автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка метода синтеза эвристических приемов

О1

На правах рукописи

Цыканова Марина Алексеевна

РАЗРАБОТКА МЕТОДА СИНТЕЗА ЭВРИСТИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ

05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 ФЕВ 2013

Волгоград - 2013

005049092

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор химических наук, профессор

Бутенко Людмила Николаевна.

Официальные оппоненты: Дорохов Игорь Николаевич,

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева», профессор кафедры кибернетики химико-технологических процессов;

Глушань Валентин Михайлович, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет», профессор кафедры «Системы автоматизированного проектирования».

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН», г. Москва

Защита диссертации состоится «28» февраля 2013 г. в 13м часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.04 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект им. В.И. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «28» января 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Водопьянов Валентин Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одним из инновационных направлений современного развития систем автоматизированного проектирования (САПР) является интеллектуализация. Интеллектуализация САПР помогает поддерживать и интенсифицировать творческую активность разработчиков новых изделий и технологий. В результате повышается качество проектируемых объектов и производительность труда проектировщиков. Особенно высока потребность в автоматизированной поддержке интеллектуализации на этапе концептуального проектирования (КП) систем, когда решения принимаются в условиях высокой неопределенности.

На этапе КП систем решаются сложные неформализованные задачи исследования и проектирования. Решение данных задач основывается на интуитивном применении инструментария когнитивных технологий. В настоящее время данные технологии необходимы при проектировании сложных систем, характеризующихся многоаспектностью происходящих в них процессов. Инструментарий когнитивных технологий использует знания о различных познавательных процессах в сфере мышления человека и при поддержке информационными технологиями позволяет их радикально интенсифицировать. В качестве инструментария могут применяться продуктивные знания, включающие различные эвристические стратегии, тактики, методы, приемы.

Существует множество эвристических методов и приемов, которые представлены в работах следующих ученых: Пушкин В.Н., Буш Г.Я., Альтшуллер Г.С., Коллер Р., Мюллер И., Мэтчетг Э., Половшшга А.И., Дворянкин A.M., Дорохов И.Н., Попов В.В. и др.

Современный период времени характеризуется широким распространением использования эвристических приемов (ЭП) в различных предметных областях. К данному инструментарию обращаются тогда, когда необходимо получить качественный, а не количественный результат. Одной из существенных особенностей ЭП является многозначность, проявляющаяся в том, что у разных субъектов в зависимости от индивидуально-психологических особенностей личности при использовании одного и того же приема получаются разные результаты. Существует несколько фондов ЭП, которые представлены в работах Альтшуллера Г.С., А.И. Половинкина, И.Н. Дорохова.

Современный этап развития общества характеризуется высоким темпом научных исследований, технических и технологических инноваций. Для создания конкурентоспособной продукции на уровне мировых стандартов требуется генерация оригинальных идей. При этом процесс проектирования должен обеспечивать получение новых решений в минимальные сроки при возрастающей сложности объектов проектирования. Это вызывает необходимость проведения работ с целью синтеза новых ЭП. На основании результатов исследований литературных источников установлено, что процесс получения ЭП предположительно представляет интуитивно-направленный синтез, в котором различаются следующие операции: извлечение знаний, классификация, обобщение. Однако данный процесс не имеет строгого научного описания. Поэтому разработка метода синтеза ЭП и использование его в интеллектуальных САПР для поддержки процесса КП систем является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности концептуального проектирования систем за счет разработки метода синтеза ЭП и средств

автоматизации выбора ЭП, позволяющих увеличить количество предложений по целенаправленному изменению объекта.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) провести анализ фондов ЭП и методов поиска новых решений;

2) исследовать понятия «эвристический прием» и «метод синтеза эвристических приемов»;

3) на основе системного подхода разработать метод синтеза ЭП;

4) создать и верифицировать методики синтеза ЭП;

5) сформировать фонды ЭП для концептуального проектирования объектов и процессов конкретной предметной области;

6) спроектировать и реализовать оболочку информационно-поисковой системы (ИПС) по ЭП для концептуального проектирования систем и локальные ИПС, использующие синтезированные ЭП.

Объектом исследования в диссертационной работе являются информационные объекты, интеллектуальные и копштивные процессы при синтезе ЭП.

Предметом исследования являются концепты «эвристический прием» и метод его синтеза.

Методы исследования. При выполнении исследований и решении поставленных в работе задач использовались научные положения системного подхода, системологии, феноменологии, герменевтики, лингвистики, психолингвистики, теории графов, теории проектирования реляционных баз данных (БД), принципы и методы концептуального анализа систем, методы представления знаний в искусственном интеллекте, методы и средства проектирования автоматизированных систем.

Научная новизна

Впервые построены концептуальные модели понятий «эвристический прием» и «метод синтеза эвристических приемов» в виде интенсиональных семантических сетей, в узлах которых находятся понятия, а дугами являются отношения между ними.

С использованием аппаратов лингвистики, феноменологии, герменевтики, психолингвистики выделен и структурирован массив когнитивных процедур, таких как восприятие, понимание, интерпретация, конкретизация, порождение, инверсия, сопровождающих процесс синтеза ЭП.

Впервые разработан метод синтеза ЭП для концептуального проектирования объектов и процессов в различных предметных областях, характеризующийся использованием множества интеллектуальных и когнитивных процедур, реализованных на семантической сети знаний в виде ациклического ориентированного графа.

Достоверность полученных результатов. Обобщения и выводы диссертационной работы основаны на анализе теоретических данных, полученных с применением научных положений системного подхода, системологии, феноменологии, герменевтики, лингвистики, психолингвистики, методов концептуального анализа систем, методов представления знаний в искусственном интеллекте. Достоверность подтверждается результатами верификации разработанных методик синтеза на технических и технологических решениях, защищенных патентами, и использованием объектно-ориентированных фондов ЭП в учебном процессе вуза.

Практическая значимость

1. Разработан инвариантный инструментарий для синтеза новых ЭП.

2. Сформированы новые объектно-ориентированные фонды ЭП для концептуального проектирования химических процессов и контактных аппаратов.

3. Разработаны ИПС по ЭП для концептуального проектирования химических процессов и контактных аппаратов, использующие созданные объектно-ориентированные фонды.

Положения, выносимые на защиту

1. Построенные концептуальные модели понятий «эвристический прием» и «метод синтеза эвристических приемов», представленные в виде интенсиональных семантических сетей.

