автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Морфологический синтез чувствительных элементов систем управления по параметрическим структурным схемам

На правах рукописи

КВЯТКОВСКАЯ Ирина Юрьевна Р ! 5 ОД

г \ дпр гш

МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПО ПАРАМЕТРИЧЕСКИМ СТРУКТУРНЫМ СХЕМАМ

Специальность: 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Специальность: 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Астрахань 1999

Работа выполнена в Астраханском государственном техническом университете •

■ НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор технических наук, профессо

заслуженный деятель науки Башкирии Зарипов М.Ф.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук, профессор

Дворянки» А.М.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Астраханский научно-исследовательский и

проектный институт газа (АНИПИгаз), г.Астрахань

Защита диссертации состоится 17 декабря 1999 года в 13 час.00 мин. на заседании диссертационного Совета Д117.07.01 в Астрахансю Государственном техническом университете по адресу: 414 025, г.Астрахань,) Татищева, 16, главный корпус, ауд.313.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печать просим направлять ученому секретарю диссертационного совета по адре( 414025 г.Астрахань, ул. Татищева 16, АГТУ. Ученый совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

кандидат технических наук, доцент Надеев А.И.

Автореферат разослан 16 ноября 1999 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета, доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Функционирование различных систем управления технологическими процессами существенным образом зависит от количества и качества чувствительных элементов - первичных преобразователей информации, используемых в системе. Изучив показатели мирового рынка средств автоматизации технологических процессов, швейцарская фирма-консультант Intechno Consulting (г.Базель) в исследовании «Автоматизация процессов 2006» прогнозирует увеличение объема рынка с 73,7 млрд.нем. марок в 1996 до 112 млрд. нем. марок в 2006г. Ведущая роль будет принадлежать сектору, включающему в себя химическую, нефтехимическую, фармацевтическую, целлюлозно-бумажную и пищевую промышленности, что потребует большого разнообразия датчиков по номенклатуре и техническим характеристикам.

В настоящее время широкое использование датчиков в информационно-измерительных системах и автоматизированных системах управления сдерживается их относительно высокой стоимостью. Уменьшить стоимость первичных преобразователей информации можно при широком внедрении САПР на всех этапах разработки новых конструкций. Поэтому актуальной становится задача создания автоматизированной системы поискового проектирования датчиковой аппаратуры. Работа такой системы строится на основе базы знаний, содержащей фактические данные и законы из предметной области. Продуктивность системы в целом зависит от объема сведений, хранящихся в базе знаний. Постоянный рост количества физических эффектов и явлений, связанный с пополнением базы данных, появление материалов с новыми свойствами, повышенные требования к качеству проектирования приводят к тому, что решение задачи организации информационных массивов при отсутствии средств автоматизации невозможно. При увеличении объема базы знаний количество вариантов растет экспоненциально. Поэтому подсистема отбора вариантов - необходимая часть системы, автоматизирующей начальные этапы поискового проектирования.

Известны системы синтеза устройств, использующие морфологический подход к поиск)' новых технических решений. Процедура морфологического синтеза реализуется в таких системах для изделий техники в целом. Это требует создания новых морфологических матриц для каждого класса, подкласса изделий, связанного с

выполнением подготовительных процедур большого объема. Соответственш увеличивается время создания нового технического решения.

С другой стороны, известен метод параметрических структурных схем (ПСС) I энерго-информационное моделирование цепей (ЭИМЦ), позволяющие синтезироват! физический принцип действия (ФПД) чувствительного элемента из элементарны; звеньев - физико-технических эффектов (ФТЭ) и параметров цепей различно! физической природы. Таким образом, если каждому звену такой параметрическо? структурной схемы будет соответствовать морфологическая матрица возможны> конструктивных реализаций, то возможен морфологический синтез разнообразны) элементов вычислительной техники и систем управления на основе морфологических матриц элементарных звеньев. При этом количество решений еще больше возрастает, т.к. происходит сначала перебор морфологических матриц элементарных звеньев, а затем перебор всевозможных вариантов сочетаний элементарных звеньев. Поэтому особенно актуальной становится задача совмещения процесса морфологического синтеза с процедурами отбора наилучших решений.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка на основе теории энерго-информационного моделирования цепей модели представления данных о многообразии конструктивных элементов чувствительных элементов систем управления и вычислительной техники (ЧЭ СУ и ВТ) в виде морфологических матриц каждого физико-технического эффекта; создание методики синтеза и оценки эксплуатационных характеристик конструктивных реализаций отдельных ФТЭ и устройства в целом по совокупности экспертных оценок морфологических признаков; разработка автоматизированной системы выбора наилучших вариантов из синтезированных конструктивных реализаций отдельных ФТЭ и в целом конструкции ЧЭ СУ и ВТ.

