автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Представление физических знаний в форме физических эффектов для автоматизированных систем обработки информации

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Физические знания как предмет исследования и практического использования.

1.1. Анализ предметной области.

1.1.1. Научное знание. Особенности физического знания.

1.1.2. Структура физических знаний.

1.2. Информационные потребности в физических знаниях и способы их удовлетворения.

1.2.1. Определение и общая характеристика понятия «информационная потребность».

1.2.2. Типология потребителей информации.

1.2.3. Структура и каналы доступа к информационному массиву научно-технической информации.

1.3. Структурированное представление физической информации в поисковом конструировании и изобретательской деятельности.

1.3.1. Энерго-информационная модель цепей и метод структурных параметрических схем.

1.3.2. Комбинаторный метод поиска принципов действия.

1.3.3. Теория решения изобретательских задач.

1.3.4. Функционально - физический метод поискового конструирования.

1.3.5. Компьютерные методы поискового конструирования.

1.3 .6. Обзор работ по применению систематизированных физических знаний.

1.4. Цель и задачи работы.

ГЛАВА 2. Модели представления физических знаний в форме физических эффектов.

2.1. Структуризация физических знаний на основе подятия «физический эффект».

2.2. Эволюция моделей описания физического эффекта.

2.2.1. Базовая форма описания физического эффекта.

2.2-1.1. Входная карта.

2.2.1.2. Выходная карта

2.2.1.3. Основной текст описания

2.2|1.4. Недостатки базовой формы описания.

2.2.2. Расширенная модель описания физического эффекта.

2.2.2.1. Входная карта.

2.2.2.2. Выходная карта

2.2.3. Обобщенная модель описания физического эффекта.

2.2.3.1. Входная карта.

2.2.3.2. Выходная карта

2.2.3.3. Основные свойства обобщенной модели описания физического эффекта.

2.3. Моделирование системы физических эффектов методами представления знаний в искусственном интеллекте.

2.3.1. Представление сущностей предметной области

2.3.2. Отношения на сущностях предметной области.

2.3.3. Продукционная модель системы физических эффектов.

2.4. Направления развития моделей представления физических знаний.

Актуальность проблемы. В современных условиях повышение эффективности, продуктивности творческого труда в сфере науки и техники предполагает обязательное усиление информационной составляющей этого труда (наряду с факторами материально-технического, организационного характера). Общемировой тенденцией становится перемещение все большей доли труда из области переработки вещества и энергии в область добывания, хранения, переработки и передачи информации. Поэтому проблема удовлетворения потребности в информации ученых-исследователей из фундаментальных и прикладных наук, спецйалистов-практиков (инженеров) из различных отраслей экономики чрезвычайно актуальна.

В последние десятилетия система научной коммуникации стала заметно отставать от развития науки и техники. Прирост научно-технической информации не соответствует более возможностям человека знакомиться с этой информацией -и ее перерабатывать. Достижения науки и техники не могут быть полностью действенными, так как из быстро растущего фонда информации используется лишь небольшая и относительно уменьшающаяся часть. Производство новых знаний приобрело в настоящее время необычайно широкий размах, тогда как организация всего, относящегося к усвоению этих знаний, до сих пор не стало предметом серьезного и методического рассмотрения.

Все сказанное в полной мере относится и к удовлетворению информационных потребностей в физических знаниях. Физика - наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи, законы ее движения. Понятия физики и ее законы лежат в основе практически всего естествознания. Физические знания играют крайне важную роль как при проведении научных исследований в различных областях науки и техники (методики исследований, свойства различных классов объектов, реакция объектов на разнообразные физические воздействия и т.п.), так и в проектировании технических изделий и технологий (физика - ключ к «сильным», принципиально новым решениям во всех областях техники). Однако накопленный к настоящему времени объем знаний в области физических наук настолько рассредоточен в различных монографиях, научных статьях, справочниках и энциклопедиях, что является практически необозримым для специалистов конкретных предметных областей. Кроме того, во многих случаях форма представления физических знаний затрудняет их непосредственное использование для решения проектно-конструкторских и технологических задач.

