автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка автоматизированной системы оценки и систематизации класса виброзащитных устройств

А,"/;' С/

/

Волгоградский государственный технический университет

На правах рукописи

Бахмудов Руслан Магомед-Расулович

УДК 658.512

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ОЦЕНКИ И СИСТЕМАТИЗАЦИИ КЛАССА ВИБРОЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ

Специальность 05.13.12. - Системы автоматизации проектирования

на соискание ученой степени кандидата технических наук

ДИССЕРТАЦИЯ

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Андрейчиков А. В.

Волгоград 1998

Оглавление

Введение............................................................................................ 4

Глава 1. Обзор средств и определение целей диссертационной работы.

1.1 Обзор методов и программных средств для решения задач концептуального проектирования............................................. 7

1.2 Характеристика исследуемого класса технических объектов........................................................................................ 23

1.3 Методы представления и обработки знаний в задачах концептуального проектирования. Определение целей диссертационной работы............................................................ 27

Выводы по главе 1............................................................................. 35

Глава 2. Методика формирования базы знаний и данных автоматизированной системы оценки и систематизации виброзащитных устройств.

2.1. Методика построения систематики для системы оценки и систематизации класса виброзащитных устройств................. 35

2.2. Методика разработки семантической сети.............................. 52

Выводы по главе 2............................................................................. 75

Глава 3. Модели и процедуры оценки и поиска рациональных технических решений в базах данных.

3.1. Общие принципы формирования поискового предписания на основе конструктивных и функциональных признаков

и поиск описаний технических решений в базах данных.... 73

3.2.Метод многокритериальной оценки альтернатив.................... 94

3.3. Методика иерархического поиска технических решений..... \ 09

Выводы по главе 3............................................................................. 120

Глава 4.Технология применения и разработка автоматизированной системы оценки и систематизации технических решений виброзащитных устройств.

4.1. Обобщенный алгоритм применения автоматизированной системы оценки и систематизации в концептуальном проектировании виброзащитных устройств.......................... 121

4.2. Разработка автоматизированной системы оценки и систематизации виброзащитных устройств................................. 232

Выводы по главе 4............................................................................. 242

п

3

Глава 5. Практическое применение разработанной автоматизированной системы в концептуальном проектировании виброзащитных устройств.

5.1. Автоматизированное исследование закономерностей строения и развития класса виброзащитных устройств.................................................................................... 143

5.2. Оценка технического уровня и качества найденных вариантов виброзащитных устройств..................................... 153

Выводы по главе 5............................................................................. 159

Основные выводы по работе............................................................ 160

Список литературы............................................................................ 161

Глава 1. Обзор средств и определение целей диссертационной работы

1.1. Обзор методов и программных средств для решения задач концептуального проектирования

К области концептуального проектирования относят решение задач начальных этапов, когда определяются варианты наиболее рациональных функциональных структур и наиболее эффективных физических принципов действия объекта проектирования: изделия или технологического процесса [1]. Определение этих задач в область концептуального проектирования не случайно, поскольку изменение физического принципа действия приводит к созданию принципиально новых изобретений. Затем, следует подавляющее число патентоспособных (конкурентоспособных) технических решений (TP), основанных на разной функциональной структуре.

Известны различные методические средства концептуального проектирования: принципы, правила, приемы, эвристики, методы, методики, эвроритмы, алгоритмы и т.д., которые разрабатываются у нас в стране и за рубежом. Между этими методическими средствами до сих пор не установлено четкой границы и связей. Одни используют психологические особенности человека, другие направлены на изучение самого объекта проектирования.

Среди всего этого множества можно условно выделить группу, так называемых эвристических методов [51, 52, 81, 117, 118, 120], под которыми понимается [98, 99] последовательность предписаний или процедур обработки информации, выполняемая с целью поиска более рациональных и новых конструктивных решений. Для такой последовательности нет обоснованного доказательства, что она является

лучшей в смысле быстродействия или трудоемкости решения задачи, и нет гарантий нахождения наилучшего или глобально оптимального решения. Действительно, указанные задачи определяются значительным уровнем неопределенности, источниками которой могут быть неполнота, разобщенность исходных данных, в том числе внутренняя противоречивость, неоднозначность и разумность задания на проектирование и т.п.

Однако, имеющийся практический опыт все же позволяет сделать вывод об эффективности этих методов, особенно последних, разработанных для автоматизированного проектирования. Даже те методические средства, которые в свое время были разработаны для безмашинного применения, оказались еще более эффективными при их частичном программировании.

В настоящий момент известно несколько десятков методов поиска новых технических решений. Эти методы позволяют реализовать системный подход по изобретению новых и улучшению известных объектов техники. Особенно значительные успехи в разработке методов поиска новых технических решений были достигнуты в 40-70гг. XX в.

