Методы и модели принятия решений на этапе поискового проектирования технических систем ХОМЕНКО Татьяна Владимировна

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Анализ состояния теории и практики поддержки принятия решений на этапе поискового проектирования 18

1.1 Анализ начальных этапов проектирования технических систем 18

1.1.1 Общая характеристика начальных этапов проектирования 19

1.1.2 Особенности представления технического решения 23

1.1.3 Особенности оценивания технических решений 24

1.1.4 Проблема принятия решений на этапе поискового проектирования 25

1.1.5 Характеристика трудно формализуемой задачи и пути е решения 30

1.2 Анализ задач поддержки принятия решений 32

1.2.1 Сравнительный анализ методик системного анализа 32

1.2.2 Сравнительный анализ подходов оценки и выбора альтернатив 36

1.2.3 Представление задач формирования критерия и выбора решений на начальных этапах проектирования 38

1.3 Анализ методов проектирования технических систем 44

1.3.1 Современные методы поискового проектирования 44

1.3.2 Решение задачи принятия решений в методах проектирования 55

1.4 Анализ методов моделирования в проектировании 59

1.4.1 Теоретико-множественная модель 59

1.4.2 Модели представления знаний 59

1.5 Выводы по первой главе 63

Глава 2. Концепция принятия решений на этапе поискового проектирования 66

2.1 Основополагающие принципы концепции 66

2.1.1 Общая форма совокупности принципов 66

2.1.2 Постулативная форма совокупности принципов 66

2.2 Исходные положения концепции 69

2.2.1 Триадные основы и базисная триада 69

2.2.2 Взаимосвязь элементов триадных основ 71

2.3 Принятие решений на этапе поискового проектирования 75

2.3.1 Формирование множества критериев оценивания 76

2.3.1.1 Постановка задачи формирования множества критериев 76

2.3.1.2 Стратегия решения задачи 76

2.3.2 Формирование значений компонент критерия 77

2.3.2.1 Постановка задачи формирования значений компонент критерия 77

2.3.2.2 Стратегия решения задачи 78

2.3.3 Формирование множества эффективных технических решений 79

2.3.3.1 Структурная сложность критерия 80

2.3.3.2 Постановка задачи 80

2.3.3.3 Стратегия решения задачи 81

2.3.4 Формирование множества технических решений, эффективных с позиции научно-технической результативности 82

2.3.4.1 Постановка задачи 82

2.3.4.2 Стратегия решения задачи 83

2.3.5 Выбор технических решений 84

2.3.5.1 Постановка задачи выбора технических решений 84

2.3.5.2 Описание системы целепологания задачи выбора ТР 85

2.3.5.3 Стратегия решения уточннной задачи выбора ТР 87

ГЛАВА 3. Базисные понятия и теоретико-методологические основы принятия решений 90

3.1 Метод постепенной формализации исследований 90

3.2 Формальное представление системы знаний принятия решений

3.2.1 Модельное представление системы знаний процесса принятия решений на начальных этапах проектирования технических систем 90

3.2.2 Обоснование маршрутизации информационных потоков процесса принятия решений на начальных этапах проектирования технических систем 98

3.2.3 Обоснование структуры принятия решений на этапе поискового проектирования 101

3.3 Построение теоретико-методологических основ принятия решений 106

3.3.1 Обоснование структуры решения задачи выбора на этапе поискового проектирования 106

3.3.2 Базисные понятия задачи выбора технических решений 108

3.3.3 Обоснование структуры решения задач рассматриваемого класса 110

3.3.4 Обоснование закономерности движения информационных потоков при решении задач рассматриваемого класса 113

3.3.5 Базисные понятия решения задач рассматриваемого класса 123

3.3.6 Теоретико-методологические основы принятия решений 125

3.4 Выводы по третьей главе 126

ГЛАВА 4. Базисные методы и методические основы принятия решений 128

4.1 Метод формирования многокомпонентного критерия 128

4.1.1 Описание метода 129

4.1.2 Адаптация метода к задаче формирования множества критериев 130

4.2 Метод формализации и согласования значений компонент критерия 131

4.2.1 Описание метода 132

4.2.2 Адаптация метода к задаче формирования значений компонент критерия 133

4.3 Метод организации множества эффективных решений 134

4.3.1 Описание метода 135

4.3.2 Адаптация метода к задаче формирования множества эффективных технических решений 136

4.4 Метод организации множества решений, эффективных с позиции НТР 137

4.4.1 Описание метода 138

4.4.2 Адаптация метода к задаче формирования множества технических решений, эффективных с позиции НТР

4.5 Сходимость базисных методов решения внутренних задач 140

4.6 Метод выбора решений, эффективных с позиции НТР 141

4.6.1 Нормирование параметров 143

4.6.2 Описание метода 144

4.6.3 Сравнительное моделирование 145

4.6.4 Сходимость и тестирование метода

4.7 Методические основы принятия решений 151

4.8 Выводы по четвртой главе 152

ГЛАВА 5. Базисные операции и организационные основы принятия решений 153

5.1 Событийно–ориентированная модель трансляции построения топологии решения задачи 153

5.1.1 Постановка задачи трансляции построения топологии 153

5.1.2 Описание модели 154

5.1.3 Структуры и типы данных 156

5.1.4 Трансляция одной процедуры 159

5.1.5 Трансляция взаимодействующих процедур 161

5.2 Сценарно–ориентированная модель трансляции выбора технических решений 165

5.2.1 Описание модели 165

5.2.2 Автоматная декомпозиция 166

5.2.3 Описание структурных единиц

5.3 Организационные основы принятия решений 171

5.4 Выводы по пятой главе 171

ГЛАВА 6 Практическая реализация концепции принятия решений 172

6.1 Структуры и типы данных 172

6.2 Алгоритмическое обеспечение задачи формирования множества критериев

6.2.1 Исследование критерия на минимальность 173

6.2.2 Исследование критерия на независимость его компонент 174

6.2.3 Исследование критерия на полноту 176

6.2.4 Алгоритм исследования многокомпонентного критерия на выполнение общих требований 179 6.3 Алгоритмическое обеспечение формализации и согласования экспертных

