Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния методов морфологического поиска 12
1.1. Основные определения теории систем 12
1.2. Методы морфологического анализа Цвикки 16
1.3. Методы исследования технических систем 20
1.4. Этапы метода морфологического поиска: анализ и синтез 24
1.5. Процедуры морфологического анализа 30
1.5.1. Конструктивно-функциональный анализ систем 30
1.5.2. Создание морфологических таблиц с использованием теории классификации 31
1.6. Процедуры морфологического синтеза 32
1.6.1. Формирование морфологических таблиц с использованием эвристических правил 32
1.6.2. Методы древовидного, лабиринтного и блочно-лабиринтного синтеза 34
1.6.3. Метод эволюционного синтеза на основе морфологических таблиц 39
1.6.4. Использование критериев качества в морфологическом синтезе 39
1.6.5. Морфологический синтез решений с использованием классификационных функционально-конструктивных признаков 44
1.6.6. Синтез многофункциональных систем на морфологических таблицах 45
1.6.7. Автоматизация процесса формирования морфологических таблиц 46
1.6.8. Кластерный анализ морфологических множеств 47
Краткие выводы по главе 1 50
Глава 2. Разработка процедур морфологического анализа предметной области с использованием инверсии 51
2.1. Иерархия процесса концептуального проектирования систем на основе описания объектов ТС с позиций системологии 52
2.2. Определение структуры и свойств операции инверсии 56
2.3. Принципы обеспечения целостности систем синтезируемых морфологическим методом 59
2.4. Использование инверсного подхода для обеспечения целостности систем 60
2.5. Понятие классификационной системы 67
2.6. Атрибутивный подход к описанию элементов в морфологическом методе 74
2.7. Анализ предметной области для построения новой системы на инверсном И-ИЛИ графе 76
Краткие выводы по главе 2 83
Глава 3. Описание разработки автоматизированной системы "МорфоИнверс" 85
3.1. Описание архитектуры автоматизированной системы "МорфоИнверс" 85
3.2. Описание структуры данных автоматизированной системы "МорфоИнверс" 88
3.3. Описание работы автоматизированной системы "МорфоИнверс" 94
Краткие выводы по главе 3 100
Глава 4. Примеры использования разработанного инверсно морфологического подхода к синтезу технических решений 101
4.1. Анализ и синтез системы "Компьютер" на основе инверсно-морфологического подхода 101
4.2. Анализ и синтез системы "Защита стекол от проникновения света " на основе инверсно-морфологического подхода 107
4.3. Анализ и синтез системы "Нагреватель" на основе инверсно-морфологического подхода 110
4.4. Анализ и синтез системы "Оптико - электронных измерителей однокоординатных линейных перемещений объектов" на основе инверсно-морфологического подхода 112
4.5. Сценарий работы автоматизированной системы "МорфоИнверс" для разработки компоновочных решений системы "Компьютер" 122
Краткие выводы по главе 4 128
Заключение 129
Публикации по теме диссертации 130
Библиографический список 132
Приложение 1. Акт внедрения результатов диссертационной работы в ООО "Нижневолжскпромснаб" 146
Приложение 2. Акт внедрения результатов диссертационной работы в ВолгГТУ 147
Приложение 3. Пример программного кода процедуры расчета обобщенного показателя качества 148
- Этапы метода морфологического поиска: анализ и синтез
- Иерархия процесса концептуального проектирования систем на основе описания объектов ТС с позиций системологии
- Описание структуры данных автоматизированной системы "МорфоИнверс"
- Сценарий работы автоматизированной системы "МорфоИнверс" для разработки компоновочных решений системы "Компьютер"
Введение к работе
Актуальность. Интенсивное инновационное развитие может быть обеспечено в условиях получения большого числа новых и разнообразных решений в различных предметных областях. В настоящее время в период рождения научно-технических идей и открытий в различных областях человеческой деятельности (экономических, политических, технических, социальных и т.