Автоматизированная система синтеза физического принципа действия технических систем

УДК 531.66

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА СИНТЕЗА ФИЗИЧЕСКОГО ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Е.А. Гопта, аспирант; С.А. Фоменков, д.т.н., профессор

Рассматриваются и анализируются существующие методы синтеза физического принципа действия технических систем. Проведенные исследования показали, что практическое использование имеющихся методов синтеза структур физического принципа действия не удовлетворяет потребности научных работников и инженеров в полной мере, поэтому был разработан более эффективный и быстродействующий метод автоматизации синтеза физического принципа действия, основанный на анализе изменений свойств объекта физических эффектов. В новые условия совместимости включены анализ совместимости физических эффектов по воздействию, по структуре и фазе объектов, а также учет диапазонов изменения значений физических величин. На основе предложенных условий совместимости была разработана автоматизированная система синтеза физического принципа действия, позволяющая повысить качество получаемых технических решений. В данной работе представлены архитектура автоматизированной системы синтеза и схема ее БД, а также различные диаграммы в нотации ЦМЪ, поясняющие работу автоматизированной системы синтеза физического принципа действия.

Ключевые слова: физический эффект, структура объекта, фаза объекта, условия совместимости, синтез структур, физический принцип действия, автоматизированная система.

AUTOMATED SYSTEM FOR SYNTHESIS OF PHYSICAL PRINCIPLE OF TECHNICAL SYSTEMS ACTION Gopta E.A., Postgraduate Student; Fomenkov S.A., Dr. Tech. Sc., Professor (Volgograd State Technical University, Lenina Av., 28, Volgograd, 400005, Russian Federation, gopta.evgeniy@gmail.com, saf@vstu.ru) Аbstract. The paper discusses and analyzes the existing methods for the synthesis of physical principle of technical systems. The research has shown that practical using of existing methods for the synthesis of structures of physical action principle does not meet the needs of scientists and engineers fully. To mitigate identified drawbacks, more efficient and fast method to automate the synthesis of the physical principle of operation had been developed. It is based on the analysis of properties changes of the object of physical effects. The new compatibility conditions include analysis of physical effects compatibility according to impact, structure and objects phase, as well as the range of values of physical quantities. Based on proposed conditions of compatibility, automated synthesis system of the physical principle of action was developed. It allows increasing the quality of the technical decisions.

The paper presents the architecture of an automated synthesis system and its database scheme. It also presents a variety of diagrams in UML notation, explaining the operation of the automated synthesis system of the physical principle of action.

Keywords: physical effect, object structure, object phase, compatibility conditions, structures synthesis, physical principle of action, automated system.

Любая техническая деятельность базируется на научно-технических достижениях - результатах фундаментальных и прикладных исследований, изобретательской деятельности, опытно-конструкторских работ. Однако накопленный объем знаний настолько велик и так рассредоточен в различных монографиях, научных статьях и справочниках, что становится труднодоступным для специалистов конкретных предметных областей. Проблемы, связанные с поиском необходимой информации, получением и анализом структур технических решений, обусловили создание различных методов синтеза технических систем.

Моделирование и использование структурированных физических знаний

Существует ряд подходов к формированию концептуальных моделей представления знаний в форме физических эффектов (ФЭ) и к созданию на их основе автоматизированных информационных систем [1-4]. Большинство методик формирования физического принципа действия (ФПД) сводятся к стыковке выходного воздействия одного ФЭ к входному воздействию другого ФЭ в случае равенства наименований воздействий и качественных характеристик ФЭ [2, 5, 6]. Однако сформированные таким образом линейные цепочки ФЭ и полученные на их основе технические решения либо приводят к формированию нереализуемого ФПД (соответственно, к нереализуемым техническим системам), либо не учитывают все возможные варианты синтеза. Практическое использование методов синтеза линейных структур ФПД также показало, что подобные структуры не удовлетворяют в полной мере потребности инженера или научного работника. Поэтому, по мнению авторов, данный подход не может считаться эффективным, поскольку не учитываются свойства объектов ФЭ и отсутствуют проверки совместимости ФЭ на количественном уровне, то есть с учетом диапазонов величин воздействий.

Указанные недостатки существенны при оценке совместимости ФЭ и, как следствие, при оценке

адекватности всей структуры ФПД. Чтобы устранить их, была разработана автоматизированная система синтеза ФПД с расширенными условиями совместимости ФЭ.

