Компьютерные методы поискового конструирования

УДК 512.7. 681.3

И. Н. Дорохов, А. Г. Лебедев, С. А. Калуцков

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

КОМПЬЮТЕРНЫЕ МЕТОДЫ ПОИСКОВОГО

КОНСТРУИРОВАНИЯ

Рассмотрены экспертные системы для решения задач поискового конструирования. Приведены пять типов последовательно решаемых задач, которые используются в процессе поискового конструирования.

We considered the expert system for solving the problem of designing a search. The follow-ings are the five types of series of tasks that are used in the process of designing a search.

Компьютерные методы поискового конструирования - это методы, основанные на использовании ЭВМ в решении творческих инженерных задач, в них используются достаточно четко описанные методики и правила поиска новых технических решений. В 1977 г. было проведено условное разделение между эвристическими и компьютерными методами (с помощью первых решают задачи технического творчества, с помощью вторых - задачи поискового конструирования). К задачам технического творчества были традиционно отнесены такие, при которых человек решает поставленную задачу способом "проб и ошибок" или с помощью эвристических методов без использования ЭВМ. К задачам поискового конструирования отнесены такие творческие инженерные задачи, которые человек решает с использованием ЭВМ.

В настоящее время известны десятки различных подходов и методов поискового конструирования. При создании информационных технологий для решения изобретательских задач моделируются творческие способности человека. Построение этих технологий аналогично построению экспертных систем, так как здесь присутствует эксперт - изобретатель, знания которого необходимо извлечь и формализовать. При этом важно формализовать стратегии генерации изобретений. Одна из функций подобных систем заключается в исполнении роли подсказчика и стимулятора творческой фантазии изобретателя.

В основу новой информационной технологии положены исследовательские процедуры методов поиска и синтеза новых технических реше-

ний; математические методы кластерного анализа, оптимизации и моделирования; методы принятия и планирования решений в условиях неопределенности; методы теории искусственного интеллекта и проектирования информационных систем. Новая информационная технология предназначена, в основном, для решения исследовательских задач, предшествующих детальной конструкторской проработке синтезированных технических решений. Эта стадия проектирования (предпроектная стадия) определяется как стадия концептуального проектирования или стадия проектирования концептуальных технических решений.

Экспертные системы (ЭС) для поискового конструирования представляют собой одно из динамично развивающихся направлений в области компьютерных методов поискового конструирования. В области автоматизации поискового конструирования ЭС создаются для поддержки решения технических задач в качестве советчиков инженеров-проектировщиков по определенному методу поиска технических решений. При работе с такой ЭС пользователь может уточнить проблемную ситуацию, активизировать свое мышление в определенном направлении (преодолеть «порог привычного») и получить советы по изменению стратегии поиска. Иерархия возможных ЭС на различных этапах поискового конструирования предложена в работе [1] в виде таблицы (см. табл. 1).

Табл. 1. Экспертные системы для автоматизации поискового конструирования

Этапы жизненного цикла Экспертные системы Основы функции экспертных систем

Создание и формулировка