автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Семантический поиск на этапе структурного синтеза в САПР

ргб од

академия на/к Беларуси

институт технической кибернетики

УДК 801. 541. 2 + 658. 512. 22

БОШ ИГОРЬ МИХАЙЛОВИЧ

СЕМАНТИЧЕСКИЙ ПОИСК НА ЭТАПЕ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА В САПР

Специальность 05.13.12 "Системы автоматизации проектирования"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск — 1995

Работа выполнена в Шнеком государственном лингвистическом университете

Научный Руководитель доктор филологических наук, профессор Мартынов Виктор Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор,

Совпель Игорь Васильевич кандидат технических наук

Голенков Владимир Васильевич

Оппонирующая организация — Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

Защта состоится " 14" декабря 1995г. в 14.30 на заседании совета по защите диссертаций Д 006. 24.01 при Институте технической кибернетики Академии наук Беларуси, г. Минск, ул. Сурганова 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института технической кибернетики Академии наук Беларуси.

Автореферат разослан ноября 1995г.

Ученый секретарь те диссертаций

Е П. Бибило

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш диссертации.

Данное исследование актуально, поскольку построение баз знаний и автоматизация на их основе поиска инженерно-технических решений -- одна из наиболее острых проблем САПР. Назрела необходимость строить семантические базы знаний. В этом случае можно говорить о построении интеллектуальных систем автоматизированного проектирования инженерно-технических решений, с помощью которых на этапе структурного синтеза разрешаются такие проблемы, как:

- правильная постановка технической задачи;

- обеспечение полноты охвата области возможных решений задачи на абстрактном уровне, в частности, для поиска решений по аналогии;

- формализация процедур поиска инженерно-технических решений.

Процедуры структурного синтеза относятся к наиболее труд-ноформализуемым в процессе проектирования. В то же время дальнейшее повышение степени автоматизации проектирования зависит в первую очередь от успехов в разработке методов и алгоритмов структурного синтеза.

Одной из важнейших процедур проектирования структурного синтеза является поиск инженерно-технических решений, выполняемый на ранних стадиях проектирования, обычно на стадиях научно-исследовательских работ (НИР).

В зависимости от возможностей формализации задачи синтеза делятся на несколько уровней сложности. Нас интересуют уровни, представляющие наибольшие трудности, такие как:

1) задачи поиска вариантов решения при известных принципах действия;

2) задачи поиска новых принципов действия технических объектов.

Решая такого рода задачи, нужно всегда помнить, что правильная постановка инженерной задачи -- это половина ее решения. Нередки случаи, когда решение задачи находят в процессе ее постановки.

Задачи поиска и выбора проектно-конструкторских решений имеют одно очень важное свойство. С повышением уровня абстрак-

ции решение задачи дает больший экономический эффект, вызывает более заметный технический прогресс в данной области и обеспечивает разработку изделий с большим сроком морального старения. Так, например, решение задачи по выбору параметров технического объекта и его элементов обычно улучшает интересующие технико-экономические показатели изделий на 10-15%, решение задачи выбора варианта технического решения из очень большого их числа -- на 20-30%, а поиск принципов технического решения на 30-50% (иногда в несколько раз).

Возможности формалиеации процедур структурного синтеза очень ограничены. Поэтому основной практический подход к решению задач структурного синтеза б современных САПР - использование типовых приемов синтеза в диалоговой работе с ЭВМ.

Задачи поиска инзкенерно-техничееких решений считаются изобретательскими.

Для решения изобретательских задач все большее развитие получают экспертные системы, построенные на знаниях высококвалифицированных специалистов в соответствующих предметных областях. Из этих знаний формируют базы знаний (БЗ), которые используют при решении поставленной задачи.

Построение БЗ -- слолшый трудоемкий процесс, по существу определяющий эффективность функционирования системы. Формализация предметной области САПР фиксируется в словаре понятий, который описывает объекты САПР, определяет их семантическое значение и представление в системе.

Программное обеспечение экспертных систем служит для генерации вариантов структуры, т. е. вариантов решения и для связи пользователя с системой в режиме диалога.

Методы автоматизированной генерации решений повышают интеллектуальные возможности проектировщика.

Фактически, экспертная система - это интеллектуальная система (ИС), в которой формирование базы знаний зависит от выбираемой модели представления знаний , .(ИЗ).

Выбор надлежащего способа ПЗ позволяет избежать усложнений при разработке интеллектуальных систем автоматизированного поиска технических решений. Однако современные способы представления лишены возможности удовлетворить потребности разработчиков баз знаний интеллектуальных систем, поскольку по существу построены без учета семантики языка проектировщика.

Семантическое построение БЗ неосуществимо без использования соответствующего инструментального средства. В качестве такового предлагается Универсальный семантический код (УСК), превосходящий по своим возможностям известные на сегодняшний день модели ПЗ и удовлетворяющий основным к ним требованиям.

