Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ работ в области синтеза технических решений на начальных стадиях проектирования 7
1.1. Методы поиска новых технических решений 7
1.2. Методы и программные средства, основанные на комбинаторно-морфологическом подходе 16
1.3. Интеллектуальные системы исследовательского проектирования 34
Глава 2. Автоматизированная система морфологического синтеза новых технических решений 40
2.1. Обобщенная структура и основные функции автоматизированной системы морфологического синтеза 40
2.2. Алгоритм работы проектировщика с автоматизированной системой морфологического синтеза 44
Глава 3. Автоматизированные процедуры морфологического анализа и синтеза технических решений 52
3.1. Способы построения морфологических таблиц с различной степенью конкретизации функционально-структурных поня- 52
тий
3.2. Общие подходы к решению задач анализа и синтеза комбинаторно-морфологическим методом 65
3.3. Морфологический синтез технических решений на основе нечетких моделей теории принятия решений 74
3.4. Процедуры синтеза рациональных решений с последовательным наращиванием проектируемой системы 83
3.5. Анализ морфологических множеств по различным комбинациям критериев 92
3.6. Процедура морфологического синтеза с учетом ресурсных ограничений 97
3.7. Процедура синтеза многофункциональных систем с переменной структурой 104
3.8. Процедура синтеза технических решений, выполняющих основные и дополнительные функции 107
3.9. Процедура морфологического синтеза многофункциональных систем при снятых ограничениях на число и характер выполняемых ими функций 111
3.10. Морфологический синтез на основе гипотезы о законе гомологических рядов технических объектов 116
3.11. Эволюционный синтез новых технических систем с учетом наследования элементов на основе морфологических таблиц. 121
Глава 4. Проверка эффективности процедуры эволюционного синтеза 129
4.1. Эволюционный синтез виброзащитных систем операторов дорожных машин 129
Основные выводы по диссертации 136
Список литературы
- Методы и программные средства, основанные на комбинаторно-морфологическом подходе
- Алгоритм работы проектировщика с автоматизированной системой морфологического синтеза
- Общие подходы к решению задач анализа и синтеза комбинаторно-морфологическим методом
- Процедура синтеза технических решений, выполняющих основные и дополнительные функции
Методы и программные средства, основанные на комбинаторно-морфологическом подходе
Применение термина «синтез» здесь оправдано тем, что любой извлеченный из морфологического множества вариант должен быть исследован на совместимость реализаций его составных частей, на реализуемость варианта, на его целостность и жизнеспособность.
Методы морфологического «конструирования» рассчитаны на постепенное наращивание, синтез искомого варианта описания изделия путем выбора из морфологического множества и присоединение альтернативных реализаций все новых элементов функциональной структуры изделия.
Большинство поисковых алгоритмов обеспечивают перебор всех комбинаций и отсев недопустимых. Недостатком алгоритма является то, что число синтезируемых допустимых комбинаций достаточно велико, что затрудняет их анализ за приемлемое время с целью выбора рационального варианта.
Особый интерес представляет работа [25], в которой изложен комбинаторный метод прогнозирования и анализа систем. Для описания технических систем в методе используется комбинаторное дерево блоков, получаемое в результате объединения альтернативных деревьев отдельных систем. Вершины комбинаторного дерева несут информацию о материальных частях систем - блоках, а дуги показывают взаимное включение блоков.
Недостатки данной системы состоят в громоздкости способа описания технических систем; отсутствии признаков, характеризующих взаимную связь и взаимное расположение блоков, что не позволяет получать полное и связное описание вариантов технических систем; больших затратах времени на экспертную оценку матриц парной совместимости блоков и большого объема памяти ЭВМ для их хранения. Метод синтеза технических решений на И-ИЛИ-графах
Автоматизированная информационная система синтеза рациональных технических решений на И-ИЛИ-графах [1] основана на трех информационных массивах: массиве описаний технических решений; массиве требований, предъявляемых к известным и новым техническим решениям; модели оценки (матрице соответствия) известных и новых технических решений.
В рассматриваемой системе под техническим решением понимается конструктивное описание функциональной структуры технической системы, включающей информацию о функциональных элементах, их взаимном расположении и взаимосвязи, особенностях конструктивного исполнения, геометрической формы, конструктивных материалах и других существенных признаках, в том числе принципиально важных соотношениях параметров.
В соответствии с этим определением для описания самых различных технических решений используются соответствующие группы признаков, изменение которых обеспечивает дискретный переход от одного решения к другому.