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

- всесторонний анализ предметной области посредством сравнения и классификации существующих автоматизированных систем синтеза;

- анализ структур и моделей, описывающих морфологические составляющие физико-технического эффекта;

отбор наиболее удачных для интеграции их с разработанными в ходе диссертационного исследования;

- анализ методов, необходимых для реализации процедуры выбора наилучшего технического решения; разработка инфологической модели и создание автоматизированной системы выбора наилучшей конструктивной реализации на этапе морфологического синтеза отдельных звеньев параметрических структурных схем.

Методы исследования. При решении научных задач использованы энергоинформационные модели, морфологические методы анализа и синтеза новых технических решений, алгоритмы и методы теории принятия решений, теория множеств, бинарные отношения, методы обработки экспертной информации, методы оптимизации, математическое моделирование, математическая статистика.

Научная новизна:

1. Впервые морфологические матрицы применены для конструирования элементарных звеньев параметрических структурных схем, определяющих физический принцип действия ЧЭ СУ различной природы. Разработана методика составления морфологических матриц, используемых автоматизированной системой, включающая ранжировку вариантов по эксплуатационным признакам с применением экспертных процедур.

2. Разработана трехуровневая инфологическая модель представления данных о морфологических составляющих физико-технического эффекта, которая позволила автоматизировать процедуру морфологического синтеза.

3. Обоснована полнота и целостность системы критериев качества, описывающих морфологические компоненты по совокупности эксплуатационных характеристик чувствительных элементов.

4. На основе анализа методов оптимизации разработаны проектные процедуры для решения задач выбора наилучшего технического решения.

Практическая ценность работы. Разработана автоматизированная система морфологического синтеза и выбора наилучшего технического решения. Эта система использована для получения различных типов конструктивных решений в области ЧЭ СУ I! ВТ. Реализованы различные принципы выбора наилучших синтезированных технических решений. Система применяется при обучении студентов по

дисциплинам: «Иаженерцо-техническое творчество», «Теория принятия решений», «Методы оптимизации», «Искусственный интеллект». Автоматизированная система внедрена на предприятии АстраханьГазПром. Отдельные модули системы имеют самостоятельное значение и могут быть использованы в составе иных программных средств (дизайнер физико-технических эффектов, генератор морфологических матриц н т.д.).

Апробация научных результатов. Отдельные материалы, сходящие в диссертацию, обсуждались на II Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре» (1995г., г.Астрахань), «Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре» (1997г., г.Астрахань), проводимых Астраханским отделением Международной Академии Информатизации, Санкт - Петербургской Международной конференции «Региональная информатика - 98» (1998г., г. Санкт-Петербург), научном семинаре кафедры САПР Волгоградского Государственного Политехнического Университета (1999г., г.Волгоград), ХХХХ, XLI, XLII, XLIII научных конференциях профессорско-преподавательского состава Астраханского Государственного Технического Университета (1996-1999 гг.), вузовских конференциях города Астрахани.

Публикации. Основные положения и разделы диссертации опубликованы в 9 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 110 наименований и 2 приложений. Содержит: 100 страниц основного текста, включающего 17 рисунков и 9 таблиц. Общий объем работы 142 страницы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ:

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

В первой главе проводится анализ существующих систем синтеза физических принципов действия. Рассматриваются методологические принципы создания подобных систем (А.И.Половинюш, Р.Коллер, В.М.Цуриков, В.Н.Глазунов, И.Ю.Петрова, М.Ф.Зарипов, В.А.Камаев, A.M. Дворянкин, С.А.Фоменков и др.).