Одним из наиболее эффективных методов исследования систем в различных отраслях знаний является морфологический метод. Основоположником морфологического метода исследования в области технических систем является швейцарский астроном Ф.Цвикки [138], который применил его в 1942 году для разработки реактивных двигателей и астрономических телескопов.

Сущность метода состоит в систематическом анализе всех известных решений и синтезе новых вариантов решения технической задачи, которые при обычном переборе могут быть упущены исследователем из виду.

Данный метод наиболее эффективно может быть использован при решении компоновочных задач, прогнозировании развития технических

систем, выявлении простых изобретений. Однако этот метод не обладает универсальной процедурой по оценке синтезированных с его помощью альтернативных решений.

Метод морфологического анализа получил развитие в работах В.М. Одрина и С.С. Картавова [85, 86]. В этих работах дано определение предмета морфологического метода исследования, а также определение понятий «морфологический анализ», «морфологический синтез», «морфологическое исследование», и разработана процедура построения морфологических таблиц.

Метод организующих понятий разработан в 1953 году в ФРГ Ф.Ханзеном [105, 121]. Этот метод основан на комбинаторном подходе и является частным вариантом метода морфологического исследования, и предназначен только для решения технических задач при модернизации имеющихся технических систем.

Метод функционального изобретательства разработан К.Джонсом [66, 122] в результате исследования изменения функций технических систем при переходе от известных решений (прототипов) к новым хорошо известным изобретениям. Главная идея метода состоит в том, чтобы синтезировать технические решения, отличающиеся от аналогичных предшественников как новизной конструкции, так и новизной функций. Метод функционального изобретательства целесообразно использовать в тех ситуациях, когда существующие конструкции достигли своих предельных возможностей в направлении развития их основной функции, либо в тех случаях, когда произошло моральное старение технической системы вследствие изменения окружающей ее физической, экономической или социальной среды.

Имеется ряд методов [3, 4, 89, 90, 93, 115, 116] поиска новых TP, основой которых являются эвристические приемы. Эвристический прием представляет собой предписание или указание, как преобразовать

имеющиеся или аналогичное техническое решение или в каком направлении искать, чтобы получить искомое решение.

Эвристические приемы выявляются в результате анализа предшествующего опыта работы изобретателей и конструкторов.

Эти методы развиваются по двум направлениям. Согласно первому направлению, множество частных приемов сводится к минимальному подмножеству обобщенных эвристических приемов, что позволяет использовать их для решения технических задач в различных отраслях техники. На этом принципе основаны широко известные у нас в стране алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ) [90] и метод десятичных матриц поиска [90, 92 ]. Второе направление развития данных методов противоположно первому и сводится к накоплению больших фондов частных эвристических приемов. Так, разработанный А.И.Половинкиным метод использования библиотеки эвристических приемов [ 93 ] содержит фонд, состоящий из более четырехсот приемов.

Наиболее эффективным методом поиска новых технических решений в настоящее время является обобщенный эвристический алгоритм, разработанный под руководством А.И.Половинкина [1, 81] в Марийском политехническом институте им. М.Горького. При построении обобщенного эвристического алгоритма был проведен анализ нескольких десятков современных методов поиска новых и рациональных ТР, хорошо зарекомендовавших себя у нас в стране и за рубежом.

Обобщенный эвристический алгоритм содержит семь этапов, направленных на изучение задачи, поиск идеи решения и проработку найденной идеи. Каждый этап, как часть процесса решения задачи, удовлетворяет двум требованиям:

а) автономно выполняет одну из основных функций в процессе решения задачи;

б) содержит полный набор процедур, предназначенных для соответствующей специализированной обработки информации.

В обобщенный эвристический алгоритм включено более 400 процедур, которые сгруппированы по этапам и определенным образом взаимосвязаны между собой.

Некоторая часть этих процедур имеет универсальный характер и используется на нескольких этапах алгоритма. Причем, одни процедуры имеют строгую последовательность выполнения, а другие - независимы друг от друга и могут выполняться в любом порядке.

Список процедур, необходимых для решения задачи, определяется ее характером, объемом и содержанием имеющейся информации о задаче и совокупностью требований, предъявляемых к искомому ТР.

При выполнении ряда процедур предполагается использование следующих массивов информации: М1 - фонд физических эффектов; М2 -фонд ТР рассматриваемого класса и М2А - фонд ТР лучших мировых достижений; МЗ - список требований, предъявляемых к рассматриваемому классу ТР; М4 - фонд материалов и конструктивных элементов, перспективных для создания новых ТР; М5 - фонд технологических процессов, которые можно использовать при изготовлении ТР рассматриваемого класса; Мб - фонд эвристических приемов; М7 - фонд ТР ведущего класса; М8 - список методов оценки и выбора вариантов ТР.