Множество технических решений в автоматизированной системе синтеза представляется иерархическим И-ИЛИ-деревом (графом). В И-ИЛИ-дереве вершины содержат информацию об элементах технических решений и их признаки, а дуги дерева показывают соподчиненность между элементами, а также между элементами и их признаками.
В информационном дереве вершины типа "И" объединяют элементы, выполняющие существенно различающиеся функции, и различные группы признаков. Вершины типа "ИЛИ объединяют альтернативные элементы, имеющие близкие функции, но отличающиеся конструктивным исполнением, и значения признаков.
Количество требований, предъявляемых к множеству технических решений, определяется количеством выполняемых ими функций. Вся со 24 вокупность требований подразделена на две группы: основные требования, невыполнение которых приводит к прекращению функционирования технической системы; дополнительные требования, выполнение которых приводит к ухудшению эффективности и работоспособности технической системы.
Полный список требований составляется на основании функционального анализа технических систем, а также на основании изучения ГОСТов, нормалей, технических условий, родственных технических заданий, инструкций по эксплуатации, патентно-технической литературы и т.п.
Матрица соответствия является качественной моделью, устанавливающей взаимосвязь между признаками элементов технических систем и требованиями. В матрице соответствия наименованиями строк являются требования и их градации, а наименованиями столбцов - названия элементов и их признаков. На пересечении строк и столбцов матрицы соответствия проставляются оценки элементов и признаков относительно требований. Для проставления оценок в ряде случаев используются методы экспертных оценок.
Алгоритм работы проектировщика с автоматизированной системой морфологического синтеза
Диалоговая подсистема (5 ) состоит из следующих функциональных модулей: модуля ввода информации о морфологической таблице (S2Q); модуля ввода информации об объектах-прототипах (521); модуля ввода информации о параметрах задачи и режиме синтеза ТР (5,2г); модуля просмотра и корректировки данных, описывающих модель морфологического множества, параметры задачи и результаты синтеза (5гз) Организация диалога построена в соответствии с принципами представления информации в форме, близкой к описанию, используемому в литературных источниках по морфологическому синтезу ТР. Представление информации о командах системы морфологического синтеза, позволяющих производить ввод, корректировку, хранение данных, а также выполнять требуемые расчеты, осуществляется с учетом возможностей современных языков программирования для Windows. Программное обеспечение системы реализовано на интерактивной системе визуального программирования Borland Delphi.
Основные функции автоматизированной системы морфологического синтеза 1) Создание новых и редактирование существующих морфологических таблиц (изменение количества строк и альтернатив в строках, а также изменение данных для строк и альтернатив). 2) Задание и редактирование прототипа для активной морфологической таблицы. 3) Наглядное представление морфологических таблиц, прототипов, а также таблиц с результатами работы методов синтеза. 4) Работа с буфером обмена Windows (копирование и вырезка данных в буфер обмена, вставка данных из буфера обмена). 5) Сохранение на диске, а также чтение с диска готовых морфологических таблиц, прототипов, а также таблиц с результатами работы методов синтеза. 6) Сохранение в базе данных (БД), а также чтение из БД готовых морфологических таблиц и прототипов. 7) Обработка исключительных ситуаций (ошибок дисковых устройств, ошибок, возникающих при недостатке памяти и т.д.), контроля входной информации при вводе данных пользователем и при чтении файлов, а также защиты от потери данных в результате отключения питания компьютера, его поломки (кроме повреждения жесткого диска) или фатальных ошибок операционной системы. 8) Поиск новых рациональных технических решений одним из следующих методов морфологического синтеза: - синтез вариантов по критериям качества: а) поиск наиболее рациональных вариантов в самом морфологи ческом множестве посредством аддитивной свертки; б) поиск в морфологическом множестве вариантов, наиболее сходных с поисковым заданием; - синтез вариантов на основе классификационных функционально конструктивных признаков: а) синтез вариантов, сходных с прототипом; б) поиск в морфологическом множестве наиболее оригинальных и типовых вариантов; - древовидный и лабиринтный синтез; - сортировка синтезируемых вариантов по классам и построение дендрограмм для синтезируемых вариантов; - синтез многофункциональных систем: а) при снятых ограничениях на число и характер выполняемых ими функций; б) на основе различного числа самостоятельных конструктивных подсистем; - анализ вариантов по различным комбинациям критериев; - рациональное распределение ресурсов на основе комбинаторно-морфологического метода; - эволюционный синтез; - синтез по критерию комбинационной новизны.