мнений при формировании значений компонент критерия 186

6.3.1 Представление нечткой информации экспертов в виде нечткой/лингвистической переменной 186

6.3.2 Согласование экспертной информации 190

6.3.3 Расчт выходных значений компонент критерия 193

6.3.4 Алгоритм формирования согласованных значений компонент критерия 196

6.4 Алгоритмическое обеспечение формирования множества эффективных решений 201

6.4.1 Определение структурной сложности критерия 201

6.4.2 Правила формирования множества эффективных решений 202

6.4.3 Алгоритм формирования множества эффективных решений 206

6.5 Алгоритмическое обеспечение формирования множества решений,

эффективных с позиции научно-технической результативности 208

6.5.1 Оценка технического решения на этапе поискового проектирования 209

6.5.2 Алгоритм формирования множества решений, эффективных с позиции НТР 210

6.6 Алгоритмическое обеспечение выбора технических решений 214

6.6.1 Оценка сценария выбора технических решений 214

6.6.2 Алгоритм оценки сценария выбора технических решений 216

6.7 Программный комплекс поддержки принятия решений для формирования

критерия сложной структуры и выбора технических решений 217

6.7.1 Характеристика и назначение программы 217

6.7.2 Структура программы 218

6.7.3 Функциональная модель системы 221

6.7.4 Прецедентная модель системы 224

6.7.5 Инфологическая модель 225

6.7.6 Даталогическая модель системы 226

6.7.7 Логическая модель системы 230

6.7.8 Описание программной реализации комплекса 231

6.8 Выводы по шестой главе 235

ГЛАВА 7. Достоверность разработанной модели и программного комплекса поддержки принятия решений 236

7.1. Условия проведения экспериментов 236

7.2 Обработка экспериментальных данных 240

7.3 Результаты экспериментального исследования 249

7.4 Оценка адекватности модели 265

7.5 Выводы по седьмой главе 279

Основные результаты работы и выводы 280

Библиографический список литературы 283

• Проблема принятия решений на этапе поискового проектирования
• Принятие решений на этапе поискового проектирования
• Обоснование структуры принятия решений на этапе поискового проектирования
• Адаптация метода к задаче формирования множества эффективных технических решений

Введение к работе

Актуальность проблемы. Совершенствование методов проектирования

технических систем направлено на сокращение общего времени, снижение трудоемкости отбора и уменьшение стоимости разработки в целом. В настоящее время, наблюдается тенденция отхода от строго последовательного прохождения основных этапов проектирования, интегрирования и аккумулирования знаний проектно-конструкторского и технического этапов на начальный поисковый этап проектирования, на котором, базируясь на эвристических и эмпирических данных, принимаются концептуальные решения о принципе действия проектируемой системы.

Большой вклад в исследование закономерностей поискового проектирования
технических систем внесли: К. Рот, В. Роденаккер, Ф. Цвики, Р. П. Повилейко,
Ю. М. Чяпяле, Г. С. Альтшуллер, Б. И. Голдовский, Ю. Н. Шеломок, Е. П. Балашов, и
другие учёные. Методы данных авторов, ставшие классическими, ориентированы на
организацию процесса выработки множества альтернативных вариантов.

Исключительная трудоёмкость задачи формирования множества альтернатив
повлияла на стремительное развитие методов, направленных на компьютерную
поддержку поискового этапа проектирования: В. М. Цуриков, Р. Коллер,

В. А. Камаев, Ю. И. Лыпарь, А. И. Половинкин, В. Н. Глазунов, М. Ф. Зарипов, И. Ю. Петрова, В. В. Попов, А. М. Дворянкин, С. А. Фоменков и другие учёные. Потребность в развитии технологий компьютерного моделирования технически сложных изделий и систем обусловливает их включение в перечень, определяемый политикой РФ, критических технологий в области техники, науке и технологий, и разработке ряда Федеральных целевых программ.

Вместе с тем, согласно данным РОСКОМСТАТ, безвозвратность средств от общего объёма финансирования стадии научно-исследовательских работ, включающей этап поискового проектирования, может достигать 15%. Одной из причин появления рисков – неверный выбор технического решения на этапе поискового проектирования и его последующая реализация. По данным ряда экспертов стоимость исправления проектной ошибки на этапе технического проектирования возрастает в 100 тыс. раз, если она была допущена на начальных этапах проектирования. В связи с этим встает проблема повышения качества проектных решений на этапе поискового проектирования технических систем.

В свою очередь, качество проектных решений зависит от научной проработанности теоретических основ структурной и параметрической оптимизации, выполняемой на этапе поискового проектирования, как в части синтеза (конструирования), так и в части анализа (отбора) решений.

Степень разработанности темы. Области начальных этапов проектирования
технических систем посвящены работы авторов: В. М. Цуриков, Р. Коллер,
В. А. Камаев, Ю. И. Лыпарь, А. И. Половинкин, В. Н. Глазунов, М. Ф. Зарипов,
И. Ю. Петрова, В. В. Попов, А. М. Дворянкин, С. А. Фоменков. В работах
О. И. Ларичева, В. Д. Ногина, А. И. Орлова, И. Г. Черноруцкого рассматривается
проблема принятия решений в условиях неопределённости. Подходы к решению
задач математического программирования представлены в работах

Ю. Ю. Финкельштейна, Дж. Моудера, В. В. Подиновского, И. В. Сергиенко.