В компьютерных интеллектуальных системах для описания условий технических задач, с целью поиска алгоритма перехода от исходной ситуации к целевой (т.е. поиска решения) необходимо оперировать строго структурированными единицами представления знаний. Таковыми являются формулы УСК, имеющие единственный смысл, строго заданную длину и ограниченный набор переменных, требугоший его наполнения конкретными значениями. Непроизвольные наборы формул УСК определяют алгоритмы перехода, т.е. варианты решения технической задачи.

В связи с этим в диссертации средством построения семантической базы знаний служит УСК. На основе семантически структурированной БЗ строится метод семантический поиска инженерно-технических решений. Предлагаются способы решение проблем, связанных с поиском инженерно-технических решений на этапе структурного синтеза в САПР.

Связь работы с крупными маучньми программами, темами.

Диссертация связана с работой в соответствии с республиканской программой "Информатика" по теме 03. 01.06.03. "Разработать проблемно-независимый естественноязыковой интеллектуальный интерфейс с использованием семантического кодирования, графового языка логического программирования, речевого ввода-вывода. Семантическое кодирование. "

Цель и задачи исследования.

Основная цель исследования заключается в разработке метода семантического поиска инженерно-технических решений на основе семантически структурированной средствами УСК базы знаний с дальнейшей реализацией метода в виде компьютерной системы семантического поиска, упрощающей, ускоряющей и обеспечивающей полноту поискового процесса на этапе структурного синтеза в САПР.

В задачи исследования входило:

- семантическая корректировка формулировки целевой технической функции при постановке технической задачи;

- установление семантических зависимостей в очередности

применения технических функций для получения инженерно-технических решений в САПР;

- построение последовательностей семантических формул технических функций в виде семантического графа;

- разработка семантического графа технических функций как основы для построения семантически структурированной базы знаний;

- разработка пакета прикладных программ семантического поиска шшенерно-технических решений на этапе структурного синтеза в САПР с целью упрощения, ускорения и обеспечения полноты поискового процесса при решении технической задачи.

Научная новизна полученных результатов.

Впервые построена семантически структурированная средствами УСК база знаний в виде семантического графа и разработан семантический метод поиска инженерно-технических решений, а также реализована компьютерная семантическая система поиска инженерно-технических решений, позволяющая упростить, ускорить и обеспечить полноту поискового процесса на этапе структурного синтеза в САПР.

Это позволяет считать семантическую систему структурного синтеза инженерно-технических решений, построенную на основе семантического метода, более эффективной, чем традиционные системы, построенные на основе эвристик.

Компьютерная семантическая система представляется наиболее перспективной в практическом приложении, по сравнению с существующими пакетами программ, реализующими традиционные методы поиска инженерно-технических решений.

Практическая значимость полученных результатов.

Результаты проведенных исследований непосредственно использованы в пакете прикладных программ семантического поиска инженерно-технических решений, который прошел практическую проверку и внедрен в Научно-исследовательской лаборатории Изобретающих машин (НЙЛИМ).

Данный пакет после соответствующей адаптации рекомендуется использовать на предприятиях, сталкивающихся с проблемами поиска инженерно-технических решений.

Диссертация также может служить:

1) материалом для проведения учебных занятий по семантическому поиску инженерно-технических решений;

2) основой для построения семейства компьютерных систем семантического поиска инженерно-технических решений в САПР;

3) средством формирования собственного классификатора патентов Республики Беларусь, где ключевыми понятиями должны являться технические функции.

Экономическая значимость полученных результатов.

Пакет прикладных программ, реализующий семантический метод поиска инженерно-технических решений может быть доведен до промышленного образца и использован в качестве интеллектуального коммерческого продукта для широкого распространения среди заинтересованных потребителей.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- постановка технической задачи семантическими средствами обеспечивает корректность формулировки целевой технической функции;

- технические функции технических процессов, разрабатываемых в САПР, семантически строго скоррелированы между собой посредством УСК-формул;

- единичной технической функции может предшествовать или за ней может следовать одна либо несколько технических функций, количество которых жестко ограничено;

- каждая совокупность семантически скоррелированных УСК-формул технических функций является способом решения некоторой инженерно-технической задачи;

- семантический метод поиска инженерно-технических решений, построенный на базе семантически скоррелированных УСК-формул технических функций упрощает, ускоряет и обеспечивает полноту охвата области возможных решений семантически корректно поставленной задачи эффективнее, чем традиционные методы, построенные на базе эвристик.

Личный вклад соискателя.

Семантический граф и построенный на его основе семантический метод поиска инженерно-технических решений полностью разработаны автором диссертации. Работы в соавторстве касаются теоретических проблем представления знаний при построении компьютерных интеллектуальных систем.