Алгоритм работы проектировщика с автоматизированной системой морфологического синтеза
Обобщенная схема алгоритма работы проектировщика с автоматизированной системой морфологического синтеза новых технических решений приведена на рис. 2.2.
Первые три этапа соответствуют содержательной постановке задачи.
На первом этапе производится определение типа задачи, т.е. определяется посредством количественных или качественных характеристик будет представлена информация в морфологической таблице.
На втором этапе определяется структура морфологической таблицы - на основании проведенного анализа формируется нужное количество строк, представляющих собой обобщенные функциональные подсистемы (ОФПС), и для каждой ОФПС нужное количество альтернатив. Источником информации могут служить базы данных, каталоги, специальная литература, где описаны конструкции, принципы действия и наиболее важные характеристики технических систем.
На третьем этапе по справочной литературе для каждой ОФПС в зависимости от типа задачи определяется список критериев качества или классификационных функционально-конструктивных признаков, которые могут быть важны для эксперта. Затем производиться экспертная оценка показателей и альтернатив по этим показателям.
Общие подходы к решению задач анализа и синтеза комбинаторно-морфологическим методом
В целевой функции (3.4) приняты следующие обозначения: C(Rt ,R ) - мера сходства между описанием рассматриваемого варианта RJ и описанием поискового задания R2; х\т, xf - числовые интегральные значения критериев качества, характеризующие альтернативы Aim и Ah входящие соответственно в рассматриваемый вариант системы R\ и поисковое задание R2, которое
Генерируемые на морфологических таблицах множества технических систем имеют сложную неоднородную структуру. Выявление закономерностей строения исследуемых морфологических множеств позволяет более эффективно решать основные задачи проектирования по поиску, прогнозированию и планированию рациональных технических систем. Предварительная кластеризация морфологических множеств с учетом особенностей структуры и свойств вариантов систем позволяет во многих задачах преодолеть проклятие размерности, исключив из детальной конструкторской проработки целые классы, состоящие из малоэффективных и неперспективных технических решений.
В кластерном анализе можно выделить два способа формирования классов. Первый способ предполагает предварительное задание классов исследователем. В этом случае решаются задачи идентификации, т.е. распознавания синтезируемого варианта системы и отнесения его к тому или иному классу. Таким образом, осуществляется сортировка синтезируемых вариантов по классам. Сформированные классы могут впоследствии анализироваться по критериям типичности и оригинальности. Перечисленные задачи, подходы и методы их решения рассмотрены в работе [5,6].
Особенность второго способа формирования классов заключается в том, что классы формируются в процессе проведения конкретных исследований. При этом применяются методы, позволяющие проводить иерархическое упорядочивание морфологических множеств на основе мер сходства (различия) и определять подмножества вариантов технических систем, наиболее сходных между собой по различным функциональным и структурным свойствам.
Далее рассматриваются подходы и алгоритмы для анализа морфологических множеств на основе иерархических классификаций (дендро-грамм).
Результаты кластерного анализа в конечном счете зависят от многих факторов: способа описания альтернатив в морфологической таблице; правил вычисления меры сходства; алгоритма построения иерархической классификации; структуры морфологической таблицы.
Способ описания альтернатив определяет метод вычисления меры сходства между синтезируемыми вариантами систем. Можно выделить три способа описания альтернатив и соответствующие им правила определения сходства между вариантами.
Первый способ описания каждой альтернативы предполагает указание только ее наименования. При втором способе описания каждая альтернатива имеет наименование и экспертные оценки, указывающие степень сходства со всеми другими альтернативами, принадлежащими одной обобщенной функциональной подсистеме. Третий способ представления предполагает указание для каждой альтернативы значений функциональных и конструктивных классификационных признаков. Указанная для характеристики альтернатив информация используется при вычислении мер сходства между синтезируемыми вариантами. Вычисление мер сходства осуществляется по различным правилам.
При третьем способе описания вариантов синтезируемых систем множествами значений функциональных и конструктивных признаков определение меры сходства между вариантами осуществляется по выражению (3.5). Вариант системы здесь описан множеством значений признаков Ziim = {0,1}- Значение 2цт принимает единицу в описании альтернативы Aim, если присутствует в ней, в противном случае Zam = 0
Процедура синтеза технических решений, выполняющих основные и дополнительные функции
Первый из указанных методов более предпочтителен при концептуальном проектировании в условиях сильной неопределенности внешнего окружения объекта. Процесс синтеза рационального варианта в этом методе осуществляется "сверху - вниз", т.е. от более обобщенных функциональных подсистем к более конкретным техническим реализациям этих подсистем.
