Введение к работе
Актуальность исследования
Характерной особенностью научно-технического прогресса в области создания новых технических систем (ТС) практически во всех сферах человеческой деятельности является опережение сложности создаваемых технических объектов по сравнению с методами их создания. Очевидно, что традиционное проектирование в дальнейшем никогда не сможет обеспечить кардинального сокращения сроков разработки и повышения качества ТС. Поэтому проблема перехода на более совершенные технологии проектирования является весьма актуальной.
Сроки и качество конструкторских разработок в существенной мере зависят от успеха решения задач, возникающих на стадиях технического задания и технического предложения, которые принято называть начальными стадиями проектирования. На них принимаются основополагающие решения о принципе действия, структуре и элементном составе проектируемой системы, то есть осуществляется синтез технического решения. Вместе с тем эти стадии до сих пор остаются наименее исследованными, в том числе и в области проектирования преобразователей энергии (ПЭ) – технических систем, основной функцией которых является преобразование энергии природных источников в термическую, механическую, электрическую, электромагнитную и другие виды энергии.
В этой связи актуальной задачей является разработка подходов и методов, позволяющих повысить эффективность и качество труда конструкторов на начальных стадиях проектирования ПЭ с последующей их автоматизацией в рамках создания САПР на базе уже апробированных информационных технологий.
Одной из проблем, возникающих на пути создания новых подходов к проектированию ТС, является факт существенного разрыва между теоретическими и практическими областями естественнонаучных знаний. При использовании знаний, относящихся к первой категории, конструктору приходится решать нетривиальную задачу преобразования сильно абстрагированного описания физического процесса в конкретную конструкцию ТС. Знания второй категории позволяют познакомиться с большим разнообразием существующих конструкций, сделать их расчет, но не отвечают на вопрос
о том, как их изменить для получения улучшенных модификаций.
Для преодоления такого «барьера» разработчики методов проектирования закладывают в их основу модели физического принципа действия (ФПД). Последние предназначены для определения структуры и состава конструктивных элементов устройства. От адекватности модели во многом зависит эффективность метода. Однако в существующих моделях недостаточно учитываются пространственные и временные факторы, оказывающие существенное влияние на конструктивную организацию ТС. Поэтому известные методы оказываются неэффективны при их использовании для синтеза технических решений ПЭ, характеризующихся, как правило, сложной последовательностью физических процессов во времени
и пространстве.
Все это дает основание говорить, что проблема синтеза технических решений ПЭ до конца не разрешена на данном этапе развития методологии проектирования, а также об актуальности проведенного исследования.
Цель и задачи исследования
Целью диссертационной работы является создание научно-обоснованного метода синтеза технических решений ПЭ, позволяющего повысить качество и эффективность труда конструкторов, занимающихся их разработкой на ранних стадиях проектирования. Для реализации этой цели были поставлены следующие задачи:
1) разработать методику, позволяющую формально определять принадлежность данной ТС к классу ПЭ;
2) разработать модель ФПД, позволяющую отражать всю совокупность физических процессов, необходимых для взаимного преобразования энергии, с учетом пространственных и временных факторов;
3) разработать методики построения моделей ФПД для двух случаев проектирования ПЭ, когда в качестве исходных данных используется:
описание технического решения ПЭ (структура устройства задана);
описание физических процессов взаимного преобразования энергии (требуется генерация структуры);
4) разработать методику для модификации моделей ФПД с целью получения их улучшенных вариантов;
5) выявить элементарные функции конструктивных элементов, необходимые для синтеза технических решений ПЭ на основе заданной модели ФПД;
6) разработать методику формирования множества возможных технических решений ПЭ в виде наборов функционально-совместимых конструктивных элементов;
7) провести апробацию разработанных методик в процессе проектирования новых ПЭ разных видов.
Методы исследования
Для решения поставленных задач и достижения намеченной цели использованы методы теории сложных термодинамических систем, математического моделирования, теорий множеств, графов, исчисления предикатов, системного анализа, эвристического проектирования, экспертных оценок, а также методов искусственного интеллекта, структурного и объектно-ориентированного анализа, проектирования и программирования.
Научная новизна исследования
Разработан метод синтеза технических решений ПЭ, в основу которого заложена новая модель ФПД, позволяющая отражать совокупность физических процессов для взаимного преобразования энергии с учетом пространственных и временных факторов, определяющих структуру устройства и набор функций конструктивных элементов, необходимых для синтеза технических решений. В рамках достижения поставленной цели автором получены следующие результаты, составляющие научную новизну исследования:
1. Предложена новая интерпретация семантической нагрузки вершин и дуг графа модели ФПД на основе аксиоматики теории сложных термодинамических систем.