Апробация работы.

Диссертация обсуждалась на заседаниях и семинарах Научно-исследовательского центра "Семантика" Минского государственно-

го лингвистического университета.

Результаты исследований, включенные в диссертацию докладывались на Всесоюзных научно-практических конференциях: "Проблемы развития научного и технического творчества трудящихся" (Тбилиси, 1987), "Методологические проблемы научно-технического творчества" (Рига,1988), "Искусственный интеллект в автоматизированном управлении технологическими процессами" (Москва, 1989), на конференции "Диалог "Человек - ЭВМ" (Свердловск. 1989), на Всесоюзном научно-техническом совещании "Программное обеспечение новой информационной технологии" (Калинин, 1989), на международном симпозиуме "ИНФ089" (Минек,1989), на Всесоюзном семинаре "Формы представления знаний и творческое мышление" (Новосибирск, 1989), на Всесоюзной конференции "Интеллектуальные системы и творчество" (Новосибирск, 1990), на 2-ой Всесоюзной конференции "Искусственный интеллект" (Минск, 1990), на 2-ом и 3-ем научных семинарах по проекту "Изобретающая машина" (Минск, 1991, 1992).

Опубдиковалность результатов.

Результаты диссертации опубликованы в виде двух статей в научных журналах и в виде тезисов к 11-ти научным конференциям.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 118 страницах включая введение, четыре главы, список использованных источников и приложения. Приложения включают таблицы последовательностей семантических формул технических функций (29 страниц) и акт о внедрении результатов работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении дан обзор работ, рассматривающих поиск инженерно-технических решений на этапе структурного синтеза в САПР, а такэке работ выполненных в области представления знаний для построения баз знаний интеллектуальных систем, в том числе интеллектуальных САПР. Показана актуальность автоматизации проектирования инженерно-технических решений семантическими средствами.

В первой главе диссертации приводится анализ наиболее распространенных методик проектирования инженерно-технических решений. Показано, что они не учитывают семантику языка проектировщика. Для понимания проведенных исследований излагаются основы УСК

Проанализированы следующие методы проектирования:

1. Мозговая атака. Цель метода — стимулировать группу лиц к быстрому генерированию большого количества идей.

2. Синектика. Цель метода ~ направить спонтанную деятельность мозга и нервной системы на исследование и преобразование проектной проблемы.

3. Морфологические таблицы. Цель метода -- расширить область поиска решений проектной проблемы.

4. Алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ). Цель метода -- анализ и решение изобретательских задач на основе законов развития технических систем.

5. Правила преобразований. Цель метода -- найти новые направления поиска посредством классификационных схем, если очевидная область поиска не дала приемлемого решения.

Использованные правила преобразований в наибольшей степени (по сравнению с предыдущими методами) учитывает семантику определяемых функций. Попытки использования семантического подхода при постановке задачи позволяют выявить целый ряд возможных решений. Правда, сам по себе ход решения уж не носит семантического характера, т.к. используемые классификационные схемы построены на чистой интуиции и не подтверждаются формальными средствами.

Необходимость исследования определяется актуальностью решения проблем, возникающих на начальных стадиях проектирования в САПР. Теоретической основой для решения таковых выбран Универсальный семантический код. Его использование позволяет установить и избежать трудностей, которые возникают при постановке и решении технической задачи.

С помощью УСК можно корректно провести семантический анализ целевой функции, при необходимости переопределить ее и затем выявить отношения между субъектами и объектами действия. При этом формула УСК и задает отношения, в которые вступают субъекты и объекты действия.

Формулы УСК построены в соответствии с его алгеброй вида < А, * , - >, где А есть некоторое множество элементов; [*] - есть бинарная функция на А (операция совмещения); [-] -есть унарная функция на А (операция дополнения).

Формулы УСК записываются в ХУ-нотации. Минимальная формула с заданной на ней бинарной операцией совмещения записывает-

ся как Х*У. Минимальная формула с заданной на ее последнем элементе унарной операцией дополнения записывается как Х*У.

При записи расширенных формул учитывается комбинаторика двух операций, что может записываться как ((Х*У)*г) или как (Х*(у*г)) и т.д.

Основной единицей представления знаний в УСК является сложная формула, представляющая взаимодействие простых (минимальных и расширенных). Семантические отношения в сложных формулах представляются, например как:

— X посредством У воздействует на 1 в результате 2 посредством У воздействует на V/; ((Х*У)*г)*(2*(У*2)) -- X посредством У воздействует на г в результате X дердат У в себе. Т. е. сложная формула отражает ситуацию: стимул --> реакция.

Каждой сложной формуле УСК соответствует один и только один смысл и каждому регулярному преобразованию формулы УСК в другую его формулу одно и только одно преобразование смысла. Правила, согласно которым осуществляется преобразование смысла, заключены в аксиомах алгебры УСК.