2. Метод синтеза ЭП для концептуального проектирования объектов и процессов, инвариантный к предметным областям.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанная ИПС по ЭП для КП химических процессов «Ннпргосевз» (ИПС «Шюргосевз») была использована в учебном процессе на химико-технологическом факультете Волгоградского государственного технического университета по дисциплине «Анализ и синтез химико-технологических систем», что подтверждается актом внедрения, и при подготовке дипломных работ и магистерских диссертаций. Использование ИПС «Штргосеэз» в лабораторном практикуме позволило улучшить научное методическое обеспечение учебного процесса.

Апробация работы. Основные положения диссертации представлялись на международной конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград, 2009), XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011), а также на электронной конференции «Новые информационные технологии и системы» (2007).

Соответствие паспорту специальности. Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 05.13.12 - «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», а именно: пункту 1 - «Методология автоматизированного проектирования в технике, включая постановку, формализацию и типизацию проектных процедур и процессов проектирования, вопросы выбора методов и средств для применения в САПР»; пункту 2 - «Разработка научных основ создания систем автоматизации проектирования и автоматизации технологической подготовки производства (САПР и АСТПП)»; пункту 3 -«Разработка научных основ построения средств САПР, разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов для синтеза и анализа проектных решений, включая конструкторские и технологические решения в САПР и АСТПП».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе, 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 4 статьи в научно-теоретических журналах, 3 статьи в сборниках трудов конференций, получено 1 свидетельство об отраслевой регистрации электронного ресурса.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из списка сокращений, введения, пяти глав с выводами, основных результатов работы, списка использованных источников, приложений. Общий объем диссертации 273 страницы, в том числе 64 рисунка, 11 таблиц, списка использованных источников из 93 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы основные задачи исследования, научная новизна, приводится перечень основных результатов, выносимых на защиту, излагается краткое содержание глав диссертации.

В первой главе рассмотрены основные положения системологии и их применение к предметной области «эвристический прием», проанализированы существующие фонды ЭП и методы поиска новых решений.

Исследование предметной области «эвристический прием» на основе положений системологии позволило установить, что при переходе от низшего эпистемологического уровня систем к высшему возрастает сложность задач и, соответственно, сложность методов решения задач. Низшим эпистемологическим уровням систем соответствуют параметрические задачи, методы решения которых в настоящее время известны и хорошо поддаются формализации. Высшим эпистемологическим уровням систем (структурированные системы и метасистемы) соответствуют эвристические задачи, для решения которых необходимы эвристические методы. Было выявлено, что должны существовать ЭП для каждого эпистемологического уровня систем, которые будут отличаться уровнем знаний относительно рассматриваемых предметных областей. ЭП также отличаются по эвристично-сти. При переходе от продукционных правил на уровне порождающих систем к приемам на уровне структурированных систем и далее к метасистемам эвристичность возрастает.

Анализ существующих фондов ЭП проводился по следующим аспектам: структура фонда, достоинства и недостатки. Проанализированы приемы устранения технических противоречий, парные приемы «прием-антиприем», стандарты на решение изобретательских задач (Г.С. Альтшуллер), межотраслевой фонд ЭП преобразования объекта (А.И. По-ловинкин), фонд эвристических правил (И.Н. Дорохов). На основании проведенного анализа установлено, что ЭП не содержат способа интерпретации для разработки конкретного объекта или процесса, не учитывают описания предметной области и не позволяют управлять уровнем получаемых решений.

Результаты исследования предметной области на основе положений системологии и анализа фондов ЭП показали, что при решении задач генерации структурированных систем и метасистем необходимы массивы новых ЭП. Данная потребность привела к проблеме поиска метода синтеза ЭП.

В результате исследований литературных источников было установлено, что существующие фонды были получены интуитивным путем, и можно только догадываться о тех процедурах, которые были использованы при извлечении ЭП из эмпирического материала. Процесс получения ЭП не был структурирован, поскольку не хватало научной информации для решения задач выделения и формализации когнитивных операций. В настоящее время накопилось большое количество эмпирических фондов ЭП, которые находят широкое применение в различных предметных областях. Кроме того, благодаря разработке системологического подхода, появился аппарат для постановки и решения задачи синтеза ЭП. Исходя из изложенного, особую актуальность приобретает задача проектирования метода синтеза ЭП.

В качестве информационной базы синтеза ЭП был выбран межотраслевой фонд, поскольку данный фонд в наибольшей степени обладает универсальностью и системно-

стью. Выбор в качестве информационной базы обобщенных ЭП межотраслевого фонда дает возможность именовать синтезируемые приемы как частные.

С целью определения основных тенденций развития методов поиска новых решений был проведен анализ данных методов в следующих аспектах: состав функций, достоинства и недостатки. Проанализированы методы психологической активизации творческого мышления (мозговой штурм, синектика, ассоциативные методы активизации), методы систематизированного поиска (метод контрольных вопросов, морфологический анализ и синтез решений, фундаментальный метод проектирования Мэтчетта), методы направленного поиска (метод поискового конструирования Р. Коллера, теория решения изобретательских задач). Проведенный анализ позволил выделить следующие тенденции их развития: интенсификация процесса переноса знаний, формализация, разработка нового инструментария и нового информационного обеспечения. Выявленные тенденции было предложено использовать при проектировании метода синтеза ЭП.

Во второй главе проведены исследование понятий «эвристический прием» и «метод синтеза эвристических приемов», исследование ЭП на основе лингвистического подхода, сформулированы основные требования к ЭП и методу синтеза ЭП, определены методологические основания процесса синтеза ЭП, рассмотрены процедуры синтеза ЭП, разработан метод синтеза ЭП, построены модели структурированной системы метода синтеза ЭП и его составляющих процедур.

Концептуальный анализ понятий «эвристический прием» и «метод синтеза эвристических приемов» позволяет глубже и полнее понять те или иные стороны, грани данных объектов и способствует приросту знаний. В основе данной интеллектуальной технологии находится процесс выделения базисных понятий и отношений между ними. На основе использования инструментария концептуального анализа впервые были построены концептуальные модели изучаемых понятий в виде интенсиональных семантических сетей, в узлах которых находятся понятия, а дугами являются отношения между ними. Концептуальная модель понятия «метод синтеза эвристических приемов» приведена на рис. 1.

отношение «имеют частью»

отношение «быть характеристикой»

отношение «предназначенности»

Рис. 1 - Концептуальная модель понятия «метод синтеза эвристических приемов»

На основе построенной концептуальной модели и метода интенсионалов и экстен-сионалов сформирован интенсионал понятия «эвристический прием»:

Эвристический прием - это сложное правило, описывающее совокупность целенаправленных интеллектуальных действий над объектами и используемое при исследовании, проектировании для порождения концептов, идей на основе процессов получения выводного знания.