Выполненный анализ научных работ показал, что, несмотря на значительные результаты в моделировании сложных процессов, недостаточно представлены

комплексные методики моделирования процесса принятия решений в рамках структурной оптимизации этапа поискового проектирования технических систем.

Актуальность темы диссертационного исследования определяется

необходимостью разработки методов, моделей, программных средств для исследования и решения проблемы принятия решений на этапе поискового проектирования, обусловленная недостаточной изученностью научной проблемы разработки методологии принятия решений в рамках структурной оптимизации, путём формирования моделей, методов, алгоритмического и программного обеспечения для автоматизации поискового проектирования технических систем.

Основные разделы диссертационного исследования проводились в ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» в рамках тематики госбюджетных НИР по теме «Теоретический анализ и математическое моделирование информационных систем» (2008 – 2012гг.), содержания разделов диссертационного исследования соответствуют Федеральной целевой программе «Национальная технологическая база (2007 – 2011гг.)», перечню, определяемого политикой РФ в различных областях науки, техники и технологий, критических технологий от 24.06.2013г. «Технологии компьютерного моделирования технически сложных изделий и систем, а также объектов промышленной инфраструктуры».

Объект исследования – множество технических решений на этапе поискового проектирования технических систем.

Предмет исследования – модели, методы, алгоритмы и программы для отбора технических решений.

Цель исследования – повышение эффективности процесса выбора технических решений на этапе поискового проектирования технических систем. Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

1. выполнить анализ методов проектирования технических систем, принятия решений в задачах структурной оптимизации и параметрической оптимизации;

2. сформулировать принципы и разработать концепцию принятия решений на основе динамически формируемого критерия работоспособности технических систем;

3. обосновать основные положения принятия решений на этапе поискового проектирования и сформулировать их в виде триадных основ;

4. разработать математические модели задач принятия решений: формирования критерия и отбора технических решений в заданных условиях и методы их решений;

5. получить аналитические соотношения для определения количественной оценки полноты, независимости, минимальности формируемого критерия и разработать методику исследования его структуры на соответствие общим требованиям, предъявляемым к критериям;

6. получить аналитические соотношения для определения значений компонент критерия на этапе поискового проектирования и разработать методику обработки экспертной информации, позволяющую использовать полученные соотношения;

7. разработать методику анализа технических решений через количественную оценку технического уровня отобранных решений;

8. реализовать методы, модели в виде алгоритмического обеспечения и программного комплекса поддержки принятия решений;

9. провести исследование предложенных моделей на адекватность, предложенных методов на повышение эффективности принятия решений на этапе поискового проектирования.

Научная новизна. Для выбора технических решений на этапе поискового проектирования сформулирована концепция принятия решений, обеспечивающая расширение области отбора и повышение адекватности моделей, включающая:

10. теоретические, методические и организационные аспекты принятия решений, представленных в виде триадных основ, определяющих организацию системы научных знаний процесса принятия решений на этапе поискового проектирования;

11. разработанные: графовую модель, эксплицирующую связь «состояние – идентификация», представляющую новое понятие – «топология решения задач»; логическую модель, эксплицирующую связь «категория - отношение», предназначенную для типизации маршрутизации информационных потоков решения задач рассматриваемого класса;

12. разработанные математические модели формирования множества критериев и множества эффективных решений, с постановкой задач, относящихся к классу дискретного программирования, для задачи выбора технических решений – к классу двухуровневого математического программирования, с введением дополнительных условий, отвечающих спецификам решаемых задач;

13. предложенные аналитические соотношения, позволяющие, через количественные оценки минимальности, полноты критерия и независимости его компонент, согласования нечёткой экспертной информации на основе С–ядра и лингвистической аппроксимации, сложности критерия от полученных данных о его структуре, коэффициента научно-технической результативности технических решений, привести задачу выбора к принятию решений в условиях определённости;

14. предложенные модифицированные методы для решения задач рассматриваемого класса: формирования многокомпонентного критерия, формализации и согласования значений компонент критерия, организации множества эффективных технических решений, организации множества технических решений, эффективных с позиции научно-технической результативности, комбинирующие элементы эволюционного моделирования и локального поиска/поиска с запретами; выбора технических решений, сочетающий в себе элементы генетического поиска, поиска с запретами и систематический поиск;

15. разработанные событийно– и сценарно–ориентированные модели, отражающие визуализацию транслирования информации при решении задач на основе компьютерных методов обработки информации.

Теоретическая значимость работы:

16. доказаны утверждения о мере отражения объективной информации компонентами при формировании критерия, существовании решения задачи на этапе поискового проектирования, вносящие вклад в решение проблемы структурной оптимизации;

17. применительно к проблематике диссертации, с получением результатов, обладающих новизной, применялся комплекс известных методов теории знаний, теории систем, теории графов, теории информации;

18. изложены идеи выбора решений на этапе поискового проектирования в общей концепции принятия решений; изучены причинно-следственные связи в решении рассматриваемых задач; проведена модернизация этапов поддержки принятия решений при поисковом проектировании технических систем, позволяющих получить новые результаты по теме диссертационной работы.

Практическая значимость работы:

19. разработан и внедрён комплекс моделей, методов и программных разработок поддержки принятия решений;

20. определены перспективы практического использования теории на практике качественного/количественного сравнения технических решений, снижающие риски «случайного выбора» решений;

21. представлены методические рекомендации применения методов и моделей при решении задач формирования критерия и выбора решений; разработанная концепция принятия решений реализована в госбюджетных НИР.