УСК позволяет структурировать базу данных, превращая ее в базу знаний, вложить семантику в формализмы представления или построить формальную семантическую систему. Последовательности формул УСК могут быть погружена в соответствующие информационные носители (сети, списки).

Технической функцией (ТФ) будем называть единицу действия, определяющую отношения мевду ограниченным количеством субъектов и объектов действия (т.е. аргументами ТФ).

УСК-индекс -- это перечень технических функций, а также их УСК-формул расклассифицированных определенным образом. Он состоит из двух основных частей. Б первой представлены физические формулы УСК, во второй -- информационные.

Такое разделение было проведено по предложению автора настоящего диссертационного исследования. Обусловлено это тем, что по существу в жизни мы оперируем только двумя типами объектов; физическими и информационными.

Физическими объектами являются материальные объекты, а также физические поля.

Информационными объектами являются нематериальные объекты. Таковыми являются параметры, представляющие собой величины, характеризующие свойства материальных объектов или процес-

сов. Сам по себе процесс с точки зрения УСК, не может являться объектом какого-либо вида.

Физические и информационные формулы УСК различаются по последнему элементу леЕой части сложной формулы и первому элементу правой ее части.

Т.о. формула ТФ 'вводит' —> ((Х*У) *2) *( (2*2) *Ю - является физической, а формула ТФ 'контролирует' --> ((Х*У)*Х)*(Х*(Х*2)) - является информационной.

Сложные формулы с несовпадающими последними элементами левой части и первыми правой с позиций УСК считаются противоречивыми, а потому запрещены и не используются.

Во второй главе изложена содержательная постановка задачи выбора корректной формулировки целевой технической функции. Рассмотрены наиболее существенные факторы, влияющие на этот процесс и показано его отражение в виде формул УСК.

Каждое изобретение имеет своей задачей достижение некоторой цели. В описании изобретения к авторскому свидетельству формулируется его цель. По существу формулировка описывает достигаемую целевую функцию в виде одной целевой технической функции, либо связки технических функций, только одна из которых является целевой.

Т. о. целевой функцией будем считать функцию, которую проектировщик стремится реализовать как конечную цель.

Разберем на примере, как решается проблема постановки технической задачи средствами УСК.

Пример. Описание а. с. 783154 — способ транспортирования пульпы по трубопроводу. "Цель изобретения -- снижение износа трубопровода. Цель достигается тем, что наружную стенку трубопровода охлаждают до образования на внутренней его поверхности слоя замороженной пульпы.

Способ осуществляется следующим образом.

Пульпу подают в трубопровод и перемещают по нему. Хладагент, отбирая тепло от стенок трубопровода и прилегающих к нему слоев протекающей по трубопроводу пульпы, охлаждает ее и намораживает защитный слой. Этот слой имеет максимальную толщину в нишей части трубопровода, которая подвержена наибольшему износу. При намораживании слоя определенной толщины холодильный агрегат отключается.

На трубопроводе устанавливается датчик, сигнализирующий о

степени износа защитного слоя из замороженной пульпы. При износе слоя до определенной величины холодильный агрегат повторно включается и производит дополнительное подмораживание защитного слоя."

Кажется очевидным, что в данном случае цель изобретения определяется единственной ТФ 'снижает'. Проанализируем с позиций УСК, что означает эта ТФ. Находим ее в УСК-индексе и определяем как отсылочную к основной ТФ ' опускает'. Это связано с тем, что обе ТФ, на самом деле, определяют лишь изменение расположения объекта в пространстве. Подставляем полученную ТФ вместо первоначальной в цель изобретения. Получаем цель изобретения -- опустить износ трубопровода. Понятно, что такая формулировка не имеет смысла. Лишь за счет того, что в обиходе, как правило, не понимают или путают действительную семантику используемых ТФ, применение ТФ 'снизить', в рассматриваемой ситуации кажется верным.

Система УСК оперирует с конкретными объектами, т. е. вмес• то переменных подставляются не абстрактные понятия или названия процессов, а вполне конкретные значения.

Поэтому рассуждая далее, приходим к выводу, что высказывание 'снизить износ' вообще не приемлемо, поскольку понятие 'износ' не описывает ни материальный носитель, ни физический параметр, а отражает процесс изнашивания.

Действительной целью изобретения является зашита стенок трубопровода от нежелательного воздействия. Т.е. цель изобретения должна определяться ТФ ' защищает'.

Значит вся последовательность функций для достижения цели 'защищает', в рассматриваемом авторском свидетельстве, выглядит как следуюшэя последовательность: перемещает --> отбирает —> охлаждает --> намораживает —> защищает. При этом целевая функция 'защищает* имеет следующую УСК интерпретацию:

'защищает' --> ((Х*У)*Т)*(Ъ*2) --> 'кто/что X посредством чего У защищает что г?' Где: X - охлаждаемая часть трубопровода;

У = замерзшая пульпа;

2 = внутренняя поверхность трубопровода.