Имеющиеся системы поискового проектирования на основе баз данных по физическим эффектам (ФЭ) предназначены для синтеза технических устройств

1ирокого назначения. В большинстве своем они осуществляют функции ентрализованного сбора, накопления и хранения информации о ФЭ, организации втоматизированного многоаспектного поиска ФЭ и принципов действий изделий и ехнологий. Использован принцип построения объектно-ориентированных систем нформации, предназначенной для эксплуатации специалистами различных редметных областей. Представление физического эффекта связано со словесным писанием причинно-следственной связи. Результатом работы является синтез 1изического принципа действия технического устройства в виде цепочки оследовательных преобразований от входа к выходу. Работа таких систем рганизована вокруг банков данных ФЭ, причем способ описания данных ндивидуален для каждой системы. И если синтез ФПД в таких системах представлен остаточно полно, то лишь в некоторых из них применяется морфологический синтез.

Вследствие усложненности формализованного языка описания имеются рудности: по составлению математических моделей описания синтезированных ариантов физического принципа действия, затруднена возможность пополнения азы данных по физическим эффектам, доступная рядовому пользователю. )тсутствие количественных критериев, необходимых для оценки эксплуатационных арактеристик, не позволяют реализовать процедуру отбора наилучших вариантов. )писание ФЭ не сопровождается конструктивной проработкой технических •еализаций, т.е. не решена задача морфологического синтеза.

Таким образом, особенно актуальной становится задача создания такой втоматизированной системы морфологического синтеза, которая была бы лишена казанных недостатков и имела бы следующие отличительные черты:

1. Наличие базы данных (БД) морфологических матриц элементарных шзико-технических эффектов;

2. Использование концептуальной модели ЭИМЦ;

3. Наличие процедуры отбора наилучших конструктивных реализаций по юрфологическим матрицам отдельных ФТЭ в процессе синтеза принципа действия 1Э СУ.

4. Форма представления данных должна быть инвариантна относительно федметнои и объектной ориентации задач.

Такая система, реализуя принципы отбора оптимальных вариантов, расшири.ш

бы возможности конструктора и повысила бы качество изделий за счет боле эффективных технических решений.

Для достижения поставленной задачи необходимо:

1. Используя морфологические методы исследования систем, разработат мифологическую модель данных для описания физико-технического эффекта н основе ЭИМЦ, не связанную с определенными классами изделий.

2. Разработать методы оценки эффективности и алгоритмы построени множества наилучших по этим оценкам конструктиьных реализаций.

3. Разработать программный инструментарий для автоматизированного поиск новых технических решений, ведения и наполнения базы данных морфологически матриц ФТЭ.

Во второй главе рассматриваются способы морфологического конструирована (В.М.Одрин и С.С.Картавов, Д.Грант и А.И.Половинкин, Ф.Ханзен, Дж.Лакме! А.Фрейзер, Р.Коллср и др.).

Морфологический подход к поиску новых технических решений, основанный г анализе и синтезе конструктивных реализаций, является эффективным средством д; поиска новых технических решений, поскольку позволяет учесть полностью вс мыслимые и существующие варианты. Он базируется преимущественно I комбинаторном принципе поиска решений, позволяя планомерно закладывать морфологические множества огромное число аналогов.

Описание всех неофициально возможных решений данной задачи может бы представлено в виде морфологической таблицы (МТ) или морфологического дерев МТ - это классификационная таблица, каждая строка которой представляет собс классификацию множества исследуемых систем по какому-либо существенно?, признаку. Классификационный признак (Ьф - функционально-значимое общ свойство множества конструктивных реализаций ФТЭ. Значение классификационно; признака - это одно из значений подмножества морфологического множест: технических реализаций ФТЭ. ММ- это совокупность разделенных на значеш классификационных признаков ФТЭ, где р']- значение^го признака, г-1,2,. ..п^ - чис: значений .¡-го признака

Этап морфологического синтеза новых технических решений включает :

1. Оценку всех, имеющихся в морфологической матрице вариантов по ювокупносш эксплуатационных характеристик.

2. Выбор из морфологической матрицы одного или нескольких оптимальных шриантов технического решения по совокупности эксплуатационных характеристик.

Морфологическая таблица-матрица, как многопризнаковая классификация «следуемых технических решений может служить не только для достижения исходной юли - выбора варианта технического решения, удовлетворяющего этой цели, но и для решения многих других задач, таких, например, как организация соответствующих шформацноиных массивов, построение информационно-поисковых систем и т.д. 1остроение ММ для ФТЭ основано на блочном принципе, предполагающем, что саждое значение морфологических признаков может рассматриваться, в свою очередь, сак морфологическое множество, подлежащее дальнейшей декомпозиции. Таким образом, ММ ФТЭ обладают свойством вложенности, т.е. в качестве значения морфологического признака может выступать система морфологических признаков >олее глубокого уровня.