Результаты внедрены в ряде организаций: в ФГУП «Экспериментальный завод
научного приборостроения» (г. Черноголовка, Московская область) для анализа
чувствительных элементов и выбора физического принципа действия

проектируемого объекта; в ООО «Электроспецмонтаж» (г. Астрахань) для
формирования критерия, компоненты которого отождествляются с

эксплуатационными характеристиками этапа технического проектирования; в ООО «Биомедтехника» (г. Пенза) для выбора технических решений при поисковом проектировании чувствительных элементов медицинских приборов; в филиале АОА «МРСК Юга» – «Астраханьэнерго» (г. Астрахань) для выбора технических решений по снижению времени ремонта электрооборудования и количества отключений; в ОАО «Судостроительно-судоремонтный завод «Красные Баррикады» (г. Астрахань) для повышения качества проектирования морских технических средств для освоения нефтяных месторождений на шельфе Каспия за счёт неоднократного роста числа технических решений при многокритериальной оптимизации.

Разработки автора используют в учебном процессе при преподавании дисциплин, которые связанны с проектированием технических систем в ФГБОУ ВПО «Астраханском государственном университете» и в ФГБОУ ВПО «Волгоградском государственном техническом университете».

Методология и методы исследования: в работе применяется интегрированное сочетание методов обработки информации и принятия решений; нечётких множеств и логики; математической статистики и дискретной математики; системного и кластерного анализа; теории управления; теории проектирования, связанной с синтезом физических эффектов и отбором физических принципов действия технических систем с привлечением теории энерго–информационной модели цепи; аппаратом параметрических структурных схем; математического моделирования; технологий объектно–ориентированного программирования.

Положения, выносимые на защиту:

1. Концепция принятия решений на этапе поискового проектирования на основе динамически формируемого критерия работоспособности технических систем.

2. Концептуально-логическая модель выбора технических решений, уточняющая важнейшие исходные компоненты многокритериальной задачи выбора в рамках структурной оптимизации.

3. Математическая модель выбора технических решений, с декомпозицией и постановкой задач в классе математического программирования.

4. Гибридный метод выбора технических решений, базирующийся на локальном поиске и аналитических соотношениях определения информации о формируемом критерии и эффективности решения.

5. Результаты реализации разработанной концепции в виде программного
обеспечения автоматизации процессов формирования состава критерия

работоспособности проектируемой системы, согласования значений его компонент и выбора эффективного решения с позиции научно-технической результативности.

Степень достоверности исследований обусловлена корректным

использованием методов исследований; адекватность разработанных моделей подтверждается результатами сравнений с экспериментальными данными; данными, приобретёнными из независимых источников (РОСПАТЕНТ) и полученными ранее по рассматриваемой тематике; результативность и эффективность решений подтверждена соответствующими актами внедрения результатов работы в различных организациях и учреждениях.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и
обсуждались на XIth International Scientific Conference «Shevchenkivska vesna 2013»,
(Kyiv, Ukraine 2013); IVth International scientific conference «European Science and
Technology» (Munich, Germany 2013); IIth international research and practice conference
«Science, Technology and Higher Education» (Westwood, Canada 2013); International
scientific-practical conference «Innovative Information Technologies» (Prague, 2014); XII
Всероссийской конференции «Управление большими системами УБС-2015»
(Волгоград, 2015); XIV Международной научно-практической конференции
«Региональная информатика (РИ-2014)» ( Санкт-Петербург, 2014); XVII
Международной научно-практической конференции «Системный анализ в
проектировании и управлении» (Санкт-Петербург, 2013); IX Международной
научно-практической конференции «Теория и практика современной науки»
(Москва, 2013); Международной научной конференции «Фундаментальные и
прикладные исследования университетов, интеграция в региональный

инновационный комплекс» (Астрахань, 2010); XXI - XXIII Международных
научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях»
(Саратов, 2008, 2010; Псков, 2009); научных и научно-практических конференциях
профессорско-преподавательского состава Астраханского государственного

технического университета (Астрахань, 2007-2015).

Основные положения работы отражены в 21 статье в периодических и научно-технических журналах, рекомендуемых ВАК РФ; 3 монографиях; 2 статьях в журналах, индексируемых в SCOPUS; 11 статьей в сборниках материалов всероссийских и международных научных конференциях; 4 статьи в иностранных источниках. Получено 4 патента на полезную модель; 2 свидетельства Роспатента программ для ЭВМ. Без соавторства опубликовано 26 работ.

В опубликованных, в соавторстве, работах личное участие автора охватывает определение проблем, постановки задач, разработки теоретико-практических положений и непосредственное участие на всех этапах исследований.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, семь глав основного текста, заключение, библиографический список литературы и приложения. Основной состав работы представлен на 311 страницах, содержит 86 рисунков, 36 таблиц, 68 формул.

Проблема принятия решений на этапе поискового проектирования

Первая часть проблемы принятия решений на этапе поискового проектирования заключается в различии формирования критериев для оценки и отбора технических решений на этапе технического и поискового проектирования: показатели качества этапа технического проектирования - это эксплуатационные характеристики работоспособности и пригодности (качества) объекта проектирования для использования его по назначению; показатели качества этапа поискового проектирования еі є Е} (i = 1,n,j = 1,т) - это компоненты критерия /(,) = /( ?,), которые являются прогнозными и характеризуют эффективность от функционирования проектируемого объекта. Многослойность и иерархичность процесса проектирования обусловливает отождествление следующих терминов: 1) термин «единичный показатель» (ГОСТ 15467-70) сравнения вариантов технического исполнения объектов на этапе технического проектирования и термин «компонента критерия» этапа поискового проектирования; 2) термин «комплексный показатель» (ГОСТ 15467-70) оценки технико-экономического уровня объекта на этапе технического проектирования и термин «критерий оценивания», формирующий принцип оптимальности отбора технического решения на этапе поискового проектирования.