Использование свойств объекта в условиях совместимости физических эффектов

Уточним условия совместимости ФЭ Е, и Е+ в зависимости от разновидности их выходного и входного воздействий.

1. Пусть Е, имеет параметрическое выходное воздействие С,, а Е+ параметрическое входное воздействие Л+\ [1].

На первом этапе анализа совместимости ФЭ Е, и Е/+] необходимо определить совместимость ФЭ по наименованию воздействий. Структура параметрического воздействия каждого ФЭ в данном случае будет иметь следующий вид: раздел физики, физическая величина [1, 7]. Если наименования воздействий совпадают, то делаем вывод, что ФЭ совместимы по воздействию.

На втором этапе проверяем совместимость ФЭ по структуре объекта. Структура объекта каждого ФЭ в данном случае будет иметь следующий вид: вид структуры, число фаз, общая структура объекта, тип контакта, смеси фаз [1, 7, 8]. Если значения характеристик конечного состояния объекта Е, равны значениям характеристик начального состояния объекта Е,+1, делаем вывод, что ФЭ совместимы по структуре объекта.

На третьем этапе проверяем совместимость ФЭ по каждой фазе, входящей в структуру объекта. Описание фазы объекта каждого ФЭ в данном случае будет иметь следующий вид: фазовое состояние, химический состав, магнитная структура, электропроводность, механическое состояние, оптическое состояние, специальные характеристики [1]. Если по каждой фазе признаки объектов Е, и Е,+1 совпадают (с учетом иерархии признаков), можно сделать вывод, что Е, и Е+ совместимы.

2. Пусть Е, имеет непараметрическое выходное, а Е+\ непараметрическое входное воздействие [1].

Структура непараметрического воздействия каждого ФЭ в данном случае будет иметь следующий вид: тип выхода/входа, название воздействия, качественные характеристики выхода/входа. Величина типа выхода/входа может принимать всего два значения, следовательно, возможны три комбинации типов выхода/входа [1, 8].

• Пусть тип выхода Е, и тип входа Е+ равны между собой и принимают значение «внешний». В данном случае для проверки совместимости ФЭ необходимо сравнить наименование и значения качественных характеристик воздействий С, и А,+1. Если данные характеристики совпадают, то можно сделать вывод о том, что Е, и Е,+1 совместимы.

• Пусть типы выхода Е, и входа Е,+1 равны между собой и принимают значение «внутренний». В данном случае для проверки совместимости ФЭ, помимо проверки наименований и качественных характеристик С, и Ам, необходимо проверить совместимость по структуре и по фазам объекта, алгоритм которой описан в пункте 1.

• Пусть типы выхода Е, и входа Ем не равны между собой и принимают разные значения. В данном случае дальнейший анализ цепочки синтеза ФПД нецелесообразен.

3. Пусть Е, имеет параметрическое выходное воздействие, а Ем непараметрическое входное воздействие или наоборот. В данном случае можно сразу же сделать вывод о том, что Е, и Е,+1 несовместимы.

Использование количественного метода в условиях совместимости ФЭ

Для учета совместимости ФЭ на количественном уровне будем учитывать диапазоны изменения значения физической величины [9].

1. Если диапазоны величин выходного воздействия Е, и входного воздействия Е+ имеют общий интервал, можно сделать вывод о том, что Е\ и Е,+1 совместимы на количественном уровне.

2. Если диапазоны величин выходного воздействия Е{ и входного воздействия Е,+1 не имеют

общего интервала, можно сделать вывод о том, что Е, и Е+ несовместимы.

Аналогично, применяя качественные и количественные условия совместимости ФЭ, проверяется совместимость всех ФЭ, хранящихся в БД ФЭ, и в случае успешной совместимости найденное решение сохраняется как один из возможных переходов из одного ФЭ в другой ФЭ.

Алгоритм синтеза структур ФПД представлен на рисунке 1.

Построение структуры ФПД

Вывод сообщения об ошибке параметров синтеза ФПД

Конец

Рис. 1

Разработка автоматизированной системы синтеза ФПД

Архитектура разработанной автоматизированной системы синтеза ФПД изображена на рисунке 2.

Рис. 2

Схема БД разработанной авторами автоматизированной системы приведена на рисунке 3.

На рисунке 4 представлена диаграмма последовательности действий, выполняемых автоматизированной системой синтеза в нотации иМЬ.