Для' успешного решения проблемы удовлетворения информационных потребностей в физических знаниях необходим переход от старой (бумажной) информационной технологии, характеризующейся огромным объемом «ручной» переработки информации к новым информационным технологиям. Отли-чительнымй особенностями этих технологий являются формализация (моделиI рование) декларативных и процедурных знаний, ориентированная на компьютерную .обработку; создание интеллектуальных информационных систем, освобождающий человека от рутинных процедур манипулирования со знаниями (накопление, хранение, пополнение, поиск) и поддерживающих, усиливающих его природные интеллектуальные возможности. i i

Относительно физических знаний такой переход уже начат в области проектирования новых технических изделий и технологий и в изобретательской деятельности. Прежде всего это относится к начальным этапам проектирования (стадии технического задания и технического предложения), на которых принимаются основополагающие решения о принципе действии и структуре объек

I 1 та проектирования. Сформированы различные банки структурированной физической информации в форме так называемых физических эффектов (ФЭ), разi работаны методики использования этих банков в проектировании и изобретательской деятельности. Значительный вклад в развитие такого подхода внесли: Г.С. Алкипуллер, Г. Я. Буш, Г.В. Бородастов, В.И. Галочкин, В.Н. Глазунов, Б.И. Голдовский, A.M. Дворянкин, С.А. Денисов, М.Ф. Зарипов, В.А. Ефимов,

В.А. Камаев, К.В. Кумунжиев, С.Н. Никитин, А.И. Половинкин, И.Ю. Петрова, Е.А. Смиренский, А.Н. Соболев, Э.М. Шмаков, Р. Аллей, М. Арденн, В. Бейтц, Г. Голл, Р. Коллер, П. Крумхауэр, Г. Пресс, В. Роденакер, К. Рот, X. Франке, К. Хикс и другие отечественные и зарубежные ученые.

Однако работы по структуризации физических знаний носят разрозненный характер. В результате созданы частные модели представления физических знаний и методики их использования, достаточно хорошо приспособленные только для решения ограниченного круга задач в определенной предметной области. Не удалось достигнуть разумного компромисса между однородностью представления знаний (например, унификация описаний ФЭ для применения единого математического аппарата) и простотой понимания. Существующие методики использования ФЭ во многих случаях имеют характер слабострукту1 рированных проектных процедур, а иногда даже общих рекомендаций в виде тех или иных эвристических правил, которые чаще всего не формализованы.

Все это подтверждает необходимость разработки обобщенной модели представления физических знаний (включающей в себя всевозможные частные модели), которая расширяет функциональные возможности сформированного на ее основе массива ФЭ (удовлетворение информационных потребностей не только проектировщиков, конструкторов, изобретателей, но и научных работников, студентов, школьников). Концептуальная модель описания ФЭ должна обеспечивать формализацию, ориентированную на компьютерную обработку информации. Работа выполнена в Волгоградском государственном техническом университете в соответствии с планами научных работ кафедры «Системы автоматизированного проектирования и поискового конструирования» по темам: «Разработка ЛКОС по САПР, методам инженерного творчества, экспертным системам» (НИР № 39.179.03), «Разработка автоматизированного банка инженерных знаний и внедрение его в учебный процесс и научно-исследовательскую работу вузов Минвуза РСФСР» (научно-техническая программа ГКНТ СССР № 0.80.03).

Цель и задачи работы. Целью настоящего исследования является повышение эффективности использования физических знаний для удовлетворения различного типа информационных потребностей разных категорий пользователей путем разработки обобщенной модели представления физических знаний в форме физических эффектов и создания на ее основе программно-информационного комплекса, обеспечивающего поддержку решения научных, технических задач и задач образования. Для достижения этой цели необходимо:

• на основе литературных данных проанализировать физические знания как предметную область, изучить информационные потребности в физических знаниях разных категорий пользователей научно-технической информации, обобщить опыт использования структурированной физической информации в проектировании и в изобретательской деятельности;

• осуществить структуризацию физических знаний (сформировать поле знаний в форме физических эффектов), разработать концептуальную и формализованные ¡модели представления ФЭ, ориентированные на реализацию в автоматизированных системах обработки информации;

• выявить задачи, решаемые с помощью структурированной физической информации, и разработать методы (алгоритмы) их автоматизированного решения с учетом созданных моделей представления физических знаний;

• разработать методики формирования фондов ФЭ;

• сформировать достаточно полный в информационном отношении фонд ФЭ;

• реализовать модели и алгоритмы в виде программно-информационного комплекса, предназначенного для поддержки проектирования, научной деятельности, учебного процесса вузов, и проверить работоспособность комплекса на призерах.

Научная новизна. К наиболее существенным научным результатам работы относятся следующие:

1. Сформировано поле знаний, в котором в едином формате описан значительный фрагмент физических знаний как совокупность физических эффектов. На основе концептуальной модели физического эффекта совершен переход от естественно-языкового представления информации, зафиксированной на традиционных носителях, к формально-языковому представлению в вычислительной )среде. Разработана обобщенная модель описания физического эффекта, которая имеет следующие отличительные особенности от известных аналогов: интеграция преимуществ естественно-языковой (наглядность, простота восприятия) и формально-языковой (компьютерная обработка) формы представления 'информации за счет разделения информации на две составляющие; высокий уровень общности (позволяет прямо или опосредованно получать известные из литературы модели описания физических эффектов как следствия); учет недоопределенности исходной информации; широкая область применения (проектирование, изобретательская деятельность, научные исследования, обучение).