Вторая часть проблемы принятия решений на этапе поискового проектирования со стороны заказчиков и разработчиков и поиска компактного i = 1,n пространства {et}eE компонент критерия оценивания как задача

коллективного принятия решений в условиях конфликта. Так как случайный выбор компонент критерия оценивания технических решений может привести к случайным, далеко не лучшим решениям.

Идеальным результатом формирования критерия оценивания является удовлетворение всего количества запросов всех участников проектирования. Однако в теории принятия решений приняты ограничения, которые представлены в виде общих требований, предъявляемых к критериям, связанных с принятием решений.

Действенность критерия: критерий, содержащий п компонент действенен, если он, являясь чувствительным к существенным изменениям, возникающим в процессе проектирования системы, отражает основную цель, при этом компоненты критерия имеют чткий смысл, а лица принимающие решения (ЛПР) понимают влияние их действий на обсуждаемую проблему.

Полнота критерия: критерий, содержащий п компонент, охватывая все важные аспекты проблемы и отражая все существенные стороны деятельности системы, является полным, если, ЛПР знает значения «-мерного критерия и имеет представления о достижении поставленных целей.

Неизбыточность критерия: критерий должен быть сформирован таким образом, чтобы не повторялись аспекты решаемых проблем. Минимальность критерия: мощность критерия должна быть малой настолько, насколько это возможно. Увеличение числа компонент критерия, при связывании примитивных признаков с самостоятельной компонентой, приводит к анализу решаемых задач в широком смысле, но может привести и к ошибочности результатов, за счт сильно усложннного анализа.

Третья часть проблемы принятия решений на этапе поискового проектирования заключается в необходимости информации о состояниях, строениях и закономерностях развития объекта проектирования рассматриваемого класса и его функционального назначения. Так как представления об объекте на этапе поискового проектирования являются ещ самыми общими, тогда должны рассматриваться различные варианты состава и структуры критерия и использование соответствующих методов оценки технического решения.

Четвртая часть проблемы заключается в различии механизмов получения комплексной оценки качества технического решения этапа технического проектирования и формированием критерия оценивания этапа поискового проектирования.

Формирование критерия оценивания технического решения на этапе поискового проектирования требует эффективно организованной информации в базе знаний [182, 197, 22, 35], позволяющей экспертам (проектировщикам, ЛПР) прогнозировать возможные варианты решений, выполнять их анализ и оценку, и в дальнейшем более обоснованно выбирать, одно из предложенных ТР.

Специфика баз проектных знаний поискового проектирования заключается в разнородных знаниях о предметной области, об ограничениях, о решаемых задачах проектирования [6, 37, 280].

Следовательно, принятие решений на этапе поискового проектирования, из-за сложности разработки моделей объектов, отсутствии четких представлений о возможных решениях и других неучтнных факторов, рассматривается в условиях неопределнности. 1.1.5 Характеристика трудно формализуемой задачи и пути её решения

В силу итеративности процесса проектирования при принятии решения на этапе поискового проектирования учитываются тех же технические требования к эксплуатационным характеристикам приборов, что и на этапе технического проектирования. Однако при интеграции критерий оценивания претерпевает определнную трансформацию: компоненты критерия оценивания этапа поискового проектирования только отождествляются с эксплуатационными характеристиками технической системы этапа технического проектирования.

На этапе поискового проектирования: 1. технические решения как альтернативы реально не существуют; 2. охватывается, прежде всего, качественная информация; 3. ограничено количественное и/или объективное измерение свойств объекта выбора (технических решений - альтернатив), что связано со свойствами реально ещ не существующего объекта, и как следствие, значения компонент критерия на этапе поискового проектирования наряду с количественными, могут носить качественный (нечткий) характер; 4. представление о «лучшем решении» объекта выбора неоднозначно и противоречиво, что связано с изменением на разных этапах жизненного цикла роли объектов проектирования.

Вс вышеперечисленное позволяет говорить: о принятии решений на этапе поискового проектирования в условиях неопределнности, характеризующейся НЕ - факторами [105, 145]: неполнотой; неоднозначностью; недоопределнностью информации; о задаче принятии решений на этапе поискового проектирования как о слабо формализуемой задаче [159, 46, 129, 85]: условием, содержащим данные, носящие субъективный и качественный характер, при отсутствии аналитического описания связей (зависимостей) данных;

Принятие решений на этапе поискового проектирования

Решения задач основаны на результате прогнозирований, с содержанием процедур принятий коллективного решения в ситуациях конфликтных, поэтому необходимо чтко представлять, что требуется от объекта проектирования и какие результаты предполагается достичь.

Выработка способов достижения поставленных целей/сценариев: ф8іеФл ф8і сДи разрешения конфликта возможных и желаемых объектов есть элемент процесса перехода z2 є Z ко второму шагу. 2) На этапе поискового проектирования при описании структуры системы и формирования критерия оценивания z2&Z формируется система S2 согласно задаче {SbDj}: z2 : &,Д}- S2.

