автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка средств прогнозирования технических решений на основе иерархических моделей

Введение

Глава 1. Обзор методов и средств поддержки принятия решений при концептуальном проектировании и определение целей диссертационной 7 работы

1.1. Концептуальное проектирование. Методы поиска новых технических решений

1.2. Многокритериальные задачи принятия решений

1.3. Программные средства для принятия решений

1.4. Определение цели и задач диссертационной работы

Выводы по главе

Глава 2. Разработка иерархических моделей для прогнозирования 49 технических решений

2.1. Методы оценки элементов иерархии

2.2. Иерархический синтез приоритетов

2.3. Иерархии с различным числом и составом альтернатив под критериями

2.4. Метод попарного сравнения динамических предпочтений

2.5. Алгоритм расчета динамики приоритетов

2.6. Метод улучшения согласованности экспертных суждений

2.7. Алгоритм ранжирования альтернатив и прогнозирования динамики приоритетов на основе МАИ

Выводы по главе

Глава 3. Разработка программных средств для принятия и прогнозирования технических решений

3.1. Структура компьютерной системы

3.2. Алгоритм функционирования компьютерной системы

3.3. Описание базы данных компьютерной системы

3.4. Описание основных алгоритмов компьютерной системы

Выводы по главе

Глава 4.Решение прикладных задач принятия и прогнозирования 107 технических решений на основе иерархических моделей

4.1. Место системы поддержки принятия решений в обобщенном алгоритме синтеза новых технических решений

4.2. Анализ сходимости результатов рассмотренных методов прогнозирования

4.3. Решение прикладных задач с помощью разработанной компьютерной системы

Выводы по главе

Анализ ведущих отраслей промышленности показывает, что число различных классов технических систем удваивается в среднем раз в 10 лет; сложность изделий и технологий по числу составных элементов возрастает в 2 раза через 15 лет; объём научно-технической информации, используемой в предпроектных исследованиях, удваивается через 8 лет; время создания новых изделий уменьшается в 2 раза через 25 лет, одновременно сокращается время морального старения изделий.

Всё это приводит к необходимости создания высокоэффективных САПР. Процесс проектирования в них сокращается за счёт автоматизации таких трудоёмких процедур, как, например, подготовка технической документации, осуществление расчётов, подготовка программ для станков с ЧПУ и так далее. Процесс проектирования при этом оптимизируется за счёт конечных стадий. В настоящее время наблюдается тенденция к разработке методов и программных средств для начальных творческих этапов создания технических решений, на которых выполняется комплекс работ исследовательского характера и от которых напрямую зависит качество создаваемых изделий. Это эвристические методы поиска и генерации новых технических решений. Автоматическое генерирование множества альтернативных технических решений с помощью компьютеров требует в свою очередь разработки методов и средств для выбора наиболее приемлемых решений по множеству критериев качества. При этом характерна несводимость естественным образом множества критериев к одному интегральному.

Важной проблемой является также прогнозирование значимости альтернативных вариантов технических решений. Такой анализ позволит конструктору выбрать техническое решение, которое будет удовлетворять потребности общества не только на данный конкретный момент, но и на всём « интервале своего жизненного цикла. Информация о предпочтительности сгенерированных альтернатив по множеству критериев достаточно специфична и не всегда может быть получена в результате прямых расчетов. Конструктору в этом случае следует обратится к помощи экспертов, то есть необходимо решить задачу прогнозирования в условиях неопределенности и неполноты исходных данных. Разработка методов и средств анализа проектных решений в такой постановке является достаточно актуальной в настоящее время.

Поэтому была поставлена цель диссертационной работы - разработать модели и средства для анализа и прогнозирования в условиях неопределённости и неполноты экспертных данных на начальных этапах проектирования технических объектов. Создание на основе разработанных методов компьютерной системы поддержки принятия решений.

Научная новизна результатов диссертации заключается в следующем:

- Разработаны методы, математические и программные средства для оценки и прогнозирования технических решений в условиях неопределенности.

- Предложены методы, позволяющие обеспечить согласованность вводимой экспертами информации при использовании функциональной шкалы для повышения достоверности прогнозируемой динамики приоритетов.