Поскольку ЭП представляет собой текст, то было проведено его исследование с помощью лингвистического подхода для установления наиболее эффективных когнитивных форм. Было установлено, что ЭП имеет грамматическую и семантическую структуру. Грамматический структура ЭП имеет, независимо от лексических значений входящих в него слов, свою семантику, которая создается формальными значениями компонентов, правилами их лексического наполнения и отношением компонентов друг к другу. Семантическая структура ЭП - это его абстрактное языковое значение, представляющее собой отношение семантических компонентов, формирующихся на основе взаимного действия синтаксических значений членов предложения и лексических значений слов.

Обобщенные ЭП представлены в форме инфинитивных предложений, имеющих модальное значение «возможность действия», субъект в которых невербализован. Приемы содержат термины, которые применяют специалисты различных областей техники, что позволяет обеспечить доступность для восприятия их разными субъектами. Поэтому для выражения содержания частных ЭП было предложено использовать инфинитивные предложения, имеющие модальное значение «возможность действия», субъект в которых невербализован, и термины конкретной предметной области.

Полученные результаты позволили сформулировать основные требования к ЭП:

1) содержат описание цели и совокупности интеллектуальных действий над объектами;

2) должны быть представлены в форме инфинитивных предложений для улучшения восприятия другими субъектами.

На основе построенной концептуальной модели и метода интенсионалов и экстен-сионалов сформирован интенсионал понятия «метод синтеза эвристических приемов»:

Метод синтеза эвристических приемов - это система целенаправленных интеллектуальных и когнитивных процедур для получения правил, описывающих совокупности интеллектуальных действий над объектами и используемых при исследовании, проектировании для порождения концептов, идей.

Полученные результаты позволили сформулировать основные требования к методу синтеза ЭП:

1) метод должен представлять собой структурированную систему целенаправленных интеллектуальных и когнитивных процедур;

2) метод должен обладать универсальностью, позволяющей использовать его при исследовании и проектировании;

3) метод должен настраиваться на различные предметные области;

4) метод должен учитывать описание предметной области;

5) метод должен управлять уровнем получаемых решений.

Когнитивные процессы, сопровождающие синтез ЭП, были изучены с помощью феноменологии. Основной процесс синтеза какой-либо сущности и системообразования

на её основе состоит из следующих процессов в ментальной сфере человека: порождение интенции, порождение аспекта, в котором будет рассматриваться синтезируемая сущность (концепт), определение уровня знания, на котором будет рассматриваться синтезируемая сущность, порождение сущности, системообразование на основе синтезированной сущности, генерация классов систем, интерпретация полученных классов систем. На основе обозначенных положений данной области знаний процессы синтеза обобщенных и частных ЭП можно представить в следующем виде (рис.2).

и техносферы

Выделение шоиов/ закономерностей строения, функционированиях развили техники

Построение отологии техносферы

«техносфера»

£

Выбор обобщенных ЭП для объекта предметной

Анализ обмята предметной области и классификация параметров

межотраслевой л фонд ЭП Формирование обобщенные ЭП Л- Интерпретация законов/ закономерностей строения, функционировали! н.. развитее техники -

Ч^--- ЭП N-

наименование объекта предметной облает

<2.

обобщенные ЭП дм объекта предметной области

т

Рис. 2 - Синтез обобщенных и частных ЭП на основе положений феноменологии

На начальном этапе процесса синтеза обобщенных ЭП генерируется цель синтеза. Далее происходит построение онтологии техносферы, из которой выделяются законы/закономерности строения, функционирования и развития техники. Интерпретация выделенных законов/закономерностей позволяет получить обобщенные ЭП, на основе которых происходит формирование межотраслевого фонда. Процесс синтеза частных ЭП начинается с генерации цели синтеза. На втором этапе определяется множество классов параметров объекта в результате анализа объекта и классификации параметров. На основе полученного множества происходит выбор обобщенных ЭП из межотраслевого фонда, интерпретация которых позволяет получить частные ЭП.

Полученные результаты позволили выделить процедуры синтеза ЭП: генерация цели синтеза ЭП, анализ объекта, классификация параметров объекта, выбор обобщенных ЭП, интерпретация обобщенных ЭП. Для того, чтобы синтезируемые ЭП учитывали описание предметной области, выделена процедура «поиск/построение описания объекта».

Процедура генерации цели синтеза ЭП состоит, например, из следующих операций: 1) проведение анализа функций объекта; 2) формирование множества недостатков объекта; 3) выбор недостатка объекта, который необходимо устранить; 4) формулирование цели синтеза ЭП.

Описание объекта предметной области может быть получено в результате применения процедуры поиска или его построения. Процедура поиска состоит из следующих операций: 1) поиск источников информации; 2) поиск описаний объекта; 3) выбор описания объекта. Построение описания объекта относится к сложным процедурам и состоит из следующих процедур: 1) декомпозиция объекта (элементов); 2) выбор элементов объекта; 3) соединение объекта и его элементов в единую структуру. Глубина многоуровневого разделения объекта на элементы определяется поставленной задачей и уровнем знаний об объекте.

Для уточнения цели синтеза ЭП необходимо применение процедуры анализа, которая состоит из следующих операций: 1) поиск источников информации; 2) сбор информации о параметрах и математических моделях процессов для п уровня описания объекта, где п=0,1,..., т. В результате анализа получается описание объекта в виде множества параметров и множества математических моделей процессов для каждого уровня описания.

Для уточнения цели синтеза ЭП необходимо проведение классификации параметров объекта. Процедура классификации состоит из следующих операций: 1) определение множества классификационных признаков; 2) определение классообразующей функции; 3) разделение множества параметров объекта для п уровня описания па классы, где п=0, 1,..., т. Множество классификационных признаков и классообразующая функция определяются в процессе решения или задаются изначально.

Множество классов параметров объекта используется при выборе обобщенных ЭП из межотраслевого фонда. На основе применения процедуры принятия решения из межотраслевого фонда отбираются наименования групп, а затем из отобранных групп обобщенные ЭП.