Разработанная автоматизированная система позволяет синтезировать множество вариантов принципов действия проектируемых или исследуемых изделий и технологий в виде цепочки последовательно совместимых ФЭ и выдать пользователю фактографическую информацию о ФЭ, входящих в синтезируемые структуры. Система относится к инструментальным средствам, осуществляющим программно-информационную поддержку деятельности проектировщиков на этапе поиска и исследования ФПД [9].

Можно выделить следующие направления использования подсистемы синтеза ФПД как инструмента проектировщика:

- научно-техническое творчество, то есть решение изобретательских задач (применение системы расширяет знания специалиста, позволяет генерировать новые идеи, использование при решении задачи синтеза ФПД нетрадиционного ФЭ может способствовать созданию оригинальных технических решений);

- научно-техническое прогнозирование развития конкретного класса объектов техники, выявление перспективных ФПД, планирование НИР и ОКР для проверки реализации новых ФПД;

- САПР (применение здесь системы синтеза ФПД как подсистемы САПР целесообразно в слу-

чае отсутствия прототипа, удовлетворяющего требованиям технического задания, и невозможности конструирования объекта на основе известных ФПД).

В заключение можно сделать следующие выводы. Расширение комплекса методов обработки информации в БД по ФЭ дает возможность создавать не имеющие аналогов справочные системы, значительно повышающие объем активно используемых знаний при выполнении различных научно-исследовательских и проектно-конструктор-ских работ. Например, методы синтеза физических принципов действия изделий и технологий позволяют решать задачу прогнозирования новых нанотехнических систем [10].

Применение предложенного в данной работе метода синтеза структур ФПД способствует повышению степени формализации этапа синтеза ФПД и качества получаемых решений, что обусловлено уменьшением доли ручного труда на этапе синтеза ФПД за счет более целенаправленного поиска решений (многоаспектное задание на синтез) и сокращения множества физически нереализуемых решений (учет характера изменения физических величин, дополнительный анализ при стыковке по внутреннему воздействию), а также расширением класса получаемых решений за счет использования эффектов с изменением структуры

Воздействие

РК,РК1 РК РК РК № ФЭ Вход/Выход Внутренний Внешний

Пространственная хар-ка Временная хар-ка Специальная хар-ка Физическая величина Раздел физики Изменение

Структура объекта ФЭ

РК,РК1 РК РК РК № ФЭ Количество фаз

Структура Вид структуры

Вид контакта Смесь

Список ФЭ

РК № ФЭ

Заголовок ФЭ Текстовое описание ФЭ Входные параметры ФЭ Выходные параметры ФЭ Объект ФЭ Применение ФЭ Литература

Список переходов ФЭ

РК,РК1 Ю перехода

№ ФЭ

i к

Список переходов ФЭ1

РК,РК2 РК,РК1 Ю перехода № ФЭ

Фаза объекта ФЭ

РК,РК1 РК № ФЭ Номер фазы

Фазовое состояние Химический состав Магнитная структура Электрическая проводимость Механическое состояние Оптическое состояние

Рис. 3

Модуль авторизации

Пользователь

Интерфейс пользователя

БД ФЭ

Модуль поиска ФЭ

Модуль синтеза структур ФПД

Модуль генерации графа

Авторизация

Данные пользователя

Результат авторизации

I

Задание генерации графа

"Тр

I

I

| Генерация графа переходов ФЭ

fr-

Подключение

I

I

Параметры ФЭ

Отображение результатов генерации графа

I Сгенерированный | граф переходов ФЭ Ир

f I

Сгенери

рованный граф переходов ФЭ

Задание критериев поиска ФЭ

1

I

Критерии | поиска ФЭ

I

I I I I I

"Ч

Г"

Подключение

Отображение результатов поиска ФЭ

Обзор найденных ФЭ

I

I Задание критериев синтеза структур

I

Критерии синтеза структур ФПД

ФПД

Отображение результатов синтеза структур jp*-

Г

Подключение

Структуры ФПД

ФПД

I

-!

1

Рис. 4

объекта (ФПД, включающие структурные изменения объекта) и класса решаемых задач за счет введения в задание на синтез объекта ФЭ (задачи, связанные с преобразованием веществ).

Литература

1. Фоменков С.А., Давыдов Д.А., Камаев В.А. Моделирование и автоматизированное использование структурированных физических знаний: монография. М.: Машиностроение^, 2004. 278 с.

2. Зарипова В.М. Объектно-ориентированная модель базы знаний о физико-технических эффектах для системы концептуального проектирования новых элементов информационно-измерительных систем и систем управления // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2013. № 1. С. 162-171.