Рассмотрим первую модификацию метода блочно-лабиринтного синтеза. Метод состоит из ряда этапов, на каждом из которых осуществляются процедуры структурирования информации, оценки вариантов и принятия решений.
Этап 1. На этом этапе выбирается объект исследования, формируется исходная цель синтеза технической системы и составляется список технических требований, которым должна удовлетворять искомая система. Требования ранжируются по значимости.
В качестве объекта исследования примем систему виброзащиты радиоэлектронной аппаратуры.
Этап 2. Осуществляется построение "скелетной" морфологической таблицы (таблица на рис. 3.14), состоящей из основных (главных) функциональных подсистем рассматриваемого технического объекта и основных вариантов, реализующих выделенные функциональные подсистемы. К основным функциональным подсистемам относятся те подсистемы, которые определяют сущность технической системы в целом и отличают ее от других систем. Для рассматриваемого примера основными функциональными подсистемами являются: ОФПС\ - упругий или упруго-демпфирующий элемент; ОФПСі - динамический гаситель; ОФПСз — направляющий механизм. Этап 3. Проводится синтез рациональных вариантов на "скелетной" морфологической таблице. Для выполнения этой процедуры используется метод лабиринтного синтеза.
В результате получается так называемая минимальная исследуемая функциональная система, включающая то минимальное количество функциональных подсистем, с помощью которых можно реализовать основную функцию системы в целом. Конечно же, такая функциональная система, как правило, не может удовлетворить всем требованиям технического задания и подвергается дальнейшему совершенствованию.
Этап 4. В синтезированном на этапе 3 рациональном варианте определяются "слабые" функциональные элементы, не удовлетворяющие в полной мере предъявляемым требованиям. Для улучшения основных "слабых" элементов строятся дополнительные морфологические таблицы, например, таблица В (см. рис. 3.14). Наименованиями строк этих таблиц являются наименования вспомогательных функциональных подсистем. Эти подсистемы получены в результате декомпозиции "слабых" элементов.
Этап 5. С помощью метода лабиринтного синтеза осуществляется поиск рациональных вариантов на дополнительных морфологических таблицах. В рассматриваемом примере при синтезе на таблице В (см. рис. 3.14) наилучший вариант состоит из следующих альтернатив: (Ац А2\ А3\).
Процедура выявления "слабых" элементов может быть распространена и на рациональные варианты, полученные на дополнительных матрицах.
Этап 6. На шестом этапе проводится компоновка вновь синтезированных на дополнительных морфологических таблицах функциональных подсистем в целостную систему. Скелетная" морфологическая матрица "А"
На втором этапе строится морфологическая таблица. Осуществляется разбиение морфологической таблицы на блоки в соответствии с количеством функциональных подсистем, входящих в целостную систему. Каждый блок может содержать несколько функциональных подсистем.
На третьем этапе осуществляется синтез подмножеств рациональных вариантов функциональных подсистем в каждом блоке. Если блок содержит одну подсистему, то из множества альтернатив выбирается требуемое подмножество наилучших с использованием системы принятия решений.
Для синтеза рациональных вариантов в блоках, содержащих более двух подсистем, используется метод лабиринтного поиска, когда же блок содержит два признака, то для выбора рациональных решений несложно использовать метод полного перебора возможных сочетаний альтернатив. Четвертый этап направлен на формирование новой морфологической таблицы меньшей размерности, чем исходная. Число строк этой таблицы равно числу функциональных подсистем (числу блоков, на которые разбита исходная морфологическая таблица). Альтернативами вновь сформированной морфологической таблицы являются рациональные варианты, синтезированные на отдельных блоках (этап 3).
На заключительном пятом этапе на новой морфологической таблице лабиринтным методом проводится синтез технической системы в целом и принимается решение о соответствии полученного окончательного решения техническим требованиям.
Применение блочно-лабиринтного синтеза наиболее оправдано для многофункциональных конструктивно сложных технических систем. Анализ морфологических множеств по различным комбинациям критериев При решении ряда задач синтеза систем комбинаторно-морфологическим методом возникает потребность в определении эффективности полученных решений по различным сочетаниям критериев качества. Это особенно актуально в тех случаях, когда синтезируемые системы мало отличаются друг от друга или от конкурирующего объекта по средневзвешенному интегральному критерию качества, но имеют существенные отличия по некоторым их сочетаниям.
Похожие диссертации на Интегрированная система морфологического анализа и синтеза концептуальных технических решений