Для рассмотрения когнитивных процессов в процедуре интерпретации обобщенных ЭП нами был использован инструментарий герменевтики - науки об истолковании. X. Гадамером была предложена трехкомпонентная структура процесса понимания. С учетом этого, интерпретация или истолкование обобщенного ЭП - это когнитивная процедура, обеспечивающая «перевод» текста обобщенного ЭП на язык, объединяющий речь текста, конкретной предметной области и самого интерпретатора. Однако в нашем случае, интерпретация сопровождается синтезом нового смысла, нового текста. Синтез проводится с учетом контекста (целевые установки, психологические особенности личности субъекта) и в результате получается новый инструмент, в котором сохраняется целевая функция обобщенного ЭП.

Получение частных ЭП из обобщенных предполагает переход к конкретной предметной области. Переход от абстракций и обобщений обратно к конкретной действительности основывается на процедуре конкретизации. Процедуры интерпретации и конкретизации связаны между собой взаимной соподчиненностью, образуя иерархию приоритетов: верхний уровень иерархии процесса переработки информации - интерпретация, нижний уровень иерархии - конкретизация.

Для обнаружения когнитивных процессов в процедуре интерпретации нами был использован психолингвистический подход. Важнейшим предметом исследования психолингвистики является речь как психофизиологический процесс восприятия и порождения речевых высказываний. Восприятие текста, в нашем случае обобщенного ЭП, происходит в процессе чтения, который представляет собой сложный психический

процесс - смысловое восприятие текста. Данный процесс представляет собой иерархическую систему, где в тесной взаимосвязи выступают низший, сенсомоторный, и высший, семантический, уровни (рис. 3).

Семантический уровень

Сенсомоторный уровень

Рис. 3 - Иерархия когнитивных операций процедур восприятия и понимания текста

обобщенного ЭП

Смысловое восприятие текста обобщенного ЭП основывается на когнитивных процедурах восприятия и понимания, состоящих из совокупности когнитивных операций, обеспечивающих переход от последовательности графем к смысловой программе.

Получение текстов частных ЭП основывается на применении процедуры порождения. Данная процедура также была рассмотрена на основе психолингвистического подхода. Использование концептуальной модели порождения речевого высказывания A.A. Леонтьева позволило представить процедуру порождения текста частного ЭП в виде 3 последовательных этапов, состоящих из когнитивных операций: 1) возникновение мотива речевой деятельности; 2) лексико-грамматическое развертывание частного ЭП; 3) физический процесс написания текста частного ЭП. В качестве необходимых операций выступают межуровневый и внутриуровневый контроль за их выполнением и сознательный выбор нужных языковых компонентов: инфинитивной конструкции и терминов конкретной предметной области.

На основе полученных результатов была построена обобщенная схема синтеза частного ЭП (рис. 4).

Рис. 4 - Обобщенная схема синтеза частного ЭП

Частный ЭП должен обладать системным свойством целостности. Для обеспечения целостности могут применяться различные подходы, однако нами был применен самый эффективный прием - использование когнитивной процедуры инверсии. Одним из требований целостности является наличие противоположной процедуры, что позволяет получать целостные системы «прием-антиприем».

Таким образом, на основе использования метода интенсионалов и экстенсионалов, положений системного подхода, системологии, лингвистики, феноменологии, герменевтики, психолингвистики разработан метод синтеза ЭП для КП объектов и процессов в различных предметных областях. Разработанный метод включает 6 стадий (рис.5).

Рис. 5 - Схема процесса синтеза ЭП: ОЪ- наименование объекта предметной области, И - критерий выбора недостатка объекта, Ш - правило выбора недостатка объекта, Сё - условия генерации цели синтеза ЭП, Ре - цель синтеза ЭП, К<1 - критерий декомпозиции объекта, Сс1 - правила декомпозиции объекта, К1 - критерий выбора элементов объекта, Ш - правило выбора элементов объекта, ОЫ' - описание объекта, Рг°={рг1П,...,ргсп} - множество параметров объекта для п уровня описания, М1п={т11п,...,ш1ьп} - множество математических моделей процессов для п уровня описания объекта, Кр"={кр1П,...,кри°} - множество классов параметров объекта для п уровня описания, М - межотраслевой фонд ЭП, КЬ - критерий выбора наименований групп межотраслевого фонда (обобщенных ЭП), КЬ - правило выбора наименований групп межотраслевого фонда (обобщенных ЭП), - базовое множество обобщенных ЭП, Эр - условия интерпретации/конкретизации ЭП, Тт - условия инверсии частных ЭП; Бня- множество частных ЭП.

Процесс разработки метода синтеза ЭП был рассмотрен на основе положений системологии. Моделью структурированной системы метода синтеза ЭП является семантическая сеть модулей знаний (МЗ) (рис. 6). Семантическая сеть МЗ представляет собой ациклический ориентированный граф. Ацикличность необходима для выполнения семантической сетью ее функционального назначения - обеспечить синтез ЭП по заданным входным объектам.

Рис. 6 - Семантическая сеть МЗ метода синтеза ЭП: МЗ 1- генерация цели синтеза ЭП; МЗ 2- поиск описания объекта; МЗ 3 - построение описания объекта; МЗ 4 - анализ объекта; МЗ 5 - классификация параметров объекта для п уровня описания; МЗ 6 - выбор обобщенных ЭП; МЗ 7 - интерпретация/конкретизация и инверсия ЭП для п уровня описания объекта.

Структурированная система метода синтеза ЭП формально представляется так: ЯР =< МЗ, V; К >=< {МЗ 1,МЗ 2, МЗЗ.МЗ 4,МЗ 5,МЗ 6,МЗ 7}, {С&Ш,К1, ОЪ.Кй. Сс1,К1,Ш,Гп/, Kh.Rh.Sp, Tm.Ps,ОЬ[,Рг" ,М?,Кр",Шт,8т};К >, где К - семантическая сеть МЗ: К сМЗхМЗх У х...хУ.

В связи с ацикличностью все множество МЗ может быть разбито на строго упорядоченное (ранжированное) множество подмножеств (рис. 7).

Рис. 7 - Ранжированная семантическая сеть МЗ метода синтеза ЭП: МЗ 11 - генерация цели синтеза ЭП; МЗ 21 - поиск описания объекта; МЗ 22 - построение описания объекта; МЗ 31 - анализ объекта; МЗ 41 - классификация параметров объекта для п уровня описания; МЗ 51 - выбор обобщенных ЭП; МЗ 61 - интерпретация/конкретизация и инверсия ЭП для п уровня описания объекта.

МЗ представляют собой сложные объекты и для каждого из них должны быть сформированы модель данных, система данных, порождающая система и структурированная система. Семантическая сеть МЗ процедуры генерации цели синтеза ЭП приведена на рис. 8 (показаны только главные связи).