- Разработаны алгоритмы ранжирования альтернатив и прогнозирования результатов процесса принятия технических решений с применением различных способов оценивания, алгоритмы статистического анализа полученных данных и построения регрессионных зависимостей.

- Разработана методика решения практических задач оценки технических объектов, принятия технических решений и прогнозирования в условиях неопределённости на начальных этапах проектирования с использованием разработанного программного обеспечения. 6

На защиту выносятся следующие положения: Методы и средства для оценки и прогнозирования технических решений в условиях неопределенности.

Методы повышения достоверности прогнозируемой динамики приоритетов, которые позволяют обеспечить согласованность вводимой экспертами информации при использовании функциональной шкалы. Методика решения задач оценки технических объектов, принятия технических решений и прогнозирования в условиях неопределённости на начальных этапах проектирования с использованием разработанного программного обеспечения.

Алгоритмы ранжирования альтернатив и прогнозирования результатов процесса принятия технических решений с применением различных способов оценивания, статистического анализа полученных данных и построения регрессионных зависимостей.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Разработаны методы и средства для оценки и прогнозирования результатов процесса принятия технических решений в условиях неопределенности.

Проведены исследования по оценке воздействия согласованности экспертной информации на результаты принятия решений и прогнозирования и разработаны методы, позволяющие обеспечить согласованность вводимой экспертами информации при использовании динамических суждений для повышения достоверности прогнозируемой динамики приоритетов. Разработаны программные средства, объединяющие в себе математические средства для принятия решений и прогнозирования, удобные в эксплуатации конструктором (ЛИР). Для этого в рамках одной программной системы объединены удобный пользовательский интерфейс, математическое ядро, обеспечивающее оценку, принятие и прогнозирование технических решений, база данных по уже принятым решениям, критериям оценки, альтернативам и алгоритмы статистического анализа для построения зависимостей.

Разработаны алгоритмы решения статических и динамических задач с применением различных способов оценивания, алгоритмы статистического анализа полученных данных и построения регрессионных зависимостей.

Разработана методика решения с помощью созданной компьютерной системы практических задач оценки технических объектов, принятия технических решений и прогнозирования в условиях неопределенности на начальных этапах проектирования.

1. Автоматизация поискового конструирования: (искусственный интеллект в машинном проектировании) / Под ред. А. И. Половинкина. М.: Радио и связь, 1981.- 344 с.

2. Айзерман М.А., Вольский В.И., Литваков Б.М. Элементы теории выбора. Псевдокритерии и псевдокритериальный выбор. М.: Нефтяник, 1994. - 216 с.

3. Альтшуллер Г.С. Алгоритм изобретения. М.: Московский рабочий, 1973. -296с.

4. Альтшуллер Г.С. Творчество как точная наука. М.: Советское радио, 1979. -216с.

5. Альтшуллер Г.С. Найти идею: Введение в теорию решения изобретательских задач. Новосибирск: Наука, 1985. - 196 с.

6. Андрейчиков А.В. Автоматизированные информационные системы для синтеза новых механизмов. Автореф. дис. . докт. техн. наук./ СПИИРАН. -С.Петербург, 1994. 310 с.

7. Андрейчиков A.B. Компьютерное моделирование творческих процедур синтеза принципиально новых механизмов// Проблемы машиностроения и автоматизации, 1995, № 1-2, с. 12-24.

8. Андрейчиков A.B. Новые информационные технологии для синтеза конкурентоспособной техники (подходы, методы, модели, алгоритмы и компьютерные средства): Учеб. пособие/ ВолгГТУ, Волгоград, 1996.- 172 с.

9. Андрейчиков A.B., Андрейчикова О.Н., Компьютерная поддержка изобретательства (методы, системы, примеры применения).- М.: Машиностроение, 1998.-476с.: ил.

10. Андрейчиков A.B., Гришин В.А., Камаев В.А. Автоматизированное конструирование пневматических виброзащитных систем// Машиноведение, 1987, №2, с. 3-9.

11. Андрейчиков A.B., Декатов Д.Е. Математические модели синтеза оригинальных и типовых механизмов. //Известия вузов, Машиностроение № 7, 1995, с.3-5.