Формулирование целей QG создает возможность отбора связанных с ними критерия, который рассматривается как некий показатель/правило, отражающий качество объекта/целевую направленность процесса, реализуемого системой, по которому/относительно которого проводится выбор решений/средств достижения цели: Г = max {YJ }, где: Yj = Wj (xt, um ) - показатель; xt, є X (/ = U) - входные сигналы, преобразуемые элементом; ит є U (m = l,km) - управляющие сигналы, переводящие элемент из одного состояния в другое; причм: X := А; X := Rтр; = Р л С; 7 с S2. Определение желаемого будущего для системы S2 может проводиться путм генераций сценария на базе причинно-следственной связи элементов данной системы: ф82 є Ф & ф8г с D2, для чего необходимо иметь информацию для формирования совокупности сценариев, что является элементами процесса перехода z4 є Z к третьему этапу.

3) На этапе поискового проектирования при поиске альтернатив z5 є Z формируется система S3 согласно структуре системы &: z4 : fe, D2 } - 3. Задача поиска альтернатив на этапе поискового проектирования сводиться: а) к решению задачи синтеза: необходимо иметь информацию об элементах синтеза, где вид, состав информации и поставленные цели влияют на решение задачи синтеза модели принципа действия проектируемой системы в виде цепочки моделей эффектов и/или функциональной структуры; б) к решению задачи поиска существующего устройства из базы данных по техническим решениям, так как любой объект проектирования может быть реализован на основе различных структур: А — Rтр. Информация о полученной структуре система S3 множества альтернатив при: ЗЁФ & ф8з с: А есть элемент процесса перехода z6 є Z к четвртому этапу. 4) На этапе поискового проектирования при оценивании и выборе лучших технических решений zn є Z формируется система S4 согласно задаче {S3, D3} и {S2, D2}: z6:{S3,D3} S4. Задача выбора решений является необходимой частью задачи синтеза, с последующим выбором наиболее желательного исхода Rпр, удовлетворяющего заданному набору требований 7 . Для е решения необходимо определить принципы и критерии выбора Р л С, на основе которых проводится оценивание К синтезированных вариантов технических решений Rтр . Для этого выполняются следующие шаги. Шаг 1. Формируется критерий оценивания f(e) , который на всех заданных вариантах а є А будет иметь критериальную оценку у критериальной шкалы Y значений іеі, определяемых как х = (р{а): у = f(e), УаєАЗеєЕ: (а;е)є р н аре, /?:=«отношение соответствия». Для формирования критерия оценивания: а) рассматриваются свойства проектируемого объекта, признанные существенными для поставленной цели оценивания решения, при этом ситуация может описываться не одним, а несколькими компонентами критерия. Тогда говорят, что задан вектор - критерий оценивания: f{E) = Де,-), где Е = {et\i = ЇЯ где / - номер компоненты критерия, а п - число компонент критерия, следовательно: , /?:=«отношение соответствия»; б) выбираются соответствующие шкалы измерений компонент критерия: значения компонент критерия выражаются в номинальной шкале, так как носят качественный характер; значения компонент критерия выражаются в количественных шкалах, так как носят количественный характер. в) исследуемым компонентам критерия присваивается определенное значение на выбранных шкалах. Шаг 2. Обосновываются предпочтения компонент критерия оценивания проектируемого объекта на соответствующей позиции, на основе измеренных на выбранных шкалах свойств. Шаг 3. Определяется цель оценивания: из некоторого заданного конечного множества вариантов (альтернатив) А или любого его подмножества В (В А) необходимо выделить одно или несколько вариантов решений в определнном смысле лучших х = р(а) соответствующих критерию оценивания у = /(e) . Шаг 4. Собственно оценивание:

а) все исследуемые решения рассматриваются как конечное множество вариантов (альтернатив) решений ,4; б) образовывается соответствующая порядковая (ранговая) шкала X, при этом процесс проецирования на числовую ось X(шкала) множества вариантов рассматривается как «отношение шкалирования»: р : А - X У а є А Зх є X: (а, х) є р - х = ср(а), где (р - инъективно, так как выполняется условие: х = (р(ах) л х = (р(а2) - ах =сс2; в) все решения множества А сравниваются по критерию: после упорядочения вариантов а є А по величинам соотнеснных им количественных оценок х є X и сохраняя за вариантами альтернатив а є А только соответствующие им порядковые номера п є N, вариант а є А считается тем «лучше», чем большая/меньшая критериальная оценка у = f{e) критериальной шкалы Y приписывается варианту х = р(а).

Выбор подмножества YA с У вариантов а є А по критерию /(e), является экстремизационным, если выполняется согласно правилу [242]: YA=[x єАле єЕ : а р є За є А ле єЕ: аре f(e) f(e )) (YA 4 є ле єЕ:а ре ЗаєАлеєЕ:аре /(е ) /(е)}) При описании ситуации несколькими компонентами критерия, необходимо расширение представлений об экстремумах (максимум/минимум), приводящее к отбору подмножества из множества вариантов, лучших с позиции такого критерия оценивания. Для чего необходимо выполнение векторных неравенств: YA={x eAAE ={;:}CE:a pE \3aeAAE = \ei}CE :apE f(E) f(E )} YA = {х є А лЕ = {j }c: Е : а р Е За є АлЕ = &}а Е: арЕ —» j где: f(E) f(E ) - /({?,.}) Л{е }), V/ei 7. Имеет место многокритериальная задача индивидуальных и/или коллективных принятий решения. Для наращивания информации нужны исследования следующей системы: S3, S2, Sj, на которых формируется представление о «лучшем решении». Информация о полученной структуре система S4 множества технических решений из полученных альтернатив при: є Ф & ф8 z D4 является элементами процесса перехода z8 є Z к пятому этапу. 5) На этапе поискового проектирования при реализации решения и их оценки z9 є Z формируется система Ss согласно задаче {S4, D4} элементами которой являются проектные решения Rпр.