д.) для их оценки и получения на их основе технических решений перспективно использовать комбинаторный подход, реализованный в виде метода морфологического анализа и синтеза. Этот метод широко используется в инженерной практике САПР для поиска рациональных технических решений (ТР), на этапе концептуального проектирования систем и при прогнозировании развития технических систем. Основным достоинством морфологического подхода является сжатый способ описания множества возможных ТР в виде комбинаций элементов известных ТР. Для автоматизации процессов проектирования эффективных технических систем необходимо построить наиболее полную систематику предметной области (ПО). Современное состояние системного подхода предполагает, что ПО может быть описана в соответствии со следующими аспектами: элементный (из каких элементов образована система), структурный (устойчивые связи этих элементов), функциональный (совокупность функций выполняемых элементами), иерархический (связи элементов по вертикали и горизонтали), развития. Несмотря на фиксацию этих аспектов, полнота учета их для большинства ПО неудовлетворительна. В частности не указываются способы обеспечения заведомо новых свойств (эмерджентность), целостности, устойчивости. В большинстве случаев классификация объектов ПО носит эмпирический характер. Это обстоятельство не позволяет обеспечить эффективность комбинаторному синтезу проектных решений в данной ПО. В результате его осуществления технические решения не обладают высоким уровнем новизны и набором свойств, которые могут обеспечить им конкуренто- и охраноспособность, а следовательно, не могут эффективно участвовать в инновационных процессах.
Целью настоящей работы является совершенствование процедур морфологического анализа ПО и средств компьютерной поддержки морфологического синтеза, которые позволят повысить полноту описания, обеспечить новизну, целостность и устойчивость синтезируемым системам.
Цель достигается решением следующих задач.
провести анализ существующих методов морфологического анализа с выделением преимуществ и недостатков;
на основе проведенного анализа осуществить постановку задачи повышения полноты описания ПО;
разработать и исследовать модели, методы и алгоритмы компьютерной поддержки процедур морфологического анализа и синтеза проектных решений;
4) разработать и апробировать программную систему, позволяющую автоматизировать процесс поиска решений морфологическим методом, реализуя в ней разработанные методы и алгоритмы.
Объектом исследования в диссертационной работе является процесс концептуального проектирования технических решений комбинаторными методами.
Предметом исследования являются процедуры морфологического анализа и синтеза.
Гипотеза исследования. В соответствии с системно-диалектическим подходом проведение морфологического анализа для описания объектов и процессов в какой-либо ПО на основе процедур инверсии позволит обеспечить новизну, целостность, устойчивость и эффективность ТР, получаемых при морфологическом синтезе.
Методы исследования. При выполнении исследований и решении поставленных в работе задач использовались научные положения системного анализа, принципы и методы концептуального анализа и синтеза систем, методы морфологического анализа и синтеза, методы теории принятия решений, методы и средства проектирования автоматизированных систем, теории проектирования реляционных баз данных.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Для реализации холистического подхода к синтезу ТР разработан метод описания ПО на основе системного применения инверсии по отношению к объектам и процессам ПО. Метод предлагается использовать при морфологическом анализе ТР для получения классификационных морфологических таблиц путем введения оператора инвертирования.
Использование инверсного подхода при проведении морфологического анализа позволяет на этапе морфологического синтеза получать массивы ТР, управляя такими свойствами, как новизна, устойчивость и целостность.
Предлагается метод оценки целостности создаваемых решений на основе учета элементов, реализующих инверсные функции.
Автор защищает:
Метод описания ПО для морфологического анализа с использованием принципа инверсии.
Методику синтеза технических решений, основанную на инверсно-морфологическом методе.
Автоматизированную систему, реализующую инверсно-морфологический и атрибутивный подходы.
Практическую значимость работы составляют: 1. Инверсно-морфологический подход получения технических решений, обеспечивающий управление новизной, эмерджентностью, целостностью и устойчивостью создаваемых систем.
Методика оценки целостности получаемых ТР.
Автоматизированная система, выполненная с использованием технологий объектно-ориентированного программирования на языке Delphi 7, реализующая разработанный подход и использующаяся в учебном процессе.