Как правило, решение изобретательской задачи оформляется в виде авторского свидетельства или патента на способ, устройство или вещество.

Определяя способ и устройство, можно сформулировать: способ - это совокупность технических функций, объединенных в единый технический процесс для достижения поставленной цели.

Устройство - это совокупность элементов, собранных в единую конструкцию для реализации данного способа.

Поскольку понятие способа является ключевым, продолжим его дальнейшее рассмотрение.

Каждая техническая функция конкретного способа имеет собственную семантику, которая определяет очередность применения этой функции во всем процессе. Например, на первый взгляд кажется, что функции 'защищает' может предшествовать открытый список различных функций. Однако это не так.

Можно утверждать, что определенной функции предшествует лишь одна функция либо несколько, количество которых жестко ограничено. Т. е. применяемая техническая функция определяет предшествующие ей технические функции.

После анализа авторских свидетельств на способ был выявлен порядок расположения технических функций в структурах типа: '...--> техническая функция --> техническая функция --> техническая функция —>...'.

Очевидно, что каждая техническая функция находится либо перед, либо после некоторой технической функции. Т. е. технические функции могут быть одновременно двух типов:

1) предшествующие;

2) последующие.

Тип технической функции зависит от того, с какой точки зрения она рассматривается и не зависит от того выполняется она одна или одновременно с какой-либо другой. Каждая из выполняемых одновременно функций является либо предшествующей, либо последующей.

В третьей главе рассматривается семантический граф технических функций, который сводится в таблицы последовательностей семантических формул технических функций. Приводятся примеры их использования при решении конкретных технических задач.

По результатам анализа, проведенного в главе 2 построен семантический граф технических функций, определяющий два вида связей между ними. Первый вид связи — когда вершинами графа являются абстрактные технические функции, а дугами -- операции предшествования. Второй вид связи -- когда верхняя вершина --

основная (абстрактная или мета) ТФ, а нижние вершины — конкретные ТФ, дуги мевду ними -- операции конкретизации. Граф формул УСК обобщает оба вида связей. В нем вершины -. это формулы соответствующих им ТФ (абстрактных и конкретных), а дуги операции предшествования.

Переменные формул графа задают семантические связи между субъектами и объектами ТФ, представленной соответствующей формулой. Количество предшествующих вершин строго ограничено и их наполнение непроизвольно, а жестко задано формулами УСК.

При решении инженерно-технических задач, корректно сформулированная на абстрактном уровне целевая техническая функция попадает на одну из вершин графа и вступает в отношение предшествования с абстрактными ТФ, связанными с ней дугами предшествования. Двигаясь по графу при выборе необходимых вершин в виде абстрактных ТФ формируется маршрут достижшия целевой ТФ на абстрактном уровне, тем самым задается область возможных решений на поставленную задачу.

При последовательном переходе от одной абстрактной функции к другой по дугам предшествования, осуществляется и операция конкретизации в соответствии с дугами конкретизации. Тем самым на каждом шаге перехода рекомендуются решения на уровне конкретных физических воздействий.

Например, в а. с. 1267233 рассматривается способ определения содержания водорода в металлах и сплавах.

На одну поверхность пластинки из исследуемого материала или сплава сначала наносят тонкую пленку палладия, а затем тонкую пленку оксида переходного металла. Генерируют импульс тока и по изменению окраски пленки оксида определят1 присутствие водорода. Но интенсивности окраски судят о количестве водорода в металлах и сплавах.

Рассмотрим, как данный способ реализуется в семантическом графе технических функций. Целевая ситуация уже сформулирована корректно в виде технической функции 'определяет'. Дерево предшествующих абстрактных технических функций для него такое: изменяет —

контролирует соотносит

-> определяет

Дерево конкретизирующих ТФ следующее:

изменяет

видоизменяет

вспенивает

замерзает

замораживает

затвердевает

испаряет

кристаллизует

меняет

обугливает

окисляет

окрашивает

испытывает

отсчитывает

пересчитывает

перечисляет

подсчитывает

проверяет

регистрирует

считает

тестирует

-> определяет

контролирует

соотносит

выбирает

идентифицирует

относится

подбирает

предпочитает

согласовывает

согласует

соответствует

сопоставляет

сравнивает

Трем абстрактным ТФ слева предшествуют свои абстрактные ТФ. В результате на данном промежуточном этапе дерево абстрактных ТФ следующее:

—> вводит

—> выводит

—> заряжает

—> ориентирует

—> порождает

—> разряжает

—> сосредотачивает

—> заряшет

—> изменяет

—> обнаруживает

—> перемещает

—> разрядает

—> измеряет

—> контролирует

—> отличает

-> изменяет

-> контролирует

определяет

-> соотносит

Каждая из новых абстрактных ТФ связана с рядом конкретизирующих ее ТФ и к каждой абстрактной ТФ из крайней левой части мошо добавить свой список предшествующих, имеющих собственный набор конкретизирующих ТФ.

