Концептуальная модель банка данных по физико-техническим эффектам

Шикульская О.М. , Незаметдинова Э.Р. КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ БАНКА ДАННЫХ ПО ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИМ ЭФФЕКТАМ

Поиск физических принципов действия (ФПД) технических объектов и технологий - один из самых высоких уровней инженерного творчества, позволяющий получать принципиально новые решения, включая и пионерные. Однако разработка ФПД - это и наиболее сложная проектная задача, поскольку человек вынужден не только варьировать и оценивать конструктивные признаки, обычно хорошо обозримые и логически увязанные друг с другом, но и абстрагироваться на уровне физико-технических эффектов (ФТЭ), не всегда очевидных и достаточно глубоко познанных. В отличие от новых комбинаций конструктивных признаков мысленно представить и оценить новые комбинации ФТЭ значительно труднее.

Главная трудность состоит в том, что, в связи с возрастающими темпами развития науки и техники, число ФТЭ постоянно увеличивается. В настоящее время известно, по разным оценкам, от 2 до 4 тысяч физических эффектов. Этот массив информации открывает перед изобретателем огромные возможности для создания новых систем, в том случае, если он имеет доступ к любому из этих эффектов в компьютерном банке данных. При современном уровне развития компьютерных технологий размещение такого объёма информации не представляет сложностей. Проблема заключается в методе организации этого банка данных.

Эффективность автоматизированных банков данных по физико-техническим эффектам (АбнД ФТЭ), используемых разработчиками новых технических решений, существенно зависит от выбора концептуальной модели банка данных. Задача концептуальной модели — описывать данные в целом и сделать это описание независимым от конкретных задач. Поэтому при разработке банка данных по физико-техническим эффектам целесообразно использовать теорию аналогии и подобия для выработки концептуальной модели, позволяющей описывать процессы и явления различной физической природы с помощью единого математического аппарата. В качестве такой концептуальной модели банков данных по физико-техническим эффектам наиболее удачно используются энерго-информационные модели цепей (ЭИМЦ) различной физической природы, графическое представление которых обеспечивает аппарат параметрических структурных схем (ПСС) [1].

Однако на современном уровне развития науки и техники энерго-информационный метод уже не позволяет решить любые задачи поискового проектирования. В условиях постоянно возрастающих требований к эксплуатационным характеристикам и усложнения схемотехнической реализации проектируемых преобразователей, их параметрические структурные схемы (ПСС) становятся громоздкими и ненаглядными. Такие модели сложны для описания и восприятия. Их трудно разместить на листе. Кроме того, в ПСС не отражены ни реальные физические закономерности, на которых основаны принципы действия преобразователей, ни конструктивные воплощения этих принципов действия, поэтому они требуют дополнительного описания. Разработка ПСС - сложный, трудоемкий процесс, требующий от специалиста больших временных затрат. Кроме проблем технического характера, есть задачи, которые принципиально невозможно решить с помощью существующих поисковых систем, основанных на теории ЭИМЦ. В частности, это относится к проектированию многофункциональных датчиков, измеряющих одновременно несколько параметров [2]. Этим обусловлена необходимость разработки концептуальной модели автоматизированного банка данных ФТЭ, обладающего достоинствами теории ЭИМЦ и вместе с тем позволяющей решить описанные проблемы.

Для решения выявленных проблем необходимо определить требования к концептуальной модели автоматизированного банка данных по ФТЭ и предложить методы их достижения.

Анализ уровня современных технических достижений в области проектирования преобразователей и методов их моделирования, выполненный на основе патентных исследований, позволил выработать основные требования к концептуальной модели поискового проектирования:

использование уравнений, инвариантных к физической природе цепей для их описания;

использование графического языка для представления причинно-следственных связей между величинами и параметрами цепи;

простота способа получения аналитических зависимостей одной величины от другой;

высокая информативность и наглядность графического представления модели;

инструментальная поддержка процесса разработки модели;

возможность генерации многофункциональных преобразователей.

Датчик является основным информационным звеном в системе "объект регулирования — регулятор". Он служит для преобразования информации и энергии. Это дает основания рассматривать его как информационную систему, преобразующую входную информацию в выходную, и применять для описания его принципа действия методы моделирования информационных систем.

На основании представления преобразователей как информационной системы предложен метод их моделирования, основанный на теории ЭИМЦ, аппарате ПСС, SADT-технологии и объектно-ориентированной парадигме.