Достоверность полученных результатов подтверждена их применением при решении типовых и практических задач.
Реализация и внедрение результатов. Работа выполнена в рамках госбюджетной НИР 39.274 "Использование методов системного анализа и теории формальных языков для разработки автоматизированных систем проектирования и управления" и финансируемой НИР по единому заказ-наряду 39-53/590-05 "Разработка моделей концептуального проектирования в науке, технике и образовании", а также в соответствии с программой ТЕМПУС JEP-25070-2004 Modernization of Education in ICT at South Russian Universities (MEICTSRU).
Система "МорфоИнверс" была использована для организации учебного процесса в ВолгГТУ и для решения ряда типовых и практических задач в ООО "Нижневолжскпромснаб", о чем свидетельствуют соответствующие акты внедрения.
Данные по автоматизированной системе "МорфоИнверс" отправлены в ОТРАСЛЕВОЙ ФОНД АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММ ФГНУ "Государственный координационный центр информационных технологий" Федерального агентства по образованию для регистрации.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах кафедры САПР и ПК ВолгГТУ, а также на международных и всероссийских научных и научно-практических конференциях: «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград, 2004, 2006), «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий» (Сочи, 2005, 2006), а также в электронных конференциях: «Успехи современного естествознания» (20-24 декабря 2004 г.), «Современные наукоемкие технологии» (15-20 мая 2005 г.), «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе IT + SE» (Гурзуф, 2006), «Интеллектуальные системы (AIS'06). Интеллектуальные САПР (CAD-2006)» (Дивноморское, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе, 2 публикации в журналах, рекомендованных ВАК, 5 статей в научно-теоретических журналах, 6 статей в сборниках трудов конференций.
Этапы метода морфологического поиска: анализ и синтез
В методе морфологического исследования выделяется два качественно различных этапа анализа и синтеза [54-59].
Морфологический анализ - совокупность операций выделения классифицированных признаков функциональных систем морфологического множества и разбиение его на морфологические подмножества по набору выделенных признаков.
Морфологический синтез - совокупность операций выбора (извлечения из морфологической таблицы или морфологического дерева) вариантов описывающих функции системы и оценки их соответствия требованиям к искомой функциональной структуре, т.е. условиям задачи.
Первый этап предполагает получение описания всех систем, принадлежащих к исследуемому классу, т. е. классифицирование множества исследуемых систем. Этот этап решения называется морфологическим анализом. Результатом этого этапа является построение морфологической таблицы, включающей классификационные признаки и набор значений признаков, которые попадают под данную классификацию. В общем случае вариант синтезированной на морфологической таблице технической системы состоит из набора признаков, полученного путем фиксирования на каждом столбце таблицы по одному значению соответствующего признака. На втором этапе проводится оценка описаний различных систем исследуемого класса и выбор тех из них, которые в том или ином приближении соответствуют условиям задачи (исходной цели поиска). Этот этап решения называется морфологическим синтезом, так как в итоге получается целостное описание всей исследуемой системы из частей описаний подсистем и отношений между ними.
Основные цели морфологического анализа и синтеза технических систем [4-13]:
провести системный анализ предметной области исходя из морфологического строения систем данной ПО, для осуществления возможности охвата всевозможных вариантов реализации систем, включая неизвестные;
осуществить поиск вариантов реализации систем на морфологическом множестве, представленном морфологической таблицей, соответствующих поставленным условиям задачи.
В морфологической таблице выделены альтернативы реализующие функции/элементы системы, которые представляют одну из реализаций рассматриваемой системы. Чтобы получить общее количество всевозможных вариантов реализации системы представленной в морфологической матрице, необходимо определить декартово произведение множеств альтернатив, каждой строки морфологической таблицы: где Кп — число альтернатив для реализации п-й функции или обобщенной подсистемой; j — число всех функций. Морфологическое множество является областью поиска в пространстве размерностью/. Каждый вариант реализации системы получается путем фиксации по одной альтернативе в каждой строке морфологической матрицы, который в общем виде записывается следующим образом:
Каждый синтезируемый вариант реализации системы отличается от другого хотя бы одной альтернативой Апт.