Рис. 8 - Семантическая сеть МЗ процедуры генерации цели синтеза ЭП: МЗ I1 - проведение анализа функций объекта; МЗ I2- формирование множества недостатков объекта; МЗ I3- выбор недостатка объекта, который необходимо устранить; МЗ I4 - формулирование цели синтеза ЭП; Ье - список элементов объекта и их функций; Ьс1={Ь^}, -множество недостатков объекта.

Структурированная система процедуры генерации цели синтеза ЭП формально представляется так:

SP1~<M31,V1;K1 >=< {МЗ l',M312,M313,M31'},{Ob,Ki,Ri.Cg,Le,Ld,Ldj.Ps};Kl>. где К1 - семантическая сеть МЗ 1: К1 с М31 х М31 xVlx...xVl.

Для каждой составляющей метода синтеза ЭП построена семантическая сеть МЗ и дано формальное описание.

Разработка метода синтеза ЭП для КП объектов и процессов в различных предметных областях позволила перейти к созданию методик синтеза и их верификации.

В третьей главе разработаны методики синтеза ЭП для объектов и процессов химической технологии, проведена верификация разработанных методик на технологических и технических решениях и на фонде эвристических правил, сформированы объектно-ориентированные фонды ЭП.

На основе иерархических структур ХТС в технологическом и аппаратурном аспектах были выбраны глобальные объекты химической технологии - химический процесс и химический реактор. Среди множества конструктивных типов химических реакторов был выбран контактный аппарат.

Разработанный метод синтеза ЭП был использован при создании методик синтеза ЭП для КП химических процессов и контактных аппаратов. Методики включают описание процесса синтеза частных ЭП. Был проведен синтез ЭП для КП химических процессов. Для частных ЭП были подобраны технологические решения, защищенные патентами: способ восстановления соединений мышьяка (V), содержащихся в продуктах щелочной детоксикацни люизита, в соединения мышьяка (III) (пат. 2359915); способ приготовления азотсодержащего углеродного материала нанотрубчатой структуры (пат. 2391289); способ получения мономеров и их полимеров (пат. 2390565); способ получения феррата калия (пат. 2316477). При изучении переходов от прототипов к предлагаемым способам были выделены конкретные приемы. Результаты сравнения частных ЭП и конкретных приемов позволили подтвердить правильность синтеза.

На основе разработанной методики проведен синтез ЭП для КП контактных аппаратов. Для частных ЭП были подобраны технические решения, защищенные патентами: радиальный реактор для проведения каталитических процессов (пат. 2321453), способ гидроочистки нефтяных дистиллятов (пат. 2102436), катализатор для риформинга бензиновых фракций (пат. 2344877). При изучении переходов от прототипов к предлагаемым конструкциям были выделены конкретные приемы. Результаты сравнения частных ЭП и конкретных приемов позволили подтвердить правильность синтеза.

На основе сопоставления частных ЭП и общеотраслевых и специальных эвристик фонда эвристических правил была подтверждена правильность интерпретации обобщенных ЭП.

При реализации технологии порождения ЭП было установлено, что возможно два подхода к синтезу ЭП от общего к частному путем интерпретации и от частного к общему путем обобщения. В диссертационной работе решена прямая задача. Обратная задача не ставилась. На основе разработанных методик сформированы объектно-ориентированные фонды ЭП для КП химических процессов и контактных аппаратов, которые содержат

описания 248 и 226 приемов, соответственно. Полученные результаты позволили перейти к разработке автоматизированной системы.

В четвертой главе описаны метод и методики решения задач КП на основе выделения конфликта между параметрами объекта и разрешения его на основе частных ЭП, описана архитектура созданной оболочки ИПС по ЭП для КП систем «ЕуМеЛос!» (ИПС «ЕуМеАю<1»), описаны подсистемы и алгоритмы их функционирования, разработаны локальные ИПС.

Выделение конфликта между параметрами объекта и подбор для него частных ЭП делает процесс поиска решения задачи КП более целенаправленным. Схема процесса решения задач КП на основе использования системы «конфликт - частный ЭП» представлена на рис. 9.

объектно-ориентированный

межотраслевой фовдЭП

|—| Неавтоматизированные стадии процесса Автоматизированная стада» процесса

Рис. 9 - Схема процесса решения задач КП на основе использования системы «конфликт - частный ЭП»

Были разработаны методики выделения конфликта между параметрами объекта и выбора частных ЭП из объектно-ориентированного фонда. На этапе выбора частных ЭП из объектно-ориентированного фонда предложено использовать ИПС.

На основе положений системологии сформированы исходные системы и системы данных сущностей «объект», «параметр объекта», «эвристический прием», «предложение по изменению объекта». Сформированные модели было предложено использовать при разработке ИПС. Архитектура ИПС «ЕуМейюс!» приведена на рис. 10.

Рис. 10 - Архитектура ИПС «ЕуМе&ос!»

Подсистема введения БД предназначена для построения иерархических списков (деревьев) объектов, параметров объекта и ЭП. Подсистема поиска и интерпретации ЭП предназначена для поиска ЭП для разрешения конфликтов между параметрами объекта и интерпретации приемов. БД предназначена для хранения объектов, параметров объекта, ЭП и предложений по изменению объектов.

ИПС «ЕуМеЙюс!» функционирует в следующих режимах:

1) режим введения БД;

2) режим поиска ЭП;

3) режим интерпретации ЭП.

В режиме введения БД происходит построение иерархического списка (дерева) объекта. Если пользователь обладает правами администратора, то добавляются процессы построения иерархических списков (деревьев) параметров объекта и ЭП. В режиме введения БД имеется возможность копирования объектов, параметров объекта и ЭП между различными БД. Результатом работы системы в этом режиме являются иерархические списки (деревья) объекта, параметров объекта, ЭП.

В режиме поиска ЭП пользователь выбирает объект или его элемент, параметр, характеризующий улучшаемый показатель объекта, и параметр, характеризующий ухудшающийся показатель объекта. ИПС осуществляет поиск ЭП, рекомендуемых для разрешения конфликта между параметрами объекта. Результатом работы системы в этом режиме является список ЭП.

В режиме интерпретации ЭП пользователь на основании выданных системой ЭП синтезирует предложения по изменению объекта. Имеется возможность записи получен-

ных предложений. Результатом работы системы в этом режиме являются отчет по решениям и отчет по проделанным действиям.