2. Построение моделей ФПД основано на новой классификации устройств, взаимодействующих с рабочим телом ПЭ, по их функциональному назначению и уровню иерархии.
3. Впервые найдены общие закономерности структурной организации ПЭ, позволяющие на основе абстрактного (не относящегося к конкретной конструкции) описания физических процессов взаимного преобразования энергии осуществить синтез структуры устройства, реализующего данное преобразование.
4. Обнаружены логические связи возможных математических операций над графами моделей ФПД с эвристическими приемами, позволяющие обосновать их новую классификацию и частично формализовать применение эвристик для генерации улучшенных структур проектируемых ПЭ.
5. Выявлены элементарные функции, необходимые для формирования технического решения ПЭ из наборов функционально совместимых конструктивных элементов, и установлено их соотношение с элементами модели ФПД.
Практическая значимость исследования
На основе теоретических положений диссертационного исследования разработан метод, предназначенный для использования на начальных стадиях проектирования ПЭ. Реализация метода может быть осуществлена путем разработки соответствующих программно-информационных комплексов, предназначенных для повышения эффективности поиска необходимой информации и решения вычислительных задач, например, формирования множества возможных технических решений и выбора из него наиболее перспективных. В частности, разработан специализированный метод для синтеза технических решений технологических лазеров на углекислом газе.
Теоретические основы метода могут быть использованы для обучения системному проектированию ПЭ как в области энергомашиностроения, так и в других областях, где осуществляется разработка новых ПЭ. Применение метода уже сложившимися специалистами требуется для эффективного использования имеющегося у них опыта для проектирования ПЭ в других областях техники. Обучение методу студентов вузов существенно повышает их квалификацию, так как синтез технических решений в настоящее время остается уделом самых высококвалифицированных специалистов.
Достоверность и обоснованность результатов
Подтверждается использованием в качестве понятийной основы инженерно-физического метода апробированной аксиоматики теории сложных термодинамических систем, а также положительными результатами построения моделей ФПД для самых разных видов ПЭ. Кроме того, достоверные результаты синтеза технических решений в результате использования метода получены в тех случаях (например, для двигателя внутреннего сгорания), когда их невозможно получить морфологическим методом.
Реализация результатов исследования
Результаты диссертационной работы в виде программно-информационного комплекса и руководящих методических материалов внедрены на предприятиях ФГУП «ПО «Баррикады», ФГУП «ЦКБ «Титан», НПО «Ритм» ОКБ «Роботы» г. Волгограда и ФГУ «Волгоградский центр научно-технической информации».
Разработанные методическое и программное обеспечение используется в учебном процессе Волгоградского государственного технического университета на кафедрах «Системы автоматизированного проектирования и поисковое конструирование», «Автоматизация производственных процессов», а также в филиале Московского энергетического института в г. Волжском, при чтении дисциплин «Автоматические системы управления и системы автоматизированного проектирования энергоустановок» и «Методы инженерного творчества».
Апробация результатов исследования
Основные положения диссертации докладывались на семинарах кафедр «Автоматические установки», «Автоматизация производственных процессов», «Системы автоматизированного проектирования и поисковое конструирование» и ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного технического университета (1990–2007 гг.), семинарах кафедр «Теория и системы управления» Ивановского государственного энергетического университета, «Конструирования и производства радиоаппаратуры» Московского энергетического института (ТУ), межрегиональной научно-практической конференции «Интеллектуальные измерительные системы в промышленности южного региона» (Волжский, 2007 г.), Всероссийских научно-практических конференциях «Перспективные проекты и технологии в энергетике» (Волжский, 2005), «Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов» (Волжский, 2006 гг.), «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности» (Астрахань, 2007 г.), международных научно-технических конференциях «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград, 2004, 2006 гг.), «Системные проблемы надежности, качества информационных и электронных технологий в инновационных проектах» (Сочи, 2006 г.), «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе» (Ялта-Гурзуф, 2006, 2007 гг.), «Интеллектуальные системы в науке, технике, образовании, бизнесе» (Дивноморск, 2007 г.).
Публикации
Основные положения диссертации отражены в 56 публикациях. В том числе в двух монографиях (общим объемом 18 п. л.) и 18 статьях в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК. В процессе работы над диссертацией сделано 7 изобретений и зарегистрирована программа для ЭВМ. Обе монографии и 14 статей в рецензируемых журналах опубликованы без соавторов. В работах, опубликованных в соавторстве, личное участие автора заключается в определении проблемы, постановке задач, разработке основных теоретических положений.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть диссертации изложена на 296 страницах машинописного текста, содержащего 62 рисунка и 37 таблиц.