Известен подход к синтезу конструктивных реализаций ФТЭ на основе морфологического анализа, в котором ММ составляется на устройство в целом, вследствие этого в качестве морфологических признаков могут выступать сами ФТЭ. количество значений каждого признака (одинаковое для всех признаков) равно <оличеству выбираемых отдельных и парных противоречивых эксплуатационных {арактеристик ФТЭ. Основным недостатком такого подхода является то, что ММ вставляются на устройство в целом, а не на ФТЭ, лежащие в основе их физического гринципа действия, в результате чего при постановке новой проектной задачи необходимо заново анализировать определенный класс технических изделий и зазрабатывагь новую морфологическую матрицу. В данной работе используются ММ. эбладающие свойством вложенности. Это позволяет в ММ сравнительно небольшого размера сконцентрировать связные знания о конструктивных реализациях ^существующих и возможных) каждого ФТЭ. накапливать в БД ММ элементарных ФТЭ I впоследствии синтезировать на их основе новые принципы действия технических устройств и варианты их возможных конструктивных реализаций. Полное описание Заика данных по морфологии с учетом значений эксплуатационных характеристик по номинальной шкале оценок является ядром системы по созданию новых датчиков.

На рис.1 представлена морфологическая матрица ФТЭ между температурой и на входе и линейной силой имл на выходе. Все ММ, использованные в банке ФТЭ имеют данную типовую структуру. Описание каждого варианта исполнен!« конструктивного признака сопровождается графической скелетной конструкцией используемой автоматизированной системой для визуализации принципа действю синтезированного технического устройства.

Разработана методика составления морфологических матриц, включающая:

- этап морфологического анализа ФТЭ, выявление его основных структурны; элементов;

- описание классификационных признаков и их исполнений;

- поиск множества совместно недопустимых вариантов исполненш классификационных признаков;

- формирование множества критериев оценки классификационных признаков;

- ранжирование вариантов исполнений классификационных признаков;

- экспертные процедуры согласованности ранжировок.

В третьей главе описываются процедуры и средства, необходимые для отбор, наилучших решений по совокупности эксплуатационных характеристик. Систем; критериев качества составляют: чувствительность, диапазон, погрешность нелинейность, надежность, быстродействие, экологичность, К.П.Д., цена, вес. Баз совокупности показателей состоит из общетехнических и предметно ориентированных показателей и в целом эффективно отражает все качеств описываемой модели. Отсутствие сильной зависимости между введенным критериями качества является необходимым требованием к системе критерне! введенных для оценки множества решений, и позволяет применять совокупност критериев в целом при решении задач оптимизации. Проведен статистический аналл с использованием процедуры разбиения множества критериев на классь Структурирование информации методами кластерного анализа, исследовани корреляционных связей позволило определить отсутствие сильных зависимосте между введенными критериями. Таким образом, рассматриваемая система критерие достаточно полна и нсизбыточна.

" "3 Г." Сппаш-с*

3. I !рофмль конструкции упрутого элемента

2 1 К32 1 I 1 ЧУБС ШИ 1Ы1ЬНОС1 Ь 1 1

1 2 2 | 2 ЦЕНА I НАДЕЖНОСТЬ" Г3""

1 3

3 4 1 , 4 ПОГРЕШНОСТЬ I 4

1 , Ь |ь&ШНЬИНОС7Ь ; ь

1 . 6' ь | С ДИАПАЗОН | «

_7 _ 1 . ' КПД. I 1 БЫСТРОДЕЙСТВИЕ

2 9 1----10 ~ 1 : з тлг ЗК0Л01 ИЧНОС1Ь ! 8 ВЕСТ" - 13"

ь.1. ьронза

" 5"3 сплав с эффектам памяти

1 "5 1 КЬ2 ~2 ""

1 3 "4

3 1—1— "7 "

5 В 1—7--9-

—г т—пг

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ"""

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ЦЕНА л 2

НАДЕЖНОСТЬ"

И01 ИЬШНОСТЬ . 4

НЕЛИНЕЙНОСТЬ

ДИАПАЗОН"" " " !" "6 '

КПД ~Х~т

ЬЫС.КШЬЙСШИЬ •Не

ЭКО ЛОГИЧНОСТЬ , а

Рис Л Морфологическая матрица ФТЭ между температурой Ь'т на входе и линейной силой имл на выходе

При решении задачи выбора наилучших технических решений по совокупности эксплуатационных характеристик применяются различные методы однокритериалыюй и многокритериальной оптимизации, учитывающие различные критерии отбора признаков (Табл. 1). Целесообразность применения того или иного метода определяется характером анализируемой информации, основанной либо на численных оценках альтернатив, либо на оценках предпочтительности альтернатив.