Проектирование ИПС велось в соответствии с международным стандартом разработки программного обеспечения Rational Unified Process с использованием унифицированного языка моделирования UML. ИПС «EvMethod» разработана с применением визуальной среды разработки Borland С++ Builder 6.

При разработке локальных ИПС в качестве информационных баз использовались: иерархические описания, множества классов параметров химического процесса и контактного аппарата, объектно-ориентированные фонды ЭП, полученные в главе 3. Созданы ИПС «Himprocess» и локальная ИПС по ЭП для КП контактных аппаратов «Himreactor» (ИПС «Himreactor»). Разработана методика работы с локальными ИПС при поиске и интерпретации ЭП.

В пятой главе приведены примеры использования ИПС «Himprocess» и «Himreactor» для решения задач КП химических процессов и контактных аппаратов.

При помощи ИПС «Himprocess» были решены следующие задачи: получение 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбугана, мышьяка, фторсодержащих триметилсиланов, низших олефинов. При помощи ИПС «Himreactor» были решены следующие задачи: проектирование реактора для каталитического получения бензина и дизельного топлива, реактора для проведения каталитических процессов.

Уровень новизны получаемых решений может быть установлен на основе работы с экспертной системой.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе положений системного подхода получено новое решение актуальной научной задачи в области создания САПР, заключающееся в разработке ранее неизвестного метода синтеза ЭП и средств автоматизации выбора ЭП для повышения эффективности концептуального проектирования систем.

2. Проведен анализ фондов ЭП и установлено, что они представляют собой эмпирический набор правил преобразования технических систем, которые не содержат способа интерпретации и другие параметры их использования. Проведенный анализ методов поиска новых решений позволил выделить тенденции их развития, которые должны быть использованы при проектировании метода синтеза ЭП.

3. На основе системного концептуального анализа впервые построены и исследованы концептуальные модели понятий «эвристический прием» и «метод синтеза эвристических приемов», позволяющие сформулировать требования к данным объектам и в последующем осуществить разработку метода.

4. С использованием аппаратов лингвистики, феноменологии, герменевтики, психолингвистики выделен массив когнитивных операций, сопровождающих процесс интеллектуального синтеза ЭП.

5. Разработан ранее неизвестный метод синтеза ЭП для концептуального проектирования объектов и процессов, инвариантный к предметным областям и основанный на множестве интеллектуальных и когнитивных процедур, организованных в ациклическую ориентированную семантическую сеть. Метод позволяет учитывать опи-

сание предметной области и получать массивы решений с различным уровнем новизны.

6. На основе разработанного метода созданы конкретные методики синтеза ЭП для концептуального проектирования химических процессов и контактных аппаратов, верифицированные на технических и технологических решениях, защищенных патентами.

7. В процессе решения прямой задачи синтеза ЭП - от общего к частному - путем интерпретации были разработаны новые объектно-ориентированные фонды ЭП для концептуального проектирования химических процессов и контактных аппаратов, которые содержат описания 248 и 226 приемов, соответственно.

8. Спроектирована и реализована оболочка ИПС по ЭП для концептуального проектирования систем «ЕуМеЛо&>, разработаны локальные ИПС «Нипргосезз» и «Ннп-геаЫог», апробированные в процессе решения задач и позволяющие получать предложения по изменению химических процессов и контактных аппаратов.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах.

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1 Цыканова, М. А. Объектно-ориентированный фонд эвристических приемов для проектирования аппаратов химико-технологических систем / М. А. Цыканова, Л. Н. Бу-тенко И Известия ВолгГТУ. Сер. "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах": межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2007. - Вып. 2, № 2. - С. 58-60.

2 Цыканова, М. А. Процедуры получения частных эвристических приемов объектно-ориентированного фонда для проектирования аппаратов химико-технологических систем / М. А. Цыканова, Л. Н. Бутенко // Известия ВолгГТУ. Сер. "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах" : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2008. - Вып. 4, № 2. - С. 102-104.

3 Цыканова, М. А. Синтез частных эвристических приемов для проектирования химических процессов / М. А. Цыканова, Л. Н. Бутенко, О. А. Базрова // Известия ВолгГТУ. Сер. "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах" : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. -Вып. 10, №3,-С. 125-128.

4 Цыканова, М. А. Синтез эвристических приемов для концептуального проектирования химических реакторов емкостного типа с неподвижным слоем катализатора / М. А. Цыканова, Л. Н. Бутенко, О. А. Базрова // Вестник МИТХТ. - 2012. - Т. 7, № 2. -С. 43-47.

5 Цыканова, М. А. Формирование фондов эвристических приемов для концептуального проектирования объектов и процессов химической технологии / М. А. Цыканова, Л. Н. Бутенко, О. А. Базрова // Вестник компьютерных и информационных технологий. -2012,-№7.-С. 28-33.

Статьи в сборниках и периодических изданиях

6 Цыканова, М. А. Объектно-ориентированный фонд эвристических приемов для проектирования химических систем / М. А. Цыканова, Л. Н. Бутенко И Современные наукоёмкие технологии. - 2008. - № 2. - С. 122-123.

7 Цыканова, М. А. Разработка информационного обеспечения автоматизированной системы для концептуального проектирования аппаратов химической технологии / М.А. Цыканова, Л. Н. Бутенко // Информационные технологии в образовании, технике и медицине : матер, междунар. конф., 21-24 сент. 2009 г. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2009.-С. 99.

8 Цыканова, М. А. Метод синтеза эвристического приема / М. А. Цыканова, Л. Н. Бутенко // Современные проблемы науки и образования. - 2009. - № б. - С. 32.

9 Цыканова, М. А. Применение системного подхода при изучении эвристического приема / М. А. Цыканова, Л. Н. Бутенко // Современные проблемы науки и образования. - 2009.-№ 6. - С. 33.

10 Цыканова, М. А. Разработка метода синтеза эвристического приема / М. А. Цыканова, Л. Н. Бутенко И Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. - 2010. -№ 4. - С. 54-56.

11 Цыканова, М. А. Концептуальный анализ понятия «эвристический прием» / М. А. Цыканова, Л. Н. Бутенко // Современные наукоёмкие технологии. - 2010. - № 5. -С. 69-74.

12 Когнитивные технологии для проектирования химических систем / Л. Н. Бутенко [и др.] // ХГХ Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Волгоград, 25-30 сент. 2011г.). В 4 т. Т. 4 / РАН, РХО им. Д. И. Менделеева, Администрация Волгогр. обл. [и др.]. - Волгоград, 2011. - С. 543.