12. Андрейчиков A.B., Камаев В.А., Андрейчикова О.Н. Морфологические методы исследования новых технических решений: Учеб. пособие/ ВолгГТУ, Волгоград, 1994.- 160 с.

13. Андрейчикова О.Н. Интеллектуальные системы для поддержки процессов принятия решений: Учеб. пособие /ВолгГТУ, Волгоград, 1996. 93 с.

14. Андрейчикова О.Н., Кащеев А.П., Терелянский П.В. Система автоматизированного прогнозирования динамики приоритетов (в приложении к трубной промышленности) //Известия ВУЗов. Машиностроение, № 4, 1999. -с.62-68

15. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике. Справочное пособие. В 7 томах. 2-е изд., переработанное.- М.: Наука, 1979.- 560 с.

16. Бахмудов Р. М.-Р. Разработка автоматизированной системы оценки и систематизации класса виброзащитных систем: Дисс. . канд. техн. наук./ ВолгГТУ, Волгоград, 1998. 175 с.

17. Белкин А.Р., Левин М.Ш. Принятие решений: комбинаторные модели аппроксимации информации.- М.: Наука. Гл. ред. физ.- мат. лит., 1990.- 160 с.

18. Беллман Р., Заде JI. Принятие решений в расплывчатых условиях// Вопросы анализа и процедуры принятия решений: Пер. с англ.- М.: Мир, 1976.- с. 172175.

19. Березовский Б.А., Барышников Ю.М., Борзенко В.И., Кемпнер JIM. Многокритериальная оптимизация: математические аспекты. -М.: Наука, 1989. -230 с.

20. Богласов Ю.П. Вычислительная математика и программирование: Учеб. пособие для студентов втузов. -М.: Высш. шк., 1990. -544 е.: ил.

21. Борзенко В.И., Трахтенгерц Э.И., Шершаков В.М. Аппроксимационная многокритериальная оптимизация// АиТ, №9, 1986, с. 152-162.

22. Борисов А.Н. Методическое обеспечение технологии принятия решений. Системы обработки знаний в автоматизированном проектировании. Рига: Риж. техн. ун-т. 1992. с. 12-15.

23. Борисов А.Н., Виллюмс Э.Р., Сукур Л .Я. Диалоговые системы принятия решений на базе мини-ЭВМ.- Рига: Зинатне, 1986.- 195 с.

24. Борисов А.Н., Крумберг O.A., Федоров И.П. Принятие решений на основе нечетких моделей.- Рига: Зинатне, 1990.- 184 с.

25. Бурков В.Н., Новиков В.А. Введение в теорию активных систем. -М.: Институт проблем управления. 1996.

26. Бурков В.Н., Еналеев А.К., Новиков В.А. Механизмы функционирования социально-экономических систем с сообщением информации//АиТ №3, 1996, с. 3-25.

27. Бусленко Н.П., Калашников В.В. Коваленко И.Н. Лекции по теории сложных систем.-М.:Сов. радио, 1973.-440с.

28. Венцель Е.С. Исследование операций. Задачи, принципы, методология. -М.: Наука, 1988.-226 с.

29. Вильюмс Э.Р., Слядзь H.H., Борисов А.Н. Программная система поддержки принятия решений. //Программные продукты и системы, 1989. N 4, с.70-77.

30. Волкович B.JI., Горчинский А.П. Построение переговорного множества и принятие сложного решения на заданном множестве вариантов. Киев: Институт кибернетики АН УССР, 1971. - (Препринт 71-30.).

31. Глазунов В.Н. Параметрический метод разрешения противоречий в технике (методы анализа проблем и поиска решений в технике). -М.: Речной транспорт, 1990.-112 с.

32. Глинский В.В., Ионин В.Г. Статистический анализ: Учеб. пособие. Издание 2-е, переработанное и дополненное. -М.: Информационно-издательский дом "Филинъ", 1998.-264 с.

33. Дворянкин A.M., Половинкин А.И., Соболев А.Н. Об автоматизации поиска принципов действия технических систем на основе банка данных физических явлений. Кибернетика, 1978, № 1, с. 80-86.