Большое значение в обобщенном эвристическом алгоритме придается поисковым процедурам, которые предназначены для поиска идей решения задачи.

В связи с непрерывным процессом развития науки и техники обобщенный эвристический алгоритм, по мнению его авторов, должен отражать происходящие там изменения и непрерывно развиваться. Наиболее эффективными направлениями его развития являются следующие :

1) обновление массивов информации и, в первую очередь, фондов физических эффектов и ТР;

2) разработка эффективных поисковых процедур;

3) оптимизация выбора поисковых процедур и эвристических приемов;

4) комплексная формализация процедур;

5) перенос алгоритма на машинные носители и создание соответствующих человеко-машинных программ.

Обобщенный эвристический алгоритм достаточно хорошо зарекомендовал себя при решении различных технических задач. Однако, опыт использования алгоритма показывает, что для более эффективного его использования при решении задач из конкретных областей техники, целесообразно на его основе разрабатывать объектно-ориентированные (частные) эвристические методы с оптимальным составом и содержанием процедур и массивов информации.

Из зарубежных методов поискового конструирования наиболее оригинальным и эффективным является метод, разработанный профессором Р.Коллером [123, 124, 125, 126 ].

Процесс конструирования по Р.Коллеру подразделяется на три фазы: «функциональный синтез», «качественный синтез», «количественный синтез». Каждая фаза конструирования состоит из отдельных стадий и включает, так называемые «виды деятельности», позволяющие выполнять переход от одной стадии к другой, а также специальные процедуры, с помощью которых результаты процесса конструирования постоянно проверяются с целью выявления целесообразности продолжения разработки конструкции на соответствующих стадиях.

На фазе «функционального синтеза» формулируется общая функция проектируемой системы в виде модели «черного ящика», отражающая причинную связь между «входными» и «выходными» потоками энергии,

вещества и информации, характеризующими рассматриваемую систему в целом. На последующих рабочих шагах общая функция системы декомпозируется на более элементарные функции и основные операции.

Целью «качественной» фазы конструирования является разработка решений для отдельных элементарных функций и объединение их в одну общую систему. Так как невозможно разработать техническую систему, не установив хотя бы примерно ее параметры, фаза качественного конструирования выполняется параллельно с фазой количественного конструирования.

На качественной фазе конструирования важным является то, что для систематической разработки решений любую элементарную функцию технической системы можно реализовать с помощью соответствующих физических, химических или биологических эффектов и их эффектоносителей, которые представляют по существу «самые маленькие элементы» конструкции.

Р.Коллер основное внимание уделяет физическим эффектам, под которыми понимаются физические законы, следствия из этих законов, физические явления и закономерности, обеспечивающие преобразование «причина - следствие», то есть преобразование некоторого «входа» в «выход», которые описаны определенными физическими величинами и их значениями.

Методическое конструирование по Роденакеру [129] рассматривается как процесс переработки информации, протекающей от абстракции к конкретности.

Конструирование ТР начинается с формулирования в абстрактном виде задания на проектирование и построения функциональной структуры.

При построении функциональной структуры Роденакер предполагает, что в проектируемой системе осуществляется только разделение и связь энергии, вещества и (или) сигналов.

После установления функциональной структуры ТР ищут так называемые «физические зависимости», под которыми подразумеваются физические эффекты, с помощью которых обеспечивается реализация функциональной структуры.

Методическое конструирование по Роденакеру позволяет осуществлять синтез не только в направлении конкретизации технического задания и функциональной структуры, но и в обратной последовательности, то есть отыскивать для известной совокупности физических структур новые сферы их применения.

Алгоритмический избирательный метод конструирования по каталогам, предложенный К.Ротом [ 130, 131 ], расчленяет процесс конструирования на три фазы: фаза формулирования задания, функционирования и формирования.

На фазе формулирования задания производится анализ взаимоотношений «проектируемый объект - среда, окружающая объект». В результате анализа определяется необходимое функционирование, список технических требований и необходимая стоимость разрабатываемого технического объекта. Фаза функционирования состоит из ряда рабочих шагов, предназначенных для отыскания общих и специфических функциональных структур, а также для сравнения имеющихся функций с требуемыми.

Фаза формирования также состоит из ряда рабочих шагов, позволяющих осуществить геометрическо-вещественное формирование объекта и его техническую подготовку.

Отличительной особенностью алгоритмического избирательного метода конструирования является то, что на отдельных рабочих шагах

необходимая информация заимствуется из специальных каталогов с помощью критериев выбора.

В методике конструирования, разработанной Е.Паалем и В.Байтцем [117, 118, 119, 127], процесс конструирования расчленяется также, как и в методике К.Рота, на три фазы: «Конструирование ко