Свидетельства о регистрации программных систем

13 Свидетельство об отраслевой регистрации электронного ресурса №00090 от 13.07.2009г. Информационно-поисковая система по эвристическим приемам для концептуального проектирования систем / Е. А. Овечко, Л. Н. Бутенко, М. А. Цыканова ; ИИО РАО.-2009.

Подписано в печать 2,8. ¿У.2013 г. Заказ Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0.

Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, Волгоград, ул. Советская, 35.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет»

На правах рукописи

Цыканова Марина Алексеевна

РАЗРАБОТКА МЕТОДА СИНТЕЗА ЭВРИСТИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ

05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата ^ технических наук

СО

см

Ю со

^ Научный руководитель

СО доктор химических наук, профессор

^ Бутенко Людмила Николаевна

СМ ^

3 °

Волгоград - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Аннотация............................................................................................................................................................................................................................................................5

Список сокращений............................................................................................................................................................................................................................6

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

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ФОНДОВ ЭВРИСТИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ..................................................................................................................................................................................................................12

1.1. Основные положения системологии........................................................................................................................................................12

1.2. Анализ фондов эвристических приемов............................................................................................................................................19

1.3. Анализ методов поиска новых решений............................................................................................................................................28

Краткие выводы по разделу..................................................................................................................................................................................................39

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА СИНТЕЗА ЭВРИСТИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ..................................................................................................................................................................................................41

2.1. Исследование понятий «эвристический прием» и «метод синтеза эвристических приемов» на основе методов концептуального анализа......................................................................................................41

2.2. Исследование эвристического приема на основе лингвистического подхода..................47

2.3. Разработка метода синтеза эвристических приемов......................................................................................................49

2.3.1. Методологические основания синтеза эвристических приемов на основе положений феноменологии....................................................................................................................................................................................................49

2.3.2. Процедуры синтеза эвристических приемов........................................................................................................................51

2.3.3. Построение метода синтеза эвристических приемов............................................................................................69

2.3.4. Модели структурированной системы метода синтеза эвристических приемов .. 72

Краткие выводы по разделу..................................................................................................................................................................................................83

ГЛАВА 3. СОЗДАНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ КОНКРЕТНЫХ МЕТОДИК СИНТЕЗА ЭВРИСТИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ....................................................................................................................................................86

3.1. Классификация объектов и процессов химической технологии..............................................................86

3.2. Создание методик синтеза эвристических приемов для концептуального проектирования химических процессов и контактных аппаратов..........................................................................................93

3.3. Верификация методики синтеза эвристических приемов для концептуального проектирования химических процессов..........................................................................................................................................................99

3.4. Верификация методики синтеза эвристических приемов для концептуального проектирования контактных аппаратов............................................................................................................................................................114

3.5. Формирование объектно-ориентированных фондов эвристических приемов для концептуального проектирования химических процессов и контактных аппаратов .... 129

Краткие выводы по разделу................................................................................................. 130

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-ПОИСКОВОЙ СИСТЕМЫ ПО ЭВРИСТИЧЕСКИМ ПРИЕМАМ.................................................................................... 132

4.1. Метод решения задач концептуального проектирования на основе использования системы «конфликт - частный эвристический прием».............................................. 132

4.2. Разработка информационно-поисковой системы на основе положений системо-логии....................................................................................................................................... 135

4.3. Архитектура информационно-поисковой системы.................................................... 140

4.4. Разработка локальных информационно-поисковых систем...................................... 148

Краткие выводы по разделу................................................................................................. 154

ГЛАВА 5. ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ПОИСКОВЫХ СИСТЕМ.......................................................................................... 156

5.1. Решение задачи поиска предложений по изменению химического процесса получения 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана........................................................................ 156

5.2. Решение задачи поиска предложений по изменению химического процесса получения мышьяка.................................................................................................................. 159

5.3. Решение задачи поиска предложений по изменению химического процесса получения фторсо держащих триметилсиланов..................................................................... 161

5.4. Решение задачи поиска предложений по изменению химического процесса получения низших олефинов................................................................................................... 163

5.5. Решение задачи поиска предложений по изменению реактора для проведения каталитических процессов................................................................................................... 165

5.6. Решение задачи поиска предложений по изменению реактора для каталитического получения бензина и дизельного топлива................................................................ 168

Краткие выводы по разделу................................................................................................. 169

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ........................... 170

Список опубликованных печатных работ.......................................................................... 172

Список использованных источников.................................................................................. 174

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Классификация параметров химического процесса, химической

реакции и механизма химической реакции........................................................................ 183

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Математические модели для химического процесса, химической

реакции и механизма химической реакции........................................................................ 187

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Классификация параметров контактного аппарата, контактной ступени и контактного устройства аппарата...................................................................... 197

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Математические модели процессов для контактного аппарата,

контактной ступени и контактного устройства аппарата................................................. 205

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Объектно-ориентированный фонд эвристических приемов для

концептуального проектирования химических процессов............................................... 225

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Объектно-ориентированный фонд эвристических приемов для

концептуального проектирования контактных аппаратов................................................ 250

ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Свидетельство об отраслевой регистрации электронного ресурса, акты апробации / внедрения результатов диссертационной работы.......................... 271

Аннотация

Работа посвящена разработке метода синтеза эвристических приемов для концептуального проектирования объектов и процессов в различных предметных областях. Впервые построены концептуальные модели понятий «эвристический прием» и «метод синтеза эвристических приемов» в виде интенсиональных семантических сетей. Описаны методологические основания процесса синтеза эвристических приемов и выделены процедуры их синтеза. Разработан метод синтеза эвристических приемов и построены его модели в виде семантических сетей знаний. Приведены конкретные методики синтеза эвристических приемов для концептуального проектирования химических процессов и контактных аппаратов и процесс их верификации. Представлены объектно-ориентированные фонды эвристических приемов для концептуального проектирования химических процессов и контактных аппаратов.

В работе рассмотрен процесс разработки оболочки информационно-поисковой системы по эвристическим приемам для концептуального проектирования систем и локальных информационно-поисковых систем, использующих созданные объектно-ориентированные фонды. Приведены примеры использования локальных информационно-поисковых систем при решении задач поиска предложений по изменению химических процессов и контактных аппаратов.