34. Декатов Д.Е. Разработка комплекса моделей и средств концептуального проектирования виброзащитных систем: Дисс. . канд. техн. наук./ ВолгГТУ, Волгоград, 1997. 144 с.

35. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке бейсик для персональных ЭВМ. -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. -240 с.

36. Заде Л. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближённых решений: Пер. с англ. -М.: Мир, 1976. -165с.

37. Исследование операций в экономике: Учеб. пособие для ВУЗов/ Н.Ш. Кремер, Б.А. Путко, М.Н. Фридман; Под ред. проф. Н.Ш. Кремера. М.: Банки и биржи, ЮНИТИ, 1997.-407 с.

38. Капустян В.М., Махотенко Ю.А. Конструктору о конструировании атомной техники. Системно-морфологический подход в конструировании. -М.: Атомиздат, 1981,190с.

39. Капустян В.М., Махотенко Ю.А. Пояса альтернатив как иерархические уровни выбора в задачах конструирования. Кибернетика, 1977, № 4, с. 7-13.

40. Кини Р.Л., Райфа X. Принятие решений при многих критериях: предпочтения и замещения: Пер. с англ./ Под ред. Шахова И.Р. М.: Радио и связь, 1981.-560 с.

41. Колмероэ А., Канун А., ван Канегем М. Пролог теоретические основы и современное развитие. -В сб.: Логическое программирование. -М.: Мир, 1988, с.27-133.

42. Кофман А. Введение в теорию нечетких множеств: Пер. с англ. -М.: Радио и связь, 1982.-432 с.

43. Кузьмин В.Б., Травкин С.И. Теория нечётких множеств в задачах управления и принципах устройства нечётких процессоров //АиТ -1992. -№11. -с.7-36.

44. Игнатьев М.М. Проблема '1420 //Волжский трубник. 2000. -№10. -с. 8.

45. Информационно-аналитическая система "ОЦЕНКА И ВЫБОР" // СОФТЕЛЬ: Сто компьютерных программ для бизнеса (каталог 1997-98) . М.: Хамтек Паблишер, 1997. с. 156-165.

46. Информационно-аналитические технологии и выбор решений// Банковские технологии. 1997. - № 4. - с. 24-27.

47. Ларичев О.И, Объективные модели и субъективные решения. -М.гНаука, 1987. -144 с.

48. Лисичкин В.А., Голынкер Е.И. Принятие решений на основе прогнозирования в условиях АСУ. М.: Финансы и статистика, 1981.- 50 с.

49. Логический подход к искусственному интеллекту: от классической логики к логическому программированию: Пер. с франц./Тейз А., Грибмон П., Луи Ж. И др. -М.: Мир, 1990. 432с.

50. Львовский E.H. Статистические методы построения эмпирических формул: Учеб. пособие для втузов. -2-е изд., перераб. и доп. -М.: Высш. шк., 1988.- 239с.

51. Макеев С.П., Шахнов И.Ф. Упорядочение объектов в иерархических системах //Известия АН СССР, Техническая кибернетика, 1991, №3. С. 29-46.

52. Масалович А.И. От нейрона к нейрокомпьютеру //Журнал доктора Добба -1992-N 1-с. 20-23.

53. Математическое моделирование технических объектов и технологий в нечетких ситуациях: Учеб. пособие /Б.Х. Санжапов, В.А.Камаев; Волгоград, политехи, ин-т Волгоград; 1989. -72 с.

54. Методы поиска новых технических решений /Под ред. А.И. Половинкина. -Йошкар-Ола: Маркнигоиздат, 1976. 192 с.

55. Минский М., ПейпертС. Персептроны. -М.: МИР, 1971. -261 с.

56. Морфологические методы исследования новых технических решений:Учеб. пособие/А.В.Андрейчиков, В.А. Камаев, О.Н. Андрейчикова; Волгоград, гос. техн. ун-т, Волгоград, 1994.-160 с.

57. Мудров А.Е. Численные методы для ПВЭМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. Томск: МП'Таско", 1991. - 272 с.

58. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта /Под ред. Д.А. Поспелова. -М.: Наука. Гл. ред физ.-мат. Лит., 1986. -312 с.

