автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Проектирование тепловых двигателей и энергетических установок в среде базы знаний

На правах рукописи

Христолюбов Вячеслав Леонидович

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК В СРЕДЕ БАЗЫ ЗНАНИЙ

05.07.05 - «Тепловые двигатели летательных аппаратов» Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - кандидат технических наук

доцент Кривошеев И.А.

Уфа - 1998 год

Оглавление

ОГЛАВЛЕНИЕ...........................................................................................................2

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ...................................................................................4

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ........................................................... 5

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................7

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ......13

1.1 Информационные ресурсы при проектировании авиационных двигателей 13

1.2 Обзор существующих систем представления знаний в области проектирования авиационных двигателей и энергетических установок........16

1.3 Обзор универсальных подходов и технологий формирования структуры информационных систем....................................................................................21

1.4 Постановка задачи исследования...............................................................32

2. ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ БАЗЫ ЗНАНИЙ, ПРЕДНАЗНАЧЕННОЙ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.......................................33

2.1 Принципы формирования информационной структуры базы знаний в области авиационных двигателей......................................................................33

2.2 Принципы организации доступа к информационным ресурсам базы знаний в области проектирования авиационных двигателей.......................................41

2.3 Принципы выбора инструментальных средств использования базы знаний, программной и аппаратной платформы ее функционирования........................42

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БАЗЫ ЗНАНИЙ В ПРОЦЕССЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.................. 44

3.1 Структуры базы знаний..................................................................................45

3.2 Информационные взаимосвязи между отдельными подсистемами базы знаний...................................................................................................................56

3.3 Иерархия элементов и подсистем базы знаний...........................................58

3.4 Методика использования базы знаний при проектировании авиационных двигателей и энергетических установок............................................................59

4. ОПИСАНИЕ БАЗЫ ЗНАНИЙ В ОБЛАСТИ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК........................................................................69

4.1 Подсистемы входящие в базу знаний в области авиационных двигателей и

энергетических установок..................................................................................71

4.2 Информационные взаимосвязи между подсистемами................................97

4.3 Организация доступа к информации в базе знаний...................................100

5. ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БАЗЫ ЗНАНИЙ В ОБЛАСТИ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК..........................................105

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ..........................................................121

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.................................................124

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................................... 132

Основные сокращения

АД - авиационный двигатель;

РД - реактивный двигатель;

РкД - ракетный двигатель;

ТД - тепловой двигатель;

ДУ - двигательная установка;

ЭУ - энергетическая установка;

ВРД - воздушно - реактивный двигатель;

ГТД - газотурбинный двигатель;

ГТУ - газотурбинная установка;

ДИЦ - двигатель изменяемого рабочего цикла;

ЯРД - ядерный реактивный двигатель;

ПВРД - прямоточный воздушно - реактивный двигатель;

ТРД - турбо-реактивный двигатель;

ТРДД - двухконтурный турбо-реактивный двигатель;

ТРДДФсм - двухконтурный турбо-реактивный двигатель с форсажной камерой и

смешением потоков;

ТВлД - турбовальный двигатель;

ДВС - поршневой двигатель внутреннего сгорания;

ТН - тепловой насос;

ОС - операционная система; БД - база данных; БЗ - база знаний;

СУБД - система управления базами данных;

ЭС - экспертная система;

СППР - система поддержки принятия решений;

SQL - Standard Query Language (Стандартный язык запросов к базам данных); HTML - Hyper Text Markup Language (Язык разметки гипертекстовых документов);

WWW - World Wide Web (Один из видов сервиса Internet/Intranet);

HTTP - Hyper Text Transfer Protocol (Протокол передачи гипертекстовой

информации в Internet/Intranet);

FTP - File Transport Protocol (Протокол передачи файлов в Internet/Intranet); OLE - Object Linking and Embedding (Технология встраивания и связывания объектов, используемая в Windows - приложениях).

Основные условные обозначения

Р - давление;

Т - температура;

G - секундный массовый расход;

Q - количество теплоты;

к - степень повышения давления;

п - частота вращения;

г] - коэффициент полезного действия;

v - объем.

Надстрочные индексы: * - заторможенный параметр;

Подстрочные индексы:

1 - на входе в узел;

2 - на выходе из узла; к - компрессор.

Введение

Повышение конструктивной сложности и уровня параметров тепловых двигателей и энергетических установок, ужесточение требований по сокращению сроков и повышению качества их проектирования и производства обусловливает разработку и внедрение новых информационных технологий в двигателестроение. На современном этапе эффективность эксплуатируемых в двигателестроении информационных систем перестает удовлетворять потребности проектировщиков, так как происходит значительное повышение сложности задач, которые приходится решать при создании новых изделий.