Теперь вместо названий ТФ поставим соответствующие им формулы УСК. В результате получаем следующее дерево формул УСК, представляющих рассматриваемые ТФ:

:и*г)*¥) -

гч2*Ч))

(г*У)*У0 Х*Х)

Х*ОЖ)) 2*7)

аж) (хчх^))

(г*ю

-> (2*Х)

>

Очевидно, что для выполнения функции 'определяет' можно использовать ряд способов, каждый из которых представляет собой последовательность соответствующих ТФ, либо формул УСК.

В частности, в рассматриваемом а. с. последовательность абстрактных ТФ, задающих область возможных решений следующая: кладет --> порождает —> изменяет —> определяет.

Последовательность конкретных ТФ, имеющегося решения такая: наносит --> генерирует —> изменяет —> определяет.

В виде формул УСК последовательность выглядит как:

((х*у) *2) *( (г*х) *г) —>

С(х*У)*г)*(г*(7*У)) —>

((Х*У)*2)*(г*2) — >

С(х*У)*г)*(г*х),

где каждая переменная имеет свое конкретное значение.

Последовательности, определяющие очередность использования формул УСК, т.е. технических функций, будем называть последовательностями семантических формул технических функций (ПСФТФ), поскольку каждая формула УСК понимается нами как единичная техническая функция.

Очевидно, что семантический граф технических функций имеет широко разветвленную структуру' и работа с ним в таком представлении достаточно трудна. Поэтому данный граф обобщен в виде таблиц по принципу сведения данных в одну колонку по общему признаку. .

Пользуясь предложенными таблицами, нетрудно проследить маршруты достижения целевой ситуации, определенной целевой ТФ.

Посредством ПСФТФ решались производственные задачи.

В четвертой главе описана компьютерная реализация семантического метода поиска инженерно-технических решений.

Семантический граф технических функций и таблицы последовательностей семантических формул технических функций в совокупности с УСК-индексом явились основой для разработки пакета прикладных программ. Внедрение пакета в практику проектирования инженерно-технических решений повышает возможности проектировщика при постановке и поиске решения задачи обеспечивая:

- более полный по сравнению с традиционными методами учет семантических аспектов, оказывающих решающее влияние на весь поисковый процесс;

- выход на решение задачи в виде последовательности конкретных ТФ, либо в виде последовательности семантических формул ТФ.

Пакет программ создавался для применения в работе НИЖЕ Данный пакет после соответствующих дополнений может быть использован для решения задач в разных предметных областях (от машиностроения до микроэлектроники).

Пакет прикладных программ автоматизированной системы семантического поиска инженерно-технических идей и решений включает:

- базу знаний;

- набор управляющих программ.

Базой знаний будем называть семантически структурированную базу данных. В данном случае она строится на основе УСК.

База знаний системы семантического поиска инженерно-технических решений состоит из двух основных частей:

- УСК-индекса;

- семантического графа технических функций.

Данные из этих частей представлены множеством списков, каждый из которых описан собственным предикатом в соответствии с идеологией языка PROLOG и хранится в отдельном файлах.

Управляющая программа устанавливает порядок загрузки информационных файлов в оперативную память, связи между файлами и ведет диалог с проектировщиком в режиме реального времени.

Основные изменения пакета программ связаны с пополнением базы знаний функциональной терминологией из различных предметных областей. Это осуществляется дополнением списков данными в конкретных файлах. Структура самой базы знаний постоянна.

В настоящее время реализация предлагаемого метода в виде экспериментальной компьютерной системы, разработанной на языке программирования LPA-PROLOG под управлением операционной системы MS-DOS завершена, и осуществляется разработка пакета прикладных программ на языке программирования С++ для работы в среде WINDOWS.

Такая реализация предполагает качественно новый и более перспективный тип компьютерной семантической системы поиска инженерно-технических решений.

ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований разработан метод семантического поиска инженерно-технических решений, который затем реализован в виде компьютерной системы семантического

поиска, упрощающей, ускоряющей и обеспечивающей полноту поискового процесса на этапе структурного синтеза в САПР.

Семантический граф технических функций рассматривается как база знаний алгоритмов перехода от исходной ситуации к це левой при работе в интеллектуальной системе автоматизации проектирования инженерно-технических решений.

Можно утверждать, что семантический подход в САПР к поиску инженерно-технических решений позволяет решать проблемы их поиска, возникающие на этапе структурного синтеза в САПР, а также поставленные в диссертационном исследовании задачи.