59. Нечеткие множества и теория возможностей. Последние достижения: Пер. с анг. /Под ред. Ягера P.P. -М.: Радио и связь, 1986. -408 с.

60. Одрин В.М. Морфологический синтез систем: постановка, классификация методов, морфологические методы "конструирования" /Препринт АН УССР. Ин-т кибернетики, 86-3. Киев, 1986.- 37 с.

61. Одрин В.М. Метод морфологического анализа технических систем. М.: ВНИИПИ, 1989.- 312 с.

62. Одрин В.М., Картавов С.С. Морфологический анализ систем. Киев: Наукова думка, 1977. - 83 с.

63. Одрин В.М., Картавов С.С. Некоторые итоги и перспективы развития морфологического анализа систем. Киев: институт кибернетики АН УССР, 1973. - 83 с. - (Препринт 73-62).

64. Подиновский В.В., Ногин В. Д. Парето-оптимальные решения многокритериальных задач. -М.: Наука, 1982. -256 с.

65. Орловский С.А. Проблемы принятия решений при нечетной исходной информации. М.: Наука., 1981. - 206 е., ил.

66. Острейковский В.А. Теоретико-множественое и динамическое описание систем: Конспект лекций по курсу "Основы теории систем".-Обнинск: Обнинский институт атомной энергетики, 1987.-102с.

67. Пашков Н.Г. Как реализовать потенциал завода? //Повышение надежности труб большого диаметра магистральных газопроводов: Материалы конференции. -Волжский, 1998.-с.32-34.

68. Половинкин А.И. Законы строения и развития техники / Учеб. пособие. Волгоград: ВолгПИ, 1985.- 202 с.

69. Половинкин А.И. Метод оптимального проектирования с автоматическим поиском схем и структур. Научи труда / ЦНИИС, 1970, выл. 34, с. 162.

70. Половинкин А.И. Методические рекомендации по составлению алгоритмов решения на вычислительных машинах конструкторско-изобретательских задач. Автоматика, 1969, № 3, с. 66-81.

71. Половинкин А.И. Основы инженерного творчества: Учеб. пособие для студентов втузов. М.: Машиностроение, 1988.- 368 с.

72. Половинкин А.И. Теория проектирования новой техники: закономерности техники и их применение. М.: Информэлектро. 1991. 104 е.: илл.

73. Половинкин А.И., Соболев А.Н. Автоматизация синтеза принципов действия технических систем на основе банка данных по физическим эффектам. ДАН СССР, 1979, т. 246, №3, с. 557-560.

74. Поспелов Д.А. Моделирование рассуждений. Опыт анализа мыслительных актов. -М.: Радио и связь, 1989. 184 с.

75. Поспелов Д.А. Фантазия или наука: на пути к искусственному интеллекту. -М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1982. -224 с.

76. Пиявский С.А. Численные методы принятия проектных решений в системах автоматизированного проектирования. Куйбышев: Куйбышевск. гос. ун-т, 1986.- 92 с.

77. Райфа Г. Анализ решений (введение в проблему выбора в условиях неопределенности): Пер. с англ. -М.: Гл. ред. физ.-мат. лит., 1977. -408 с.

78. Ракитин В.И., Первушин В.Е. Практическое руководство по методам вычислений с приложением программ для персональных компьютеров: Учеб. пособие. -М.: Высшая школа, 1998. 383 е.: ил.

79. Розенблат Ф. Принципы нейродинамики. -М.: МИР, 1965.

80. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий /Пер. с англ.- М.:Радио и связь. 1993.-316с.

81. Саати Т., Керне К. Аналитическое планирование. Организация систем /Пер. с англ.- М.:Радио и связь. 1991.

82. Садыков В.В. Взаимопонимание с потребителем ключ к успеху //Повышение надежности труб большого диаметра магистральных газопроводов: Материалы конференции.-Волжский, 1998.-с.6-7.

83. Санжапов Б.Х. Математическое моделирование изделий и технологий: Учеб. пособие /Волгоград, политехи, ин-т. Волгоград, 1990, 100 с.

84. Силов В.Б. Принятие стратегических решений в нечёткой обстановке. М.: ИНПРО-РЕС. 1995.