2. Разработана продукционная модель системы физических эффектов, позволяющая повысить полноту и адекватность описания физических процессов, протекающих при функционировании технических систем, а также применять известные теоретические методы при обработке знаний в форме физических эффектов.

3. Предложена модель информационного поиска физических эффектов в базе данных, учитывающая недоопределенность информации в описаниях эффектов. Модель позволяет реализовать два альтернативных варианта поиска: поиск на максимальную точность и поиск на максимальную полноту. На основе данной модели разработаны различные методы информационного поиска и просмотра (броузинга) в базе данных по физическим эффектам, позволяющие создавать эффективные, не имеющие аналогов справочные системы, значительно повышающие объем активно используемых знаний по физике при выполнении различных научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ, а также в учебном процессе.

4. Задача качественного синтеза физических принципов действия изделий и технологий поставлена и решена как задача вывода в построенной продукционной системе физических эффектов, что позволило разработать новый алгоритм ее решения. По сравнению с известными аналогами повышена степень формализации задачи синтеза физических принципов действия, расширены класс получаемых решений и класс решаемых задач, повышена адекватность синтезированных структур реальным физическим процессам, происходящим при функционировании технических систем.

5. Разработана методика формирования фондов физических эффектов. Методика Содержит набор процедур, охватывающих весь цикл создания указанных фондов. Для перехода от естественно-языкового описания к формально-языковому представлению созданы уникальные словари (тезаурусы): словарь входов и выходов физических эффектов; справочник объектов физических эффектов;« словарь функций (практических применений) физических эффектов; справочник графических элементов математических моделей физических эффектов. (Выявлены процедуры методики, которые могут быть формализованы, и предложены алгоритмы, позволяющие автоматизировать эти процедуры.

6. Сформирован информационный массив описаний физических эффектов, сороящий из инвариантного к областям физики и техники фонда (1005 описании) и ряда объектно-ориентированных (локальных) фондов (250 описаний). По своему составу (охват различных областей физических знаний) и объему (количество эффектов) массив описаний физических эффектов позволяет проводить эффективную проверку различных методик использования структурированной физической информации в форме физических эффектов для решения задач проектирования, научных исследований, обучения, а также исследовать процедуры преобразования и модификации моделей описания физических л эффектов.

Практическая ценность. В результате исследований создан программно-информационный комплекс, позволяющий существенно повысить объем активно используемых знаний по физике при выполнении различных научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ, а также в учебном процессе высших учебных заведений. Комплекс обеспечивает программную, информационную и методическую поддержку ранних стадий проектирования, научно-технического творчества (решение изобретательских задач), научно-исследовательской работы, преподавания и изучения курсов общей физики, спецкурсов физики и отдельных общетехнических дисциплин. реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты работы использовались при выполнении ряда хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ, выполненных на кафедре «Системы автоматизированного проектирования и поискового конструирования» Волгоградского Государственного технического университета и в проблемной научно-исследовательской лаборатории автоматизации технического творчества Волгоградского государственного технического университета. Номера государственной регистрации тем: 0184.0026374, 0184.0076468, 0186.0090884, 0189.0047158, 0190.0060441, 0190.0060465, 0194.0004948. Комплекс используется в учебном процессе Волгоградского государственного технического университета при изучении курсов «Методы анализа и синтеза технических решений», «Основы САПР», «Автоматизированные банки данных и банки знаний», «Теория систем», «Системный анализ», «Математическое моделирование», «Оптимизация», «Физика», «Физические основы работы измерительных приборов», «Анализ и проектирование химико-технологических систем», а также в курсовом и дипломном проектировании по соответствующим дисциплинам.

Отдельные компоненты комплекса переданы в другие вузы: ОренбургI ский государственный университет, Челябинский политехнический институт, Южно-Уральский государственный университет, Ивановский государственный университет, Московский автомобильно-дорожный институт, Московский институт инженеров железнодорожного транспорта, Московский государственный К агроинженерный университет, Астраханский государственный технический университет, Донская государственная академия сервиса. различные версии автоматизированных систем комплекса переданы или внедрены на следующих научных и промышленных предприятиях: НИИ «Технологии машиностроения» (г. Москва), ЦНИИ «Монолит» (г. Москва), НПО «ВНИЩШВМАШ» (г. Киев), Институт технической механики АН УССР (г. ДнепроПетровск), ТОО Научно-производственный центр «Азимут» (г. Ивантеевка Московской области), ООО «Промобслуживание-С» (г. Волгоград), ЗАО «Университетские рети знаний» (г. Москва), Институт химии растворов РАН (г. Иваново).