Приведем этапы проведения морфологического анализа и синтеза.
на первом этапе определяется цель или проблема, которая отражает в себе условия поставленной задачи с основными требованиями к проектируемой ТС;
строится морфологическая матрица, столбцом которой являются классификационные признаки, а в строках располагаются их альтернативные варианты; для каждой альтернативы производится описание ее свойств отражающих ее качественные характеристики. Описание может проводиться как лингвистически, так и по числовой шкале;
определяется формализованное поисковое задание и вид целевой функции;
производится поиск возможных вариантов решения задачи в соответствии с процедурами выбранного метода морфологического синтеза, который заключается в последовательном выборе множества вариантов реализации системы с использованием операций оценивания эффективности и совместимости подсистем исследуемой системы. Варианты реализации системы могут лежать в пределах от понятия "подходящее решение" до понятия "оптимальное или рациональное решение", таким образом, их соответствие условиям поставленной задачи.
Исходная цель проектирования может определяться с различной степенью полноты и определенности. В зависимости от поставленной задачи исходная цель может носить достаточно общий, расплывчатый характер, если задача требует поиска принципиально новой технологической системы или если проектирование связано с совершенствованием существующих ТС, то исходная цель дополняется и конкретизируется рядом технико-экономических требований, которые могут быть как качественного, так и количественного характера. Под такой способ определения исходной цели наиболее адаптированы многие подходы морфологического синтеза, так как он в большей степени формализован.
Последний способ формирования исходной цели проектирования в лучшей степени подлежит формализации, и на его основе реализован ряд подходов по синтезу рациональных вариантов систем. Исходная цель в значительной степени определяет подходы по формированию поисковых заданий и морфологических таблиц.
Иерархия процесса концептуального проектирования систем на основе описания объектов ТС с позиций системологии
В основу концепции системного анализа объектов ТС в настоящее время необходимо положить новейшие представления, развиваемые в систе-мологии, основанием которой является классификация систем по типу отношений между элементами системы [33, 37]. Модель любой системы включает две основные компоненты — множество объектов и множество отношений: M= A;Rjsl,..., Rnsn где М— модель; А — носитель модели; Rtsl— i-e отношение (і = 1,..., п), совокупность которых формирует сигнатуру модели.
С точки зрения системологии иерархия классов определяется эпистемологическими уровнями, т.е. уровнями знаний относительно рассматриваемых явлений, модели которых представлены в таблице 2.1.
На уровне 0 вводятся понятия прикладной области и определяются интенсионалы этих понятий, т.е. их смысл, или семантика. На этом уровне формируются модели данных объектов, соответствующих понятиям. Носителем моделей являются словари свойств объектов, а сигнатурой — схемы отношений, определяющих содержание понятий.
На уровне 1 формируется система данных, с помощью которой описываются множества экземпляров объектов, необходимых для функционирования разрабатываемой системы. Каждое такое множество представляет собой выборку из объема соответствующего понятия, который может быть бесконечным. Носителем моделей на уровне 1 являются допустимые множества значений свойств объектов, называемые доменами атрибутов, соответствующих каждому свойству.
Сигнатура модели системы данных определяется отношениями со схемами, определенными на уровне 0. Эта сигнатура реализуется в виде множества кортежей, т.е. наборов значений свойств для каждого объекта. Такой набор определяет один экземпляр объекта, являющегося денотатом понятия.
Уровень 2 необходим для формирования порождающих систем. На нем располагаются методы объектов, описанных на предыдущих уровнях. Метод позволяет превратить объект в объект-функцию, способную по известным значениям свойств объекта порождать значения неизвестных свойств. При этом происходит генерация нового экземпляра объекта, который может быть сохранен в системе данных.
Носителем модели на этом уровне являются свойства объекта и внутренние переменные метода, а сигнатурой — функциональное отображение, являющееся подмножеством декартова произведения упомянутых свойств и переменных. В зависимости от типа свойств, переменных и функциональных отображений порождающие системы целесообразно разбить на три подуровня:
математический негеометрический;
геометрический;
экспертный.