Обоснование структуры принятия решений на этапе поискового проектирования

Согласно [258, 224], имеем: прямое произведение К1 и к1, К2 и К2 - это выражение К1хК1, К2хК2 с морфизмами р1В2:К1хК1 К2, р2В2:К2хК2 К3 при условии существования, для любого К2, единственного морфизма: /г//1:К2- 2 , /г//2:К2- 3 . \/К1 хК1 3MOR (p1B2 :К1хК1 К2) : VK2 3MOR(fr//1 : К2 - К2) и \/К2 хК2 3MOR (p2B2 :К2хК2 К3) : VK2 3MOR(fr//2 : К2 - К3) Согласно [258], имеем: прямое произведение -3 и F2Аs - это выражение 2Аs с морфизмами /(г_2) // :K 3xF 2Аs - К3 и ( ) :K 3xF 2А F 2А при условии K3xF существования, для любого К2 с морфизмом /(г_1)// :К2 - К3 и /(r+1)// :К2- 7 единственного морфизма fr// :К2 K3xF2Аs: VK2 Э(/ _ // : К2 - 3 Л /(г+1)// : К2 " F2А ) : Э (//1 : К2 - 3 Х F2А ) Л V3 х 3 (/ // : К3 х F2Аs -+К3л f // : K3 x F2Аs - F2Аg) : 3 (f//2: K2 - K3)

Отношения между элементами задачи образуют конечное множество Л2 = {2;х2} конечного числа отношений, заданных во второй внутренней задаче и выражают совместимость элементов и другие структурные свойства общей задачи выбора ТР.

Задача формирования множества эффективных технических решений, описывающая множество конкретных фактов о проектируемой технической системе. Пусть k = 3, тогда модель Ql = {К3;Л3} будет представлена: множеством К3={K 1;K2;K3}, где: K1:=A = {a3} - множество предметных категорий, где і = 1, Ї", X = 1, X", K2:=D = 3 J – множество схем предметных категорий, где П = 1, П", Kз := V = {v }– экземпляры предметных категорий (г/= 1,jf , ju = 1,fi" ).

Каждый элемент из множества категорий К3 может относиться к одному из типов категории [71, 221]: {контекстуальному, структурированному, контекстуально-структурированному}. множеством где: морфизмы 3 =\p1,3B3;p1,3N3\ - отношения внутренней композиции есть множество статических отношений предметных категорий: 1) Ap1B3A:={a3;a3} p1B3 с K 1 хK 1 w Ap1N3A := {a3;...;` al} є р1 B3\A с=хK 1 отражают существование отображения подмножеств множества К3 вида: p1B3:K1xK1 K2vp1N3:K1x...xK1 K2, где р1=«компоновка» предметных категорий (на основе отношения принадлежности/включения в подмножество К1 множества К3), 2) Dp2B3D := [d3; d 3 h Р2 B 3 K2xK2v Dp2N3D := [d3;...;` d 3 }є p2\D a xK2 отражают существование отображения подмножеств множества К3 вида: р2B3 :K2хK2 K3vp2N3 :K2х...хK2 - K3, 120 где f}:= «упорядочивание» предметных категорий (на основе отношения частичного порядка); 3) Ур3В3У:={у3тУ3т}єр3В3 K3XK3VVP3N3V:={?3W;...;`V3M}GP3N3\V ХК3 отражают существование отображения подмножеств множества К3 вида: р3В3 :К3хК3 K3vp3N3 :К3х...хК3 - К3, где р3 = «состав» предметных категорий (отношение полного порядка). морфизмы 3 = {F3А ; F3П } , - отношения внешней композиции рассматриваются как множество динамических отношений на элементах К предметных категорий, закономерности формирования которых, включают процедуры анализа F3Аs (5 = 1,5") элементов К3, в зависимости от вида «-арной связи между категориями: и отражают существование функциональных отображений (С = 1,С") вида: F3Пc : К3 х F3As - К3, как –листного перехода к последующей подзадаче. Каждый элемент из множества морфизмов Л3 третьей задаче может относиться к одному из типов отношения [71, 221]: {контекстуальному, структурному, монадическому}. Согласно [258], имеем: прямое произведение Кх и К К2 и К2 - это выражение КххКи К2хК2 с морфизмами р1В3 :К1хК1 - К2, рВ3: К2хК2 К3 при условии существования, для любого К3, единственного морфизма //// 1 : К3 - К2, /г/// 2 : К3 - К3. условии существования, для любого объекта К3 с морфизмом /(гЧ)/// :К3 - 3 и /(г+1)/// : К3 - F3А, единственного морфизма /г,„: К3 - 3 х :

Переход от задачи = 1 до задачи = 3 псевдоклетки З0.г (/ = 3, 7 = 3) выполняется согласно функциональному отображению вида. FП% : К,, х FA - К,.+1 Этап 5. Формирование правил формального перехода элементов категориально-логической модели. Разработанное формализованное описание [261, 221] в виде категориально-логической модели Q/ = {K;A} с множеством элементов Кк=\к \ категорий (информационных, объектных, предметных) и множеством отношений Л, ={0,; } сформировано в результате исследования особенностей представления контента принятия решений на этапе поискового проектирования. предмет В силу обнаруженного повторения абстракций, данный факт рассматривается как проявление закона цикличности (рис. 3.12).

Экземпляры информационных Экземпляры объектных # Экземпляры предметных категорий категорий категорий в) Закономерность формирования бинарных отношений экземпляров категорий Рисунок 3.12 - Закономерность формирования бинарных отношений категорий Отношения между элементами категорий образуют конечное множество Л, конечного числа отношений 0 , xk заданных в каждой внутренней задачи общей задачи выбора ТР.