ЖИПС ФЭ, реализованная на ЭВМ ЕС-1061, была зарегистрирована в Государственном реестре программ для ЭВМ государственного комитета СССР по вычислительной технике и информатике. Три версии АИПС ФЭ (со структурными изменениями объекта ФЭ, с расширенным представлением сущности

ФЭ, с поисковым признаком «практическое применение ФЭ»), реализованные на ПЭВМ типа ЮМ PC XT/AT, зарегистрированы в ЦИФ ГосФАП Российской федерации. X

Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: научно-практическая конференция "Пути повышеI ния эффективности научно-технического творчества" (Омск, 1986), IV Всесоюзная конференция "Автоматизация поискового конструирования и подготовки инженерных кадров" (Волгоград, 1987), Всесоюзная научно-методической конференции "Научно-методические основы применения ЭВМ, АСУ и АСС в i учебном процессе" (Рига, 1987), Всесоюзная научно-практическая конференция

Проблемы развития научного и технического творчества трудящихся" (Мо сква, 1987), VIII научно-техническая конференция "Измерительные информационные системы" (Ташкент, 1987), I Международная конференция "Обучение САПР в инженерных вузах" (Тбилиси, 1987), Всесоюзный научно-технический семинар "Проблемы создания программного обеспечения комплексной автоматизации" (Калинин, 1987), Международная научная конференция "Приложение компьютерной технологии в производство" (Варна (НРБ), 1989), IY Национальная конференция с международным участием "Искусственный интеллект гг;

94" (Рыбинск, 1994), Международная конференция "Информационные технологий в проектировании" (Москва, 1994, 1996), Всероссийская научно-методическая конференция "Компьютерные технологии в высшем образовании" (Санкт-Петербург, 1994), Международная научно-методическая конференция "Инновационное проектирование в образовании, технике и технологии" i

Волгоград, 1995), Международная научно-техническая конференция "Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре" (Астрахань, 1995, 1997), V Международная научно-техническая конференция "Математическое моделирование и САПР систем сверхбыстрой обработки информации на i. объемных Интегральных схемах (ОИС) СВЧ и КВЧ (Сергиев Посад, 1995), Международная конференция "Технологии и системы сбора, обработки и представления ¡информации" (Рязань, 1995), Всероссийская научно-техническая конференция "Электроника и информатика" (Зеленоград, 1995), III Международный конгресс "Конструкторско-технологическая информатика КТИ-96" (Москва, 1996), Международная научно-техническая конференция "БЕНАР-ДОСОВСКИЕ ЧТЕНИЯ" (Иваново, 1997, 1999), Всероссийская научнотехническая конференция с участием зарубежных представителей «Интеллектуi i альные САПР - 97» (Дивноморск, 1997), Международная электронная научнотехническая конференция «Перспективные технологии автоматизации» (Волоi | гда, 1999), Международная научно-техническая конференция «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных техноло Л гий» (Москва-Сочи, 1999).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 87 печатных работ, в том числе р монографий и учебных пособий (в соавторстве), 27 статей в научных журналах и сборниках научных трудов, 8 депонированных в ВИНИТИ и 1 депонированная в ЦИНТИ-ЦНТБ (Болгария) статей, 37 тезисов докладов, 1 авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести главп заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации составляет 294 страниц машинописного текста, таблиц - 24 (19.5 стр.), рисунков -43 (27.5 стр.), список литературы - 273 наименования (22 стр.), приложения -93 стр. Общий объем работы - 456 стр.

1. Наименование воздействия и его характеристика.I

2. Наименование результата воздействия и его характеристика.5. Схема ФЭ.

3. Перечень марок материалов и веществ, на которых проявляется ФЭ, и их характеристики.7. Описание сущности ФЭ.

4. Урловия проявления ФЭ, внешние факторы, препятствующие его проявлению.9. Модель ФЭ.

5. Параметры физического объекта (материала, вещества), входящие в модель ФЭ.

6. Варианты геометрической формы физического объекта с пространственIной привязкой к ним воздействий и результатов воздействий.12. Области применения ФЭ.

7. Примеры практического применения ФЭ.

8. Информационные источники данных о сущности ФЭ.

9. Чеботин В.Н., Перфильев В.М. Электрохимия твердых электролитов. - М.: Химия, 1978. - 312

10. Физика электролитов. /Под ред. Дж. Хладика. М.: Мир, 1978, С. 46-52, 336-363.

11. Физика суперионных проводников. /Под ред. М.Б. Саломона. Рига: Зинатне, 1982. - 315 с.

12. Чеботин В.Н.,Перфильев М.В.Электрохимия твердых электролитов . -М. : Химия, 1978 . -312 с.

13. Физика электролитов/Под ред.Дж.Хладика.-М.:Мир,1978, с.46-52,336-363.