Табл.1

Ядро методов, применяемое при отборе наилучших вариантов

:

Многокритериальные

3

Равноправные критерии

1 1

Задание Отбор недо-

уровней минируемых

притязании альтернатив

J г

Минимизация Множество

расстояний Парето

| Критерии'с приоритетами |

| Од чокрит ери а л ь мы е }*""

Выбор альтернативы с заданными свойствами

пустое множество решений -вырожденное решение

• 1эиоритет важнейшего критерия

Условная оптимизация

Свертка критериев в один

Метод уступок

Конечное множество решений

т

Вырожденное решение

Вырожденное решение

г

Вырожденное

решение

г

Р Е 3 У Л Ь Т А_Т

Для оценки сгенерированного технического решения - альтернативы по совокупности числовых эксплуатационных характеристик используется аддитивная функция:

Щ1,»)='£щ,МП,к), У„е{1,2 ,...,д(0 };/=!,.... С; А= 1,.... 10

¡=1

где / - порядковый номер альтернативы из множества, обусловленного задачей выбора; хк - к-й критерий качества, обобщенная оценка для которого получена путем суммирования отдельных нормированных оценок вариантов исполнения конструктивных признаков; т - количество конструктивных признаков; у (у размерность г -го множества конструктивных признаков; ]п(1) - номер варианта исполнения / - го конструктивного признака, отобранного в соответствии с

некоторым критерием выбора; С = ]_[9('/)

число всевозможных вариантов

конструкций, построенных по морфологической таблице; КО, у, к) -массив числовых оценок альтернатив по ;-му признаку, у-му исполнению признака и к-му критерию качества (эксплуатационной характеристике).

Для случая разноважных критериев вводится нормированный вектор весовых коэффициентов а(к) (А=1,2,...,10)и используется схема свертки:

ЩЫ) = £а(к)- КаМО.к), где £а(кр 1.

|=1 к.I

Вводимая функция рассматривается как линейная, т.к. при помощи методов сепарабельного программирования удается преобразовать задачи оптимизации определенного типа к задаче, содержащей только линейные функции. Предложен способ генерации требуемого множества технических решений в соответствии с проектной ориентацией задач, использующий алгоритм свертки альтернатив в соответствии с функцией выбора, позволяющий перейти от иерархического представления данных с большим уровнем вложенности к реляционному представлению для использования на последующих этапах разработки программного обеспечения.

Реализован способ описания каждой альтернативы в виде двумерного массива, строки которого - номера альтернатив, ранжированных в соответствии с задачей выбора, столбцы - критериальные значения.

Решение однокритериальной задачи - поиск наилучшего решения по одной эксплуатационной характеристике сводится к решению задачи векторной оптимизации, в которой частные показатели сведены к обобщенному показателю (целевой функции). В процессе решения задачи могут быть дополнительно установлены пороговое значения критериев в виде равенств или неравенств.

Поиск единственного наилучшего решения по совокупности критериев осуществляется на множестве всевозможных решений Л:

- либо с использованием суперкритерия (аддитивной функции):

и= X а' х"! > где а1 " параметр весомости ¡-го частного критерия;

Хщ - нормированный или относительный ¡-и частный критерии (х,„"= х, / X] . где X] - значение частного критерия; х,° - нормирующий коэффициент той же размерности, что и х|), принадлежащий отрезку [0,1].

либо с использованием метода идеальной точки, которая оптимальна сразу по всем критериям:

ю

p(vv,a) = V| w-a I > где тш (с- идеальная точка, weQ)

i=l

Решена задача поиска технического решения с заданными свойствами, значения критериев которого заранее известны. Определяется мера числовой близости между требуемой альтернативой и ближайшей: w(xi,...,xn) и w(x\,...,xn). Для этого используется формула расстояний между w и w:

р(и-,и') = гшпр|(л;,дз) + с/, где p\(xi,xi) = -xL

а, - нормирующие коэффициенты, учитывающие приоритетность критериев, ан - коэффициент, регулирующий суммарную близость к цели всех критериев.