Список сокращений

АРИЗ - алгоритм решения изобретательских задач БД - база данных

ИПС - информационно-поисковая система КП - концептуальное проектирование КС - классификационная система МЗ - модуль знаний

САПР - система автоматизированного проектирования

ТРИЗ - теория решения изобретательских задач

ХТП - химико-технологический процесс

ХТС - химико-технологическая система

ЦПТ - центральная перфорированная труба

ЭП - эвристический прием

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Одним из инновационных направлений современного развития систем автоматизированного проектирования (САПР) является интеллектуализация. Интеллектуализация САПР помогает поддерживать и интенсифицировать творческую активность разработчиков новых изделий и технологий. В результате повышается качество проектируемых объектов и производительность труда проектировщиков. Особенно высока потребность в автоматизированной поддержке интеллектуализации на этапе концептуального проектирования (КП) систем, когда решения принимаются в условиях высокой неопределенности.

На этапе КП систем решаются сложные неформализованные задачи исследования и проектирования. Решение данных задач основывается на интуитивном применении инструментария когнитивных технологий. В настоящее время данные технологии необходимы при проектировании сложных систем, характеризующихся многоаспектностью происходящих в них процессов. Инструментарий когнитивных технологий использует знания о различных познавательных процессах в сфере мышления человека и при поддержке информационными технологиями позволяет их радикально интенсифицировать. В качестве инструментария могут применяться продуктивные знания, включающие различные эвристические стратегии, тактики, методы, приемы.

Существует множество эвристических методов и приемов, которые представлены в работах следующих ученых: Пушкин В.Н., Буш Г.Я., Альтшуллер Г.С., Коллер Р., Мюллер И., Мэтчетт Э., Половинкин А.И., Дворянкин A.M., Дорохов И.Н., Попов В.В. и др.

Современный период времени характеризуется широким распространением использования эвристических приемов (ЭП) в различных предметных областях. К данному инструментарию обращаются тогда, когда необходимо получить качественный, а не количественный результат. Одной из существенных особенностей ЭП является многозначность, проявляющаяся в том, что у разных субъектов в зависимости от индивидуально-психологических особенностей личности при использовании одного и того же приема получаются разные результаты. Существует несколько фондов ЭП, которые представлены в работах Альтшуллера Г.С., А.И. Половинкина, И.Н. Дорохова.

Современный этап развития общества характеризуется высоким темпом научных исследований, технических и технологических инноваций. Для создания конкурентоспособной продукции на уровне мировых стандартов требуется генерация оригинальных идей. При этом процесс проектирования должен обеспечивать получение новых решений в минимальные сроки при возрастающей сложности объектов проектирования. Это вызы-

вает необходимость проведения работ с целью синтеза новых ЭП. На основании результатов исследований литературных источников установлено, что процесс получения ЭП предположительно представляет интуитивно-направленный синтез, в котором различаются следующие операции: извлечение знаний, классификация, обобщение. Однако данный процесс не имеет строгого научного описания. Поэтому разработка метода синтеза ЭП и использование его в интеллектуальных САПР для поддержки процесса КП систем является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности концептуального проектирования систем за счет разработки метода синтеза ЭП и средств автоматизации выбора ЭП, позволяющих увеличить количество предложений по целенаправленному изменению объекта.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) провести анализ фондов ЭП и методов поиска новых решений;

2) исследовать понятия «эвристический прием» и «метод синтеза эвристических приемов»;

3) на основе системного подхода разработать метод синтеза ЭП;

4) создать и верифицировать методики синтеза ЭП;

5) сформировать фонды ЭП для концептуального проектирования объектов и процессов конкретной предметной области;

6) спроектировать и реализовать оболочку информационно-поисковой системы (ИПС) по ЭП для концептуального проектирования систем и локальные ИПС, использующие синтезированные ЭП.

Объектом исследования в диссертационной работе являются информационные объекты, интеллектуальные и когнитивные процессы при синтезе ЭП.

Предметом исследования являются концепты «эвристический прием» и метод его синтеза.

Методы исследования. При выполнении исследований и решении поставленных в работе задач использовались научные положения системного подхода, системологии, феноменологии, герменевтики, лингвистики, психолингвистики, теории графов, принципы и методы концептуального анализа систем, методы представления знаний в искусственном интеллекте, методы и средства проектирования автоматизированных систем.

Научная новизна

Впервые построены концептуальные модели понятий «эвристический прием» и «метод синтеза эвристических приемов» в виде интенсиональных семантических сетей, в узлах которых находятся понятия, а дугами являются отношения между ними.

8

I

С использованием аппаратов лингвистики, феноменологии, герменевтики, психолингвистики выделен и структурирован массив когнитивных процедур, таких как восприятие, понимание, интерпретация, конкретизация, порождение, инверсия, сопровождающих процесс синтеза ЭП.

Впервые разработан метод синтеза ЭП для концептуального проектирования объектов и процессов в различных предметных областях, характеризующийся использованием множества интеллектуальных и когнитивных процедур, реализованных на семантической сети знаний в виде ациклического ориентированного графа.

Достоверность полученных результатов. Обобщения и выводы диссертационной работы основаны на анализе теоретических данных, полученных с применением научных положений системного подхода, системологии, феноменологии, герменевтики, лингвистики, психолингвистики, методов концептуального анализа систем, методов представления знаний в искусственном интеллекте. Достоверность подтверждается результатами верификации разработанных методик синтеза на технических и технологических решениях, защищенных патентами, и использованием объектно-ориентированных фондов ЭП в учебном процессе вуза.

Практическая значимость

1. Разработан инвариантный инструментарий для синтеза новых ЭП.

2. Сформированы новые объектно-ориентированные фонды ЭП для концептуального проектирования химических процессов и контактных аппаратов.

3. Разработаны ИПС по ЭП для концептуального проектирования химических процессов и контактных аппаратов, использующие созданные объектно-ориентированные фонды.

Положения, выносимые на защиту

1. Построенные концептуальные модели понятий «эвристический прием» и «метод синтеза эвристических приемов», представленные в виде интенсиональных семантических сетей.

2. Метод синтеза ЭП для концептуального проектирования объектов и процессов, инвариантный к предметным областям.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанная ИПС по ЭП для КП

химических процессов «НітргосезБ» (ИПС «НітргосеББ») была использована в учебном процессе на химико-технологическом факультете Волгоградского государственного технического университета по дисциплине «Анализ и синтез химико-технологических систем», что подтверждается актом внедрения, и при подготовке дипломных работ и маги-

стерских диссертаций. Использование ИПС «ЬПтргосезэ» в лабораторном практикуме позволило улучшить научное методическое обеспечение учебного процесса.

Апробация работы. Основные положения диссертации представлялись на международной конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград, 2009), XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011), а также на элек