Для функционального моделирования и структурного анализа информационных систем наиболее известной и распространенной является методология IDEF0, основанная на подходе, разработанном Дугласом Россом (Douglas Ross) и получившим название SADT (Structured analysis and design technique — метод структурного анализа и проектирования). Основу подхода и, как следствие, методологии IDEF0, составляет графический язык описания (моделирования) систем [3]. Основной концептуальный принцип методологии IDEF — представление любой изучаемой системы в виде набора взаимодействующих и взаимосвязанных блоков, отображающих процессы, происходящие в изучаемой системе.

Сначала функциональность системы описывается в целом без подробностей. Такое описание называется

контекстной диаграммой. Взаимодействие с окружающим миром описывается в терминах входа (применительно к решаемой задаче — это входные измеряемые величины, преобразуемые процессом), выхода (выходная величина), управления (законы физики, на которых основан принцип действия датчиков) и механизмов (элементы конструкции датчика).

Затем общая функция разбивается на крупные подфункции. Этот процесс называется функциональной

декомпозицией. Затем каждая подфункция декомпозируется на более мелкие — и так далее до достижения

необходимой детализации описания.

Процессы функциональной диаграммы описывают параметры ЭИМЦ или физико-технические эффекты (ФТЭ), стрелки входа и выхода — входные и выходные величины соответственно, стрелки механизма — конструктивное воплощение принципа действия, стрелки управления поясняют реальные закономерности, на которых основан принцип действия технического решения.

Такое представление концептуальной модели принципа действия преобразователей дает возможность использования для ее построения стандартных CASE-средств, в частности BPwin.

Bpwin позволяет описать все понятия модели преобразователя:

ФТЭ, параметр, перекресток (разветвление и слияние цепей) - в виде процессов функциональной модели;

входные и выходные величины - в виде стрелок входа и выхода; конструктивное исполнение (морфологию) - в виде стрелок механизма; физические законы - в виде стрелок управления;

эксплуатационные характеристики элемента преобразователя - в виде собственных метрик — свойств, определенных пользователем (User Defined Properties UDP).

UDP позволяют провести дополнительный анализ и вывести результат задания значений UDP в отчете.

Применение объектно-ориентированной парадигмы для моделирования преобразователей дало возможность еще более унифицировать основные понятия концептуальной модели АбнД ФТЭ, представляя их в виде объектов, построенных на основе двух базовых классов: «Процесса» и «Стрелки» .

Класс «Процесс» определяет такие ключевые понятия концептуальной модели как параметр, физикотехнический эффект (ФТЭ), перекресток (или сумматор), а также составные объекты - структурный обобщенный прием, и фрагмент цепи. Класс «Стрелка» используется для определения следующих понятий: величина — вход-выход, морфологические признаки технических решений (конструктивные особенности, например, форма, технология изготовления используемые материалы) — механизм, физико-математические законы преобразования - управление.

Свойствами классов являются технические и эксплуатационные характеристики определяемых на базе этого класса элементов модели. Структура объектной модели описывается с помощью ключевых понятий объектно-ориентироованного подхода: инкапсуляция, наследование, полиморфизм.

Таким образом, предложенный метод имеет следующие преимущества:

последовательная декомпозиция диаграмм, строящаяся по иерархическому принципу, упрощает их чтение и понимание;

наличие стрелок механизма и управления поясняет конструктивное воплощение принципа действия и реальные закономерности, на которых он основан;

возможность использования CASE-средств в качестве инструментария для моделирования датчика снижает трудоемкость этого процесса;

описание технических и эксплуатационных характеристик модели в виде собственных метрик — свойств, определенных пользователем (User Defined Properties, UDP) предоставляет дополнительные возможности для разработки моделей;

использование CASE-средств способствует повышению качества документирования моделей, предоставляя инструментарий формирования отчетов;

объектно-ориентированный подход позволяет значительно повысить эффективность и гибкость моделирования посредством описания структуры модели с помощью свойств инкапсуляции, наследования, полиморфизма.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зарипов М.Ф., Зайнуллин Н.Р., Петрова И.Ю. Энерго-информационный метод научно-технического творчества. Учебно-методическое пособие. М.: ВНИИПИ, 1978.

2. Михайлов П.Г. Микроэлектронный датчик давления и температуры // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2003, № 11

3. Р50.1.028-2001. Методология функционального моделирования. М.: Госстандарт России, 2000.