В процедуре решения задачи автоматизированного многокритериального выбора альтернатив использовано последовательное усечение множества всевозможных альтернатив П сначала по условиям и ограничениям до множества допустимых вариантов Пд, а затем, посредством введения критериальных требований, до множества оптимальных решений. Такая последовательность усечений наиболее приемлема для однократного решения задачи многокритериального выбора, в частности в задачах поискового проектирования, хотя в проектно-ориентированных системах автоматизированного выбора подобные задачи решаются многократно, для различных постановок допустимости альтернатив и критериальных требований.

При определении ограничений на значения критериев Х|, ... , Xj.i, xJ+i ..., х„ либо не учитывается приоритетность критериев, либо выделяется главный критерий и определяются ограничения на остальные критерии: х,<С,, либох, >С, ,i=l, ...,j-\,j+l,... п

Поиск требуемой альтернативы vi'* в этом случае осуществляется: iv* = arg( п^д и (/,Xj) | х, < Ci,i # j), или, при ограничениях снизу:

.те ЛГ.и «П

w* =ars( min w(1>xj) I * ^ Ci,i * j)

хг ДГ.и еП

Для определения множества нехудцнгх конструктивных решений применяется отношение доминирования Р для альтернатив и v.'2: н>/ < , если х,(/) < x2(i)

/=1,...,10), причем хотя бы одно неравенство строгое: У40, е а| (,у 6 а.....IП |})[»(/)/>и</)] »

о {(V* = 1,...Д0)[и'(|,х,) < и>0',х,)] & (3ка е {1,...Д0})[и>(/,х^) < и^',^)]} Отбор и отбрасывание всех доминируемых вариантов приводит к множеству

1арето, определяемому как С2Р е П: Ор= {н1''еО|(Уи,еО)[и'?и''']} .

Практика показывает, что критерий Парето является в некоторых случаях

:лабым и отбраковывает из исходного множества незначительное количество

зариантов. Для этого процесс отбора недоминируемых альтернатив объединяется с

/сечением исходного множества до некоторого множества допустимых решений,

меньшей размерности: £2рс:С}дс;0, |Пр|<|Пд|<!0|. Реализован принцип отбора

множества Парето для групп частных критериев.

В четвертой главе рассмотрен программный инструментарий для решения задачи морфологического синтеза. Для описания данных разработана трехуровневая инфологическая модель. Одним из недостатков существующей внешней модели является неестественное представление данных со сложной структурой. В рамках реляционной модели данных, которой является морфологическая матрица, возможно моделирование лишь с помощью плоских отношений (таблиц). Так как все отношения принадлежат одному уровню, многие существенные связи между данными теряются или требуют поддержки конкретной прикладной программы.

Для расширения представления о модели данных при работе с конкретным приложением использована многоуровневая иерархическая структура:

первый уровень - разделение ФТЭ на конструктивные признаки; второй уровень - разделение каждого конструктивного признака на варианты исполнений;

третий уровень - разделение элементов второго уровня на элементы третьего уровня, описывающие каждое исполнение конструктивного признака по числовым характеристикам, его графическая иллюстрация и название.

На рис.1 представлена схема изображения ФТЭ в виде иерархического дерева с отдельным описанием одного из элементов третьего уровня. Поскольку общее дерево не содержит повторяющейся информации об элементах и их признаках (все конструктивные признаки, составляющие ФТЭ, являются независимыми), оно является средством компактного представления и хранения информации о

морфологическом множестве компонент цепочки ФТЭ, причем мощность этоп множества может быть достаточно велика.

Применены методы морфологического синтеза, использующие приемь древовидного и лабиринтного конструирования, когда оценка исходной цел1 проектирования осуществляется непосредственно в ходе процедуры построени. искомого варианта путем наращивания. Альтернативные варианть классификационных признаков, составляющие морфологическую таблицу оцениваются и пошагово пристыковываются к синтезируемому объекту.

Использование этих алгоритмов позволяет значительно сократить объел вычислений при переборе синтезируемых вариантов, и, кроме того, отвечав' требованиям поиска не только единственного эффективного решения, но и группь нехудших решений.