Основные итоги данного исследования таковы:

1. Построен семантический граф технических функций, задающий последовательности семантических формул ТФ.

2. На основе. семантического графа ТФ разработан семантический метод проектирования инженерно-технических решений в САПР.

3. Показано, как семантический анализ условий технической задачи устраняет полную зависимость человека от собственной интуиции при решении задач традиционными эвристическими методами.

4. Достигнута возможность избавить проектировщика от многократного составления формулировок и переформулировок технической задачи с целью достижения наиболее корректной.

5. Определены алгебраические зависимости последовательностей семантических формул технических функций в соответствии с аксиоматикой УСК.

6. Разработан и внедрен пакет прикладных программ семантического поиска инженерно-технических решений, ориентированный для работы на ранних стадиях проектирования в САПР в диалоге с ППЭВМ в режиме реального времени.

Результаты диссертационной работы дают возможность реально воплощать идеи семантического построения интеллектуальных баз знаний в САПР для решения технических задач.

Проблема автоматизация процесса поиска новых технических идей и решений на этапе структурного синтеза в САПР представляется разрешимой с помощью семантических компьютерных систем.

Список опубликованных работ по теме диссертации: 1. И. М. Бойко, С. К Козловский. АРГУС — система лингвистической поддержки изобретателя. // Сб. тезисов Всесоюзной научно-практической конференции "Проблемы развития научного и тех-

нического творчества трудящихся". - Тбилиси, 1987. — С.95-96.

2. И. М. Бойко, С. В. Козловский. Изобретательская экспертная система.// Сб.тезисов Всесоюзной научно-практической конференции "Методологические проблемы научно-технического творчества". — Рига, 1988. — С. 34.

3. Бойко И. М. Решение интеллектуальных задач. //Сб. тезисов Всесоюзной научно-технической конференции "Искусственный интеллект в автоматизированном управлении технологическими процессами". -- Москва, 1989. — С. 10—11.

4. Бойко И. М. Структура одной базы знаний. //Сб. тезисов конференции "Диалог "Человек - ЭВМ". Свердловск,19S9. Часть 1.С. 8-9.

5. Бойко И. М. ШТ к решение задач. // Сб. тезисов Всесоюзного научно-технического совещания "Программное обеспечение новой информационной технологии". -- Калинин, 1989. -- С.14.

6. Бойко И. М. „Гуминский А. Е ,Козловский С. В. , Леонова JL П , Мартынов В. В. О возможности создания семантической интеллектуальной системы. // Международный симпозиум "ИНШ-89". МИНСК, 1989. — Том 1. Часть 2. С. 680— 684.

7. Бойко И. М, Решение задач и представление знаний. // Всесоюзный семинар "Формы представления знаний и творческое мышление". — Новосибирск, 1989. — Часть 1. С. 199—201.

8. Бойко И. М. УСК, как инструмент постановки и решения творческих задач. // Сб. тезисов Всесоюзной конференции "Интеллектуальные системы и творчество". Новосибирск, 1990. Часть 1.С. 220.

9. Бойко Й.М. Новое в концепции представления знаний.// 2-ая Всесоюзная конференция "Искусственный интеллект". Минск,1990. -С. 28—29.

10. Бойко И. М , Гуминский А. П., Мартынов В. В. Семантическая интеллектуальная система и ее компьютерная реализация. //Сб. тезисов 2-го научного семинара по проекту "Изобретающая машина". Минск, 1991. — С. 19—22.

11. Бойко И. М. Гуминский А. Е , Мартынов В. В. Семантическое кодирование и решение интеллектуальных задач. // ТРИЗ. Обнинск, 1991. — N2.1. -- С. 43--47.

12. Бойко И. М. Семантическое построение баз знаний. //Сб. тезисов 3-го научного семинара по проекту "Изобретающая машина". -Минск, 1992. — С. 20—21.

13. Martynov V. V, Boyko I. М. , Gyminski А. P. Knowledge Bases Construction of Systems for Solving Intellectual Problems. //Управляющие системы и машины. - Киев, 1992. N5/6. С. 101-104.

РЕЗЮМЕ

Бойко Игорь Михайлович

СЕМАНТИЧЕСКИЙ ПОИСК НА ЭТАПЕ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА В САПР

Ключевые слова: база знаний, изобретательская задача, инженерно-техническое решение, интеллектуальные САПР, представление знаний, семантический граф, семантический метод, техническая функция, универсальный семантический код (УСК), формула УСК.

Исследование охватывает проблемы построения баз знаний и автоматизации на их основе поиска инженерно-технических решений при разработке интеллектуальных САПР.

