов Порядковый номер Набор зщ, ш Входная величина Выходная величина

65. Добавить элемент ТУ Рассчитать характеристики Вывести цепочку Рассчитать средноо оценку1. По следователь нош» ФЭ1. Массив ФЭ Количество ФЭ1. Выдать ФЭ Добавить ФЭ1. Посдедоватед>ностъ::пеи

66. Массив элементов Порядковый номер Набор шо- Ш Входная величина Выходная величина Количество ФЭ

67. Добавить элемент ТУ Рассчитать харастеристиси Вывести цепочку Рассчитать среджао слеш.

68. Рисунок 2-8 Получение объекта Последовательность::new

69. Шаг 5: В заключение выводим объект «Менеджер синтеза» (Рисунок 2-9)1. Менеджер ннтезд

70. Массив цепочек Входная величина Выходная величина Диапазон значений характеристик Количество цепочек д;н отбора Синтезировать цепочки Ранжировать цегтач<и Отобрать иепоч'и

71. Количество эффектов Матрица ограничений Массив последовательностей Сформировать ФПД Ранжировать ФПД Отобрать ФПД1. Менеджер синтеза

72. Массив последовательностей1. Вход1. ВкШЗЙ

73. Диапазон значений харветеристис Количество цепочек д.ля отбора1атрицеогюн ■-■■■■1. Синтезеджишш.1. Отбор

74. Рисунок 2-9 Получение объекта «Менеджер синтеза»

75. Данные объекты и отношения между ними определяют полную модель объектов консолидированной системы «Intellect Pro» (Рисунок 2-10).11 -Коэффициент1. Элемент

76. Наименование Вход Величина -Выход Величина-Коэффициент Формула Математическая модель Краткое описание Практическое применение Список литературы -Полное описание Изображение ФПД -Морфолог ическая матрица Матрица несоамвсгиммосты Набор эксгп хар-к.

77. Рйссчи I tt гь диапазон аых.

78. Построить ПСС{) ♦Вывести паспорт() +Ввести ласпорт() +Вывести карту(}

79. Массив операндов\операций : Операнд Рассчитанное значение -Размерность -Краткое описание вывода

80. Рассчитать() ♦Вывести на экран() ♦Занести операнд\операцию{)-Цепочка-Элемент цепочки1. Менеджер синтеза

81. Последовательности Последовательность1. Вход1. Выход

82. Диапазон значений характеристик ■Количество цегочек для отбора Матрица ограничений1. Синтез() ♦Ранжировка!)1. От6ор()1. Операнд-Наименование Описание Размерность Диапазон значений1. Задать операндО

83. Задать численное значение()

84. Расширенные модель и паспорт для описания физико-технического эффекта.

85. Объектно-ориентированная модель консолидированной системы позволяет вывести расширенную логическую модель паспорта физико-технического эффекта для представления в системе.

86. КМШ математическая модель ФТЭ, в которой указываются факторы, влияющие на функциональную связь физических величин входа и выхода, например влияние полей, а также по возможности приводится графическое выражение зависимости. Принимает значение 1 или О,

87. П0 описание применения ФТЭ в технических областях, может представлять собой как текстовое описание, так и вектор (где 1 - возможность применения в технической области i). В общем случае может принимать значение 1 или О,

88. О0 общее описание ФТЭ, включает в себя подробное описание объекта исути физического явления, содержит данные справочного характера. Переменная может принимать значения 1 или 0.

89. Необходимым и достаточным условием синтеза технического устройства датчика является полное совпадение выходной величины предыдущего эффекта со входной величиной последующего эффекта в цепочке:П(2-3)1. К=1

90. ТУ = (ФТЕ . ,ФТЕ. . , ,ФТЕ, ФТЕ . еБДл j„=«,, aBrmxi =BRvi

91. J. '2J2 'nJn 'к->к k k+1 BbIXJjc bxJjc+1

92. При этом техническое устройство будет являться работоспособным, если диапазоны соответствующих величин пересекаются Двх| пДвыхГ

93. Эксплуатационные характеристики технического устройства вычислимы если рассчитаны эксплуатационные характеристики для каждого эффекта в цепочке: Эпту = АЭПРТЕ, 0"Т£еТУ)(ЗЭпт)) (2-4)

94. Исходя из логической модели ФТЭ и вышеприведенных выражений можно рассчитать минимальный набор сведений, необходимых для успешной процедуры синтеза.

95. FTE = |НП1, В8х1, BBblxJ ,1,0,0, (-00,+00), (-00,+00), {0} ,0,0,0,0,0| (2-5)

96. Таким образом для того чтобы ФТЭ участвовал в процедуре синтеза достаточно занести сведения о его наименовании и определить входную и выходную величину ФТЭ.

97. Таким образом, можно вывести дополнительно формулу минимального наполнения паспорта ФТЭ, при котором ФТЭ может полноценно использоваться при синтезе принципа действия чувствительных устройств:

98. Т£ = ^11,ВВ1,В111Ч,А:Д.АД„,Д111Ч,ЭГ1,0,0,0,0,0} (2-6)

99. Вся остальная информация не является обязательной и может быть получена инженером из справочников.

100. Модель данных системы адаптированная к работе в режиме многопользовательского доступа в сети

101. Рассмотрим возможность адаптации модели данных системы «Интеллект», к работе в режиме многопользовательского доступа в сети, с учетом вышеприведенных допущений.

102. Для этапа синтеза наилучших технический решений необходимо определить требования пользователя к синтезируемому решению (вектор весов характеристик, количество определяемых решений).1. Пользователь

103. Отчёт по результатам анализа1. D11. БД ФТЭ

104. Отчёт по результатам синтеза1. Изображение символа1. А1о (е