ФТЭ между температурой на входе и линейной силой на выходе

Конструктивные признаки

К21 К22 К23

КН £12 ЮЗ К14 К15 К21 К22 К23 К31 К32 К41 К42 К43 К51 К52 К53

Чувствительность -К(2,3,1)

Цена - К(2.3,2)

Надежность - К(2,3,3)

Погрешность - К(2,3,4)

Нелинейность - К(2,3,5)

Диапазон - К(2,3,6)

К.П.Д. - К(2,3,7)

Быстродействие - К(2,3.8)

Экологичность - К(2,3,9)

Вес- К(2,3,10)

Способ подвода температуры -нагрев изнутри

Варианты исполнения конструктивных признаков

Рис.1 Модульно - иерархическая структура данных

Использование мифологической модели, алгоритмов морфологическог конструирования и алгоритмов поиска наилучших решений позволило разработат автоматизированную систему выбора наилучших решений при морфологическо:

синтезе ФТЭ. Основой системы является Санк данных по морфологическим составляющим отдельных ФТЭ, в котором собраны фактографические данные техники и физики, а также знания специалистов - экспертов. Информация для банка данных собиралась на протяжении нескольких лет и постоянно пополняется.

Назначение системы:

использование в качестве подсистемы САПР чувствительных элементов систем управления на ранних этапах проектирования;

использование в качестве интеллектуального помощника инженера -конструктора;

более глубокое усвоение курса физики в учебных заведениях и связи его с

техникой

развитие способностей студентов техникумов и вузов, аспирантов в области технического творчества.

Она состоит из двух основных модулей:

- PTE DESIGNER - для ввода физико-технического эффекта в базу данных по его паспорту и морфологической матрице;

- PTE OPTIMIZER - для реализации процедуры морфологического синтеза и поиска наилучших технических реализаций ФТЭ.

PTE DESIGNER позволяет в диалоговом режиме вводить информацию о ФТЭ в соответствии с его модульно - иерархической структурой. Графические данные хранятся в объектном виде, в специализированном формате, позволяющем уменьшить объем хранимой информации. Формат разработан специально для приложения РТЕ DESIGNER - PTE OPTIMIZER

Поскольку каждый ФТЭ характеризует преобразование величины технической природы в величину или параметр той же либо другой технической природы, в оригинальном названии ФТЭ, используемом программой, использованы обозначения входных и выходных величин, связанных с определенным ФПД. Эти величины различаются по физической природе: механические (линейные) - Ml, механические (угловые) - My, электрические - Е, магнитные - Mg, тептовые - Т и другие.

Реализованы режимы поиска технических решений: по всей цепочке, по одному эффекту, по одной характеристике, по нескольким характер.этикам, без приоритета.

с приоритетом, с ограничением на значения характеристик, поиск решения < требуемыми характеристиками, поиск множества нехудиигх решений. Дл; формирования поискового задания можно выбирать различные сценарии, использу; методы критериального выбора, указанные в табл.1. В частных случаях результате^-выбора является множество наилучших решений. Это обусловлено как особенностям! используемых процедур, так и тем, что для оценки критериев применена процедуре нестрогого ранжирования.

Во всех режимах поиска окончательный выбор вариантов осуществляет конструктор. Цель работы автоматизированной системы - предложить рях эффективных решений, отобранных по различным методикам, одновременно предоставляя конструктору возможность использования процедуры ручного синтез? для изменения либо подбора решения в соответствии с требованиями поставленной задачи поискового конструирования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Главным итогом диссертационной работы является разработка на основе теории ЭИМЦ модели представления данных о многообразии конструктивных элементов ЧЭ СУ и ВТ в виде морфологических матриц каждого физико-технического эффекта, создание методики синтеза и оценки эксплуатационных характеристик конструктивных реализаций отдельных ФТЭ и устройства в целом по совокупности экспертных оценок морфологических признаков. В результате проведенных исследований создана автоматизированная сис тема выбора наилучших вариантов, полученных при морфологическом синтезе.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Впервые морфологические матрицы применены для конструирования элементарных звеньев параметрических структурных схем, определяющих физический принцип действия ЧЭ СУ различной природы. Разработана методик; составления морфологических матриц физико-технических эффектов, используемы> автоматизированной системой выбора.