Фиксация бинарных отношений вида «компоновка», «состав», «упорядочивание» для определенной пары категорий и пары схем категорий является результатом процесса синтеза, поэтому каждый элемент из множества отношений внутренней композиции вида k = {p Bk;p Nk} может относиться к одному из типов отношения [68, 236]: {контекстуальному, структурному, монадическому}. Фиксация отношений внешней композиции вида: FП :KkxFА Kk+1 для определенной пары категорий является результатом процесса анализа, поэтому в множестве морфизмов вида Ч\ = \FkП; FА } элементы FkA и FП могут являться правилами, критериями, требованиями и принадлежать к одному из типов отношения [71, 261]: {контекстуальному, структурному, монадическому}; Учитывая цикличность структуры решения внутренних задач при «прямом ходе» от Ы задачи к задаче k = 3 согласно функциональному отображению имеем закономерность порождения структуры решения задачи выбора ТР на этапе поискового проектирования (рис. 3.13).

Адаптация метода к задаче формирования множества эффективных технических решений

Следствиями неопределенности в экспертных оценках значений компонент являются ошибки систематические (случайные), приводящие к несогласованности данных. Если суждения экспертов имеют разную природу - чткую Ч и/или нечткую F/L, то судить о согласованности информации трудно. Предлагается методика, позволяющая получить согласованное мнение экспертов [154].

Рассмотрим две постановки и два аспекта: Значение компоненты представляется в виде сумма двух слагаемых, первое слагаемое отражает «абсолютно правильное» значение, второе «некоторой погрешности» значения Для первой постановки, согласование значений есть средняя оценка при одинаковой «значимости» или веса всех экспертов oct =1 [193].

Для второй постановки вводится нечткое отношение сходства R между нечткими множествами, с помощью функции принадлежности: juR : Ах А - [0,1], Вид функции juR, отражающей сходство нечтких множеств, определяется соотношением: HR(Ai,AJ)= min[ju x,juJx]dx / \max[jux,juJxx (6 8) Минимальное согласие: мнения нескольких экспертов не означает отрицание согласованности: 0 аг. 0,5 и 0 fiR(At,Aj) 0,5 .

В последних двух случаях, формируется групповое мнение с выделением «ядра» вокруг «абсолютно правильного» мнения и точечных «диссидентов», расположенных по периферии. Считается: «абсолютно правильное» мнение по «ядру» более точное, мнения «диссидентов» не отражают истинных значений.

Полученный результат ЭS(D) рассматривается как новый «центр», вокруг которого очерчивается шар с радиусом г2 относительно d{At, А}.). Далее процедуру повторяют, до тех пор, пока шар не перестат изменять свой «центр». Элементы, оказавшиеся в шаре, объявляются элементами «ядра», а оставшиеся -«диссидентами». Процедура сопровождается проверкой согласованности элементов «ядра» по «, для первой постановки и по //Я(Д, ;) для второй постановки в рамках двух аспектов.

Решая вторую часть задачи, рассматриваются два значения компонент критерия представленных в виде нечтких/лингвистических переменных Ff/L,- и FjfLj как результат согласованных мнений экспертов. Линейная регрессия нечетких множеств отражает идею восстановления зависимости F/L; от F/L/ С - линейная функция от А. - Ух є S : ц (х) =ц (у) при х = Лу + у. То есть, Ухе8:/лё (х) = /л2 ( у), следовательно, С = Mt + у. Так как F/Li и F/L,- имеют отклонение от линейной связи, то лучшее линейное приближение F/L; от F/L,- находится минимизацией расстояния от А} до С по X, у: p(Aj,Л0Af + у0) = mmр(АлЛА,+у). Лучшей аппроксимацией является F/L, семантика которой определена С = Я0Д + /0, при неизвестном имени N нечткой/лингвистической переменной.

Поскольку множество N всевозможных решений определяется множеством Т и процедурой G: N = G{T{et)), то окончательным решением задачи лингвистической аппроксимации является элемент Nk = G(Tk (є,.)): - образованный расширением терм-множества Тк еТ той L, значением которой является аппроксимируемое С , с помощью процедуры G; - установленной семантики Тк є Т с помощью процедуры М. На основании вышеизложенного вводится правило определения имени N нечткой/лингвистической переменной как результата согласования:

Согласованные значения компонент критерия формируются для оценивания моделей эффектов (МЭФ). Для оценивания моделей принципа действий Мпр-д = \}М1% проектируемой системы необходимо применение соответствующих операций над значениями компонент, согласно соединению Мэф в структурной схеме МпрЛ. Значения компонент могут быть представлены в виде скаляров, нечтких/лингвистических переменных и применяемые операции носят различную природу. Предложена методика обработки информации, основой которой является мысль модернизации традиционных вычислительных процедур с применением аппарата нечетких множеств. Основная цель модернизации - это значительное увеличение быстродействия решения задач, в которых значения компонент имеют вид нечетких/лингвистических переменных и традиционные формулы вычисления не применимы.

Для вычисления значений компонент критерия совокупности двух экземпляров предметных категорий используется нечткая арифметика, где базовые математические операции над нечткими/лингвистическими переменными представляют собой обобщение соответствующих операций над обычными числами. Правила такого обобщения предложены в виде принципа обобщения [108], который далее формулируется в виде системы типа MISO (два входа - один выход). Выходная величина системы - нечткое множество: С = f(A, В) , как результат отображения входных нечтких множеств при выполнении бинарной операции , осуществляемой над нечеткими множествами A и B :