3. Фоменков С.А., Колесников С.Г. Представление физических знаний в автоматизированном банке физических эффектов // Изв. вузов. Машиностроение. 1998. № 1-3. С. 55-61.

4. Камаев В.А., Фоменков С.А., Петрухин А.В., Давыдов Д.А. Архитектура автоматизированной системы концептуального проектирования СОФИ // Программные продукты и системы. 1999. № 2. С. 30-34.

5. Давыдов Д.А., Фоменков С.А. Автоматизированное проектирование линейных структур физических принципов

действия технических систем // Машиностроитель. 2002. № 2. С. 33-35.

6. Гопта Е.А., Фоменков С.А., Карачунова Г.А. Автоматизация процесса линейного синтеза физического принципа действия // Изв. ВолгГТУ. 2010. Т. 11. № 9. С. 129-133.

7. Герасимов А.М., Колчин П.А., Фоменков С.А. Автоматизированная система поиска физических эффектов «Полезный эффект» // Программные продукты и системы. 2007. № 4. С. 38-39.

8. Гопта Е.А., Фоменков С.А., Карачунова Г.А. Использование свойств объекта в условиях совместимости физических эффектов // Вестн. компьютерных и информационных технологий. 2014. № 2. С. 22-26.

9. Гопта Е.А. Механизм генерирования инноваций: автоматизация процесса сетевого синтеза физического принципа действия // Качество. Инновации. Образование. 2013. № 4. С. 28-31.

10. Фоменков С.А., Колесников С.Г., Дворянкин А.М. Использование структурированных физических знаний для прогнозирования новых нанотехнических систем // Изв. ВолгГТУ. 2012. Т 4. № 13. С. 80-82.

References

1. Fomenkov S.A., Davydov D.A., Kamaev V.A. Modeliro-vanie i avtomatizirovannoe ispolzovanie strukturirovannykh fizi-cheskikh znaniy [Modeling and avtomated using of structured phys-

ical knowledges]. Monography. Moscow, Mashinostroenie-1 Publ., 2004, 278 p. (in Russ.).

2. Zaripova V.M. Object oriented model of knowledge base on physic and technical effects for the system of conceptual design of new elements of information-measuring systems and control systems. Prikaspiyskiy zhurnal: Upravlenie i vysokie tekhnologii [Caspian journ.: Management and High Technologies]. 2013, no. 1 (21), pp. 162-171 (in Russ.).

3. Fomenkov S.A., Kolesnikov S.G. Presenting physical knowledges in an automated bank of physical effects. Izv. vuzov. Mashinostroenie [Proc. of Higher Educational Institutions. Machine Building]. 1998, no. 1-3, pp. 55-61 (in Russ.).

4. Kamaev V.A., Fomenkov S.A., Petrukhin A.V., Davy-dov D.A. The architecture of automated system conceptual design SOFI. Programmnye produkty i sistemy [Software & Systems]. 1999, no. 2, pp. 30-34 (in Russ.).

5. Davydov D.A., Fomenkov S.A. Automated design of linear structures of physical principles of technical systems operating. Mashinostroitel [Mechanic engineer]. 2002, no. 2, pp. 33-35 (in Russ.).

6. Gopta E.A., Fomenkov S.A., Karachunova G.A. Automation of the process of linear synthesis of physical principle operating. Izv. VolgGTU [News of Volgograd State Tech. Univ.]. 2010, vol. 11, no. 9, pp. 129-133 (in Russ.).

7. Gerasimov A.M., Kolchin P.A., Fomenkov S.A. Automated system for searching physical effects "Useful effect". Programmnye produkty i sistemy [Software & Systems]. 2007, no. 4, pp. 38-39 (in Russ.).

8. Gopta E.A., Fomenkov S.A., Karachunova G.A. Application the properties of an object in compatibility conditions of physical effects. Vestnik komp'iuternykh i informatsionnykh tekhnologii [Herald of computer and information technologies]. Spektr Publ., 2014, no. 2, pp. 22-26 (in Russ.).

9. Gopta E.A. Generating mechanism for innovations: automation of the process of linear synthesis of physical principle operating. Kachestvo. Innovatsii. Obrazovanie [Quality. Innovation. Education]. 2013, no. 4, pp. 28-31 (in Russ.).

10. Fomenkov S.A., Kolesnikov S.G., Dvoryankin A.M. Using structured physical knowledges to predict new nanoengineered systems. Izv. VolgGTU [News of Volgograd State Tech. Univ.]. 2012, no. 13, pp. 80-82 (in Russ.).