2. Использование представления физико-технического эффекта в вид: морфологической матрицы позволило построить инфологическую модель данных <

морфологических составляющих ФТЭ, реализованную при разработке программного обеспечения автоматизированной системы выбора.

3. Па основе статистического анализа обоснована полнота и целостность системы критериев по совокупности эксплуатационных характеристик ЧЭ, используемых в многочисленных процедурах отбора наилучших варианта.

4. Обоснованное доказательство линейности целевой функции, введенной дня оценки технических решений, позволило использовать ее на этапе синтеза отдельных звеньев ПСС.

5. Предложен способ генерации требуемого множества технических решений, использующий оценку полученных технических решений по иерархии признаков, в зависимости от проектной ориентации задач. Использование алгоритма свертки альтернатив в соответствии с функцией выбора, позволило перейти от иерархического представления данных с большим уровнем вложенности к реляционному представлению, используемому чп последующих этапах разработки программного обеспечения.

6. На основе анализа методов оптимизации сформировано ядро многоцелевых средстз выбора, комбинация которых позволяет в полном объеме решать задачи выбора на этапе поискового конструирования. Разработана технология использования методов оптимизации для решения задач выбора при поисковом конструировании.

7. Разработана интерактивная диалоговая система поиска новых технических решений, позволяющая инженеру-конструктору существенно расширить возможность эксплуатации существующих -*наний, сократить время создания новых технических решений ЧЭ за счет выбора наиболее рациональных вариантов и их моделирования на ЭВМ. Результативность работы системы подтверждена модельным примером, имеющим реальный аналог.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах: 1. Квятковская И.Ю. Применение матричных норм для оценки погрешности решения обратных задач. Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре НИТ РИ 95: Материалы II Международной науч. - тех конф./Астрахан. Гос. Тех. Унт. - Астрахань: изд-во АГТУ, 1995, с.42-44.

2. Квятковская И.Ю. Численные методы решения задач оптимального планирования методами регуляризации. Новые информациошше технологии в региональной инфраструктуре НИТ РИ 95: Материалы II Международной науч. - тех конф./Астрахан. Гос. тех. Ун-т. - Астрахань: изд-во АГТУ, 1995, с.44-45.

3. Квятковская И.Ю., Лаптев В.В. Морфологический синтез как задача линейного программирования. ХХХХ научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава: Тезисы докл./ Астрахан. Гос. Тех. Ун-т. - Астрахань: Изд. АГТУ, 1996, с.194-195.

4. Квятковская И.Ю. Алгоритм поиска оптимальных технических решений на этапе морфологического синтеза. XLI научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, XLVII студенческая научно-техническая конференция: Тезисы докл. / Астрахан. Гос. Тех. Ун-т. - Астрахань: Изд. АГТУ, 1997, с.312-314.

5. Квятковская И.Ю. Поиск множества оптимальных технических решений при морфологическом синтезе. XLII науч. конференция профессорско-преподавательского состава, XLVIII студенческая науч. конференция: Тезисы докл../ Астрахан. Гос. Тех. Ун-т. - Астрахань: Изд. АГТУ, 1998, с.238-240.

6. Квятковская И.Ю. Лианеризация математической модели морфологического синтеза физико-технических эффектов. Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре (1997, сентябрь): Материалы конф./Астрахан. Гос. Тех. Ун-т. - Астрахань: изд-во АГТУ, 1997, с.226-227.

7. Квятковская И.Ю., Коженков С.А. Поиск оптимальных технических решений на этапе морфологического синтеза VI Санкт-Петербургская Международная Конференция "Региональная информатика - 98"("РИ-98"), Санкт - Петербург, 2-4 июня 1998г.:Тезисы докладов. Часть 2. - СПб., 1998, с.13-14.

8. Разработка методических основ и инструментальных средств для создания интегрированных баз знаний: Огчег о НИР (промежуточны;'!)АГТУ/ ВНТИЦентр -КаГР 01.9.80002979; инв. № 02.9.80002484.-Астрахань, 1997г. - 80с.

9. Разработка методических основ и инструментальных средств для создания интегрированных баз знаний. Отчет о НИР (промежуточный) АГТУ/ ВНТИЦентр -№ГР 01.99.0004754; инв. № 02.99.003274,-Астрахань, 1998г.- 143с.

АГТУ ЗАК.№ 111$ ТИР. 100 12.11.99г.