Одним из аспектов решения данной проблемы является создание качественно новых информационных систем, позволяющих проектировщику авиационных двигателей в процессе работы оперировать с достаточно большим количеством структурированной и систематизированной разнородной информации, представляющей собой информационную модель проектируемого изделия и знания, накапливаемые в двигателестроении.

Речь идет о создании предметных баз знаний, представляющих собой интегрированные многофункциональные информационные системы коллективного доступа, объединяющие в себе в качестве подсистем информационно - справочные и инструментальные системы, которые при совместном использовании обеспечивают эффективное решение всего спектра задач, стоящих перед проектировщиками. Подобные системы могут эффективно применятся не только в области проектирования и производства тепловых двигателей и энергетических установок, но и в области научных исследований, образования, подготовки кадров. Поскольку процессы

разработки всех видов тепловых двигателей и энергетических установок на их базе методологически похожи и характеризуются одними и теми же этапами и стадиями, то в данной работе рассматривается решение вопроса использования базы знаний при проектировании авиационных двигателей. Цель работы

Повышение эффективности проектирования авиационных двигателей и энергетических установок на основе применения базы знаний.

Цель работы достигается решением следующих задач:

• проведение структурного анализа и построение модели процесса проектирования авиационных двигателей и энергетических установок;

• разработка логической схемы проектирования авиационных двигателей в среде базы знаний;

• разработка методики проектирования авиационных двигателей в среде базы знаний;

• разработка структуры базы знаний в области проектирования авиационных двигателей и энергетических установок;

• разработка технологии использования, наполнения и развития базы знаний.

Актуальность темы определена:

1. Практической потребностью развития методов и форм информационного обеспечения процесса проектирования авиационных двигателей.

2. Недостаточным уровнем решения вопросов создания и практического использования информационных систем, предназначенных для обработки большого количества разнородной распределенной информации в области

проектирования авиационных двигателей с использованием возможностей технологий удаленного доступа. 3. Потребностью накопления и систематизации информации в области проектирования авиационных двигателей и энергетических установок, с целью предотвращения потери накопленных знаний и опыта.

Методы исследования базируются на системном анализе и объектно-ориентированном подходе к формализации предметной области в структуру базы знаний и на методах объединения локальных представлений специалистов отдельных направлений предметной области (термодинамика, газовая динамика, прочность и др.) в единую модель предметной области.

Научная новизна работы включает в себя:

1. Методику проектирования авиационных двигателей в среде базы знаний.

2. Структуру представления знаний в области авиационных двигателей в информационной системе, представляющей собой базу знаний.

3. Применение принципов объектно-ориентированного подхода при формализованном представлении информационной структуры предметной области «Проектирование авиационных двигателей и энергетических установок» в структуре базы знаний.

4. Структуру информационных взаимосвязей между отдельными элементами базы знаний.

5. Технологию наполнения и развития базы знаний при использовании в проектировании, производстве и научных исследованиях, а также в учебном процессе.

Практическая значимость работы обусловлена:

1. Повышением качества и сокращением сроков и других затрат при разработке авиационных двигателей за счет использования в процессе проектирования комплекса взаимосвязанных подсистем.

2. Повышением качества подготовки специалистов за счет комплексного использования в процессе обучения различных, взаимодействующих между собой информационных систем, объединенных в рамках базы знаний, и дающих пользователю наиболее полное и разностороннее представление об авиадвигателестроении.

На защиту выносятся:

1. Методика проектирования авиационных двигателей в среде базы знаний.

2. Структура базы знаний в области проектирования авиационных двигателей и энергетических установок.

3. Использование принципов объектного подхода при формализации предметной области «Проектирование авиационных двигателей и энергетических установок» в структуру базы знаний.

4. Технология использования, наполнения и развития базы знаний в процессе эксплуатации.

Апробация работы:

Результаты работы докладывались на международных конференциях:

1. «EAST - WEST International Conference Information Technology in Design - 96» («Автоматизация проектирования^», Москва, МЦНТИ, 1996 г.);

2. международной конференции "Информационные технологии в проектировании", Москва, 1996г.;

3. международной научно-методической конференции «Проблемы создания национальных академических сетей баз данных и баз знаний», Уфа, 1995г.;

4. международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии в университетском образовании», Новосибирск, НИИ МИОО, НГУ, 1996г.;

5. международной научно-технической конференции к 55-летию СГАУ «Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе», Самара, 1997г.;

6. «Second international conference on the distance education in Russia. Open and distance learning as a development strategy. Moscow. Russia 1996 (ICDED-96)» (2-я Международная конференция «Восток-Запад» по открытому и дистанционному образованию, Москва, Совинцентр, 1996);

• на всероссийских конференциях:

1. всероссийской научно - технической конференции "Управление и контроль технологических процессов изготовления деталей в машиностроении", Уфа, 1995г.;

2. всероссийском совещании "Проблемы создания национальной академической системы баз данных и баз знаний", Уфа, 1995г.;

Кроме того, компоненты базы знаний апробированы в работе моторного

ОКБ - ГНПП «Мотор», г. Уфа, при доводке газотурбинной энергоустановки ГТЭУ

10/95, при выполнении совместных научных работ Института Механики УНЦ РАН и УГАТУ (по проекту «Разработка высокоэффективных технологий и систем использования низкотемпературных и возобновляемых источников энергии») и при ее использовании в учебном процессе по специальностям «Авиационные двигатели», «Авиа- и ракетостроение», «Теплоэнергетика» в УГАТУ.

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 10 работ. Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, пяти глав, результатов и выводов, списка литературных источников. Общий объем работы 135 стр., 30 рисунков, 19 таблиц, 75 наименований списка литературы.

1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования

1.1 Информационные ресурсы при проектировании авиационных

двигателей

Вопрос накопления, систематизации и использования знаний в области проектирования авиационных двигателей решался достаточно давно, практически одновременно с формированием данной предметной области. Основными формами представления знаний в этой сфере настоящее время являются:

• научно-техническая литература, представляющая собой монографии, учебные пособия, периодические издания и др., освещающие те или иные вопросы или проблемы в области авиационных двигателей;

• нормативно-техническая документация: собрание государственных, отраслевых и прочих стандартов, регламентирующих все процессы жизненного цикла авиационных двигателей и энергетических установок;

• проектно-консгрукторская, технологическая и эксплуатационная документация на разработку авиационных двигателей и энергетических установок;

• программно-методические комплексы, используемые в учебных заведениях, проектных, промышленных и научных предприятиях отрасли, включающие различные базы данных, экспертные системы, системы автоматизированного проектирования, конструирования и управления;

• патентная литература;

• знания, накопленные специалистами предприятий в процессе практической деятельности в виде методик и технологий.

Являясь одной из "критических" областей [26], определяющих технический и технологический уровень развития государства, двигателестроение является достаточно информационно насыщенной и сложно формализуемой предметной областью. Поэтому в последнее время вопрос систематизации накопления и автоматизированного использования знаний значительно обострился, это связано с достаточно интенсивным процессом роста количества информации и потребности в информационном обмене в авиадвигателестроении. Факторы, имеющие наибольшее влияние на этот процесс:

• рост номенклатуры, техническое и технологическое совершенствование авиационных двигателей;

• повышение требований к качественным характеристикам авиационных двигателей;

• сокращение сроков разработки, модернизации и ввода в производство новых двигателей;

• повышение требований к срокам и качеству подготовки и переподготовки инженерно-технического персонала для авиадвигателестроения;

• потеря накопленных знаний и информации в связи с реструктуризацией и конверсией авиадвигателестроения.

Вышеперечисленные формы и способы представления знаний и информации в области авиационных двигателей и энергетических установок на сегодняшний день мало отвечают возросшим требованиям к технологиям, используемым для представления информации и информационного обмена в процессах проектирования и производства.. Основными их недостатками являются:

• отсутствие представления знаний в единой структуре, что значительно затрудняет поиск нужной информации в общем информационном пространстве;

• длительный промежуток времени прохождения информации от источника до потенциального потребителя, зачастую за это время информация может частично или полностью утратить свою актуальность;

• медленное обновление информации, обусловленное технологиями представления знаний. До сегодняшнего дня основными технологиями представления знаний являются полиграфические ("бумажные") технологии;

• высокая стоимость информации, вызванная диспропорцией между стоимостью собственно информационных ресурсов и стоимостью носителей, на которых данная информация представлена.

Решением данной проблемы является создание интегрированных информационных систем, позволяющих обрабатывать разнородную информацию и решать различные прикладные задачи в рамках двигателестроения. Такими информационными системами являются базы знаний, представляющие собой "виртуальную" модель предметной области, отражающую все ее компоненты, процессы, структурные связи и свойства. Данная технология, по крайней мере в настоящее время, не должна заменить существующие способы и формы накопления знаний. Наибольший эффект от ее применения может быть получен лишь при совместном использовании как традиционных технологий, так и новых, основанных на современных средствах компьютерной техники, программного обеспечения и средств телекоммуникаций.

1.2 Обзор существующих систем представления знаний в области проектирования авиационных двигателей и энергетических установок

Знания в любой предметной области подразделяются на три категории:

1. Системные знания - совокупность сведений о структуре и содержании конкретной предметной области;

2. Предметные знания - совокупность сведений о качест