В работе предлагается решение следующих проблем интеллектуальных системы автоматизированного проектирования инженерно-технических решений на этапе структурного синтеза в САПР:

- правильная постановка технической задачи;

- обеспечение полноты охвата области возможных решений задачи на абстрактном уровне, в частности, для поиска по аналогии;

- формализация процедур поиска инженерно-технических решений.

Основная цель исследования заключается в разработке метода семантического поиска инженерно-технических решений на основе семантически структурированной средствами УСК базы знаний с дальнейшей реализацией метода в виде компьютерной системы семантического поиска, позволяющей упростить, ускорить и обеспечить полноту поискового процесса на этапе структурного синтеза в САПР.

Предложенная семантическая система структурного синтеза инженерно-технических решений более эффективна, чем традиционные системы, построенные на базе эвристик.

Результаты проведенных исследований непосредственно использованы в пакете прикладных программ семантического поиска, который прошел практическую проверку и внедрен в научно-исследовательской лаборатории Изобретающих машин (НИЛИМ).

Данный пакет после соответствующей адаптации рекомендуется использовать на предприятиях, сталкивающихся с проблемами поиска инженерно-технических решений.

РЭЗШЭ

Бойка 1гар М1хайдав1Ч

СЕМАНТЫЧНЫ ПОШУК НА ЭТАПЕ СТРУКТУРНАГА СИНТЭЗУ У САПР

Ключавыя словы: база ведау, вынаходшцкая задача, шжэнерна-тзхшчнае рашэнне, штзлектуальныя САПР, прадстауленне ведау, семантычны граф, семантычны метал, гэхшчная функция, утпвер-сальны семантычны код (УСК), формула УСК.

Дысертацыя ахо1Швае праблемы будавання баз ведау 1 аута-матызацьи на 1х аснове пошуку шжзнерна-тзхтчных рашзнняу пры распрацоуцы ¿нтэлектуальных САПР.

У рабоце прапануецца рашзнне наступных праблем ¡нтэлекту-альных с1стзм аутаматызаванага праектавання шжэнерна-тзх^ч-ных рашзнняу на этапе структурнага сзнтэзу у САПР:

- прав1льная пастаноука тэхн!чнай задачы;

- забяспечанне паунаты ахвату вобласц1 магчымых рашзнняу задачы на абстрактным узроуш, у прыватнасщ, для пошуку па аналог 11;

- фармализацыя працэдур пошуку 1шкэнерна-тзхн1чных рашзнняу.

Галоуная мэта дысертапш вызначаецца у распрацоуцы метада семантычнага пошуку шжзнерна-гэхшчных рашзнняу на аснове се-мантычна структураванай сродками УСК базы ведау з далейшай рэ-ал1зацыяй метада у выглядве камп'ютарнай сютзмы семантычнага пошуку, якая дазваляе упрасцщь, паскорыць и забяспечыць пау-нату пошукувага працзсу на этапе структурнага с1нтэзу у САПР.

Прапанаваная семантычная с!стэма структурнага сштэзу 1нжэнерна-тзхн1чных рашзнняу больш зфектыуна, чым традыцыйныя 01стэмы, пабудаваныя на базе эурыстык.

Вьшк1 праведзеных даследаванняу непасрэдна выкарыстаны у пакеце прикладных праграм семантычнага пошуку, як1 прайшоу практичную праверку I укаранен у Наьукова-даследчай лабарато-ры1 ВынаходнЩких машын.

Тэты пакет пасля адпаведнай адаптацьц рэкамендуецца выка-рыстоуваць на прадпрыемствах, як1я маюць справу з прабдемам! пошуку шжзнерна-тэхнхчных рашзнняу.

SUMMARY

Boyko Igor Mikhailovich

SEMANTIC SEARCH ON THE ST ABE OF THE STRUCTURE DESIGNING IN THE CAD

Key words: engineering solution, intellectual CAD, invention problem, knowledge base, knowledge representation, semantic graph, semantic method, technical function, universal semantic code (USC), USC-formula.

The research covers problems of the knowledge bases development and automatization search of the engineering solutions for intellectual CAD.

The following problems of the intellectual CAD for searching of the engeneering solutions have been solved in the paper:

- correct formulation of the engeneering problems;

- provision of the total scope of possible solutions domain on an abstract level, for searching of the solutions by analogy in particular;

- computation of engeneering solutions.

The research aims at designing of the method of the semantic search engineering solutions on knowledge base structured by means of the universal semantic code. When-represented as a computer system of the semantic search this method promotes, simplifies and provisions of the total scope of the search on the stage of the structure designing in the CAD.

The proposed semantic system of the designing engendering solutions is more effective than traditional ones based on the heuristic methods.

The results of the research have been used in the applied programmes package of the semantic search which has been tested and introduced at the Invention Machine Laboratory.

After necessary redesigning the package can be used by the firms dealing with engeneering solutions search.