85. Статистические модели и многокритериальные задачи принятия решений: Сб. статей / Сост. и научн. ред. И.Ф.Шахнов. -М.: Статистика, 1979.- 184 с.

86. Статические и динамические экспертные системы: Учеб. пособие/ Э.В. Попов, И.Б. Фоминых, Е.Б. Кисель, М.Д. Шапот.- М.: Финансы и статистика, 1996. -320с.

87. Стерлинг Л., Шапиро Э. Искусство программирования на языке Пролог. -М.: Мир, 1989.

88. Стецюра Г.Г. Генетический алгоритм для обратной задачи метода анализа иерархий/ Международная конференция по проблемам управления (29 июня-2 июля 1999 года).: Тез. докл. В трёх томах. Т.2. -М.:Фонд "Проблемы управления", 1999.-с.340-341.

89. Стратегическое планирование/ Под ред. Уткина Э.А. М.: Ассоциация авторов и издателей "ТАНДЕМ". Издательство ЭКМОС, 1998. -^40 с.

90. Танака К. Итоги рассмотрения факторов неопределённости и неясности в инженерном искусстве.//В сб.: Нечёткие множества и теория возможностей. Под ред. Ягера Р.Я. -М.: Радио и связь, 1986, с.37-50.

91. Н. Теория прогнозирования и принятия решений/ Под ред. С.А.Саркисяна.-М.: Высшая школа, 1977.-351с.

92. Трахтенгерц Э.А. Компьютерный анализ в динамике принятия решений// Приборы и системы управления. №1, 1997. -с.49-56.

93. Трахтенгерц Э.А. Компьютерная поддержка принятия решений: Научно-практическое издание. Серия "Информатизация России на пороге XXI века". -М.: СИНТЕГ, 1998-376с.

94. Трахтенгерц Э.А. Принятие решений на основе компьютерного анализа. -М.: Институт проблем управления, 1996. -372 с.

95. Турчак Л.И. Основы численных методов: Учеб. пособие. -М.: Наука. Гл. ред. из.-мат. лит., 1987 -320 с.

96. Функциональный и социально-экономический анализ систем: Учеб. пособие /А.В.Андрейчиков, О.Н. Андрейчикова; Волгоград, гос.техн. ун-т, Волгоград, 1995.-128.

97. Ханзен Ф. Основы общей методики конструирования: Пер. с нем. Л.: Машиностроение, 1969. - 166 с.

98. Хомский Н. О некоторых формальных свойствах грамматик. -В сб.: Кибернетический сборник, вып. 5, -М.: Иностранная литература, 1962, с.279-311.

99. Hansen F. Konstruktionswissenschaft-Grundlagen und Kethoden.- Berlin: VEB Verlag Technik, 1976.-165 S.

100. Koller R. Eine algorithmisch physikalisch orientierte Konstruktionsmethodik. T.l, Aufgabenanalyse. - VDI-Z., 1973, N2.

101. Koller R. Eine algorithmisch-physikalisch orientierte Konstruktionsmethodik. T.2. Qualitatives Konstruieren.-VDI-Z, 1973, N4, s.309-317.

102. Koller R. Konstruktionsmethode fur den Maschinen-, Gerate-und Apparatebau. Berlin: Springer-Verlag, 1979.-191 s.

103. Roth E., Franke H., Simolek R., Algorithmisches Auswahlverfahren zur Konstruktion mit Katalogen. Feinwerktechnik, 1971,N75,S. 337-345.

104. Roth K. Aufbau und Handhabung von Konstruktion als Wissen- schaft, Forschung hilft Praxis. VDI-Berichte, 1974, N219, S.35-40.

105. Saaty T.L. Exploring the interface between hierarchical structures// Fuzzy Sets and Systems, vol. 1,№1, 1978, pp.57-68.

106. Saaty T. L. The Analytic Hierarchy Process. Mc.Graw-Hill,1980, 267 p.

107. Zadeh L.A. Fuzzu sets// Information and Control, №8, 1965, pp. 338-353.

108. Zwicky F. The morphological approach to discovery , invention research and construction. In: Zwicky F., Welson A.Y., New methods of thought and procedure. Berlin, Springer, 1997, p.78