Носителем математических негеометрических моделей являются числовые константы и переменные, функции, математические и логические отношения, операторы и операции. Сигнатуру здесь образуют системы уравнений и неравенств.
Носителем геометрических моделей являются точки, линии, поверхности и тела, а сигнатурой — операторы объединения, отсечения, пересечения, преобразования и расчетов параметров.
Математические модели не обладают семантикой. Семантика вводится на верхнем подуровне порождающих систем — подуровне систем экспертных, которые в своей работе используют модели математические.
Носителем экспертной модели являются числовые и нечисловые переменные, описанные в словаре. Эти переменные делятся на входные и выходные. Сигнатура такой модели определяется продукционными правилами, с помощью которых производится отображение входных переменных в выходные. На уровне 3 описанные выше системы рассматриваются как подсистемы общей системы. Соединения таких подсистем производятся с помощью общих переменных, которые позволяют сформировать структурированную систему.
На уровнях 4 и выше располагаются системы, составленные из систем, определенных на низших уровнях. Эти системы носят название метасистем. В качестве носителя модели на этих уровнях выступают активные объекты, или агенты, из которых формируются концептуальные И-ИЛИ графы. С помощью таких графов осуществляется структурно-параметрический синтез проектируемых изделий и технологических процессов.
Таким образом, основные этапы проектирования с точки зрения систе-мологии, как показано выше, могут быть определены следующим образом: определение исходной системы, системы данных, порождающей системы, структурированной и метасистем, а также организация обратной связи после каждой из вышеназванных процедур для уточнения задачи проектирования.
Из известных способов описания систем на концептуальном уровне [18], ориентированных на компьютерную реализацию, наиболее обоснованным является описание, приведенное в [70]. В нем выделены следующие уровни с соответствующими им главными задачами:
выбор или генерация главной полезной функции системы или главной потребности общества, удовлетворяемой с помощью этой системы;
выбор или генерация функциональных структур системы;
выбор или генерация принципа действия системы;
выбор или генерация семантического (технического) решения;
выбор или генерация параметрического решения.
Приведем основные определения. Функциональная структура - это совокупность элементов системы и выполняемых ими функций, определяющих строение и алгоритм функционирования системы. Принцип действия (ПД) -это совокупность явлений на более низких иерархических уровнях, обуславливающих протекание процессов в системе и являющихся причиной внеш них свойств системы. Семантическое (техническое) решение (ТР) - это качественное описание системы с указанием технологического и конструктивного оформления (в широком смысле этих понятий), а также алгоритма функционирования. Параметрическое решение (ПР) - это полное описание системы с указанием количественных технологических и конструктивных параметров.
Такая схема описания, какой либо системы демонстрирует движение от идеи системы в виде формулы главной полезной функции к ее последовательному проявлению через системообразование сначала на более низких ступенях материального мира вплоть до полного проекта овеществления (параметрическое решение) [70]. Применение аппарата системологии позволяет сказать, для каждого системного уровня существует свой язык описания, и, соответственно, своя система объекта со своими базами, каналами наблюдения, абстрагирования и конкретизации. Ей соответствуют системы дан-ных(2 ), совокупность порождающих их систем (F), образующих структурированную систему (ST) или метасистему (М) для данного системного уровня. Этот результат представляется нам очень важным, т.к. становится ясным, какую именно иерархическую структуру имеет целостная техническая система в полном соответствии с результатами конструктивного философского анализа [33,37].
Описание структуры данных автоматизированной системы "МорфоИнверс"
На основе выбранных методов реализации морфологического поиска была разработана следующая структура данных, реализованная при проектировании автоматизированной системы.
Решено, в связи, с использованием большого количества данных, разделенных на группы и имеющих одинаковую структуру, применить использование БД, структура которой первоначально задана в MS Access, а заполнение и обработка данных осуществляется в автоматизированной системе.
1. В БД хранится информация об элементах системы. Для этого создан справочник (elements) (таблица 3.1).
2. Для хранения данных об альтернативах необходима таблица (compl), (таблица 3.2) связанная с таблицей элементов (elements), в ней должны содержаться название альтернативы и ее вес. Также существует необходимость в добавлении поля, указывающего на то, участвует ли альтернатива в формировании модели.
З.Для проектирования системы необходима информация о критериях оценки элементов, и для этого используется таблица справочник (krit) (таблица 3.3), которая хранить данные обо всех имеющихся критериях. Из данного справочника выбираются критерии для оценки каждого элемента (один критерий может соответствовать нескольким элементам, и наоборот, связь многие-ко-многим).
Соответственно, для осуществления связи многие-ко-многим таблицы элементов с таблицей критериев, служит таблица связи (el_krit) (таблица 3.4), в которой также хранятся веса критериев для соответствующего элемента.
5. В методике поиска присутствуют методы, использующие атрибуты элементов, для этого создана таблица атрибутов, связанная со справочником элементов по принципу один-ко-многим (таблица 3.5).
6. Для хранения значений атрибутов каждой альтернативы необходима таблица значений атрибутов (таблица 3.6), связанная с таблицей атрибутов по принципу один-ко-многим. 7. Необходимо установить связь между альтернативами и соответствующим значением определенного атрибута. Для этого используется таблица связи (com_zatr) (таблица 3.7).8. Для оценки альтернатив по соответствующим для элементов критериям существует таблица связи альтернатив и критериев(сот_кгіі) (таблица 3.8) с соответствующим полем для оценки.
9. Для осуществления операции усечения морфологического множества по предпочтениям пользователя предназначена таблица (select_com), хранящая в себе условия усечения (таблица 3.9).
10. Для хранения моделей, синтезируемых в результате морфологического поиска, создана таблица (model) (таблица 3.10). Она хранит в себе саму модель в виде строки с номерами альтернатив модели, название модели (Модель+№), общий вес модели, а также коэффициент целостности.
Учитывая все описанные выше структуры таблиц была сформирована общая схема данных системы "МорфоИнверс" (рис. 3.2).
Сценарий работы автоматизированной системы "МорфоИнверс" для разработки компоновочных решений системы "Компьютер"
1. По приведенному в пункте 4.1. примеру производим заполнение базы данных автоматизированной системы (АС) "МорфоИнверс". Заполним справочник "элементы/функции" функциями, обозначенными в инверсном И-ИЛИ графе на рис. 4.2.
2. После того, как справочники заполнены, переходим к этапу инвертирования. Необходимо выделить инверсные функции из имеющихся и при отсутствии таковых вернуться в предыдущий режим и добавить их.
3. После чего можно получить схематическое изображение графа.
4. На следующем этапе производится сопоставление функций элементам, которые их выполняют. Например, функции "Хранить данные в постоянной памяти" соответствуют такие элементы, как "Жесткий диск", "Устройство чтения/записи компакт-дисков", " Устройство чтения/записи гибгих дисков ".
5. Производится заполнение базы данных альтернативами элементов, атрибутами элементов и их значениями (рис. 4.12).
6. Далее определяем, по каким критериям будет оцениваться тот или иной элемент (рис. 4.13).
7. После того как критерии определены, производится оценка альтернатив по этим критериям (рис. 4.14). Затем рассчитывается обобщенный показатель качества каждой альтернативы (рис. 4.15).
8. После того, как данные о системе "Компьютер" заполнены, переходим к этапу синтеза. На этом этапе необходимо подготовить условия усечения морфологической матрицы для уменьшения ее размерности путем удаления нежелательных альтернатив с помощью атрибутивного подхода (рис. 4.16), а также можем произвести ручное усечение морфологического множества путем удаления конкретных альтернатив (рис. 4.17).
9. На последней стадии работы системы производится синтез экземпляров системы из альтернатив, оставшихся после усечения морфологической матрицы. Полученные экземпляры можно отсортировать по весу, а также сохранить полученные результаты и вывести их на печать.
Похожие диссертации на Инверсно-морфологический подход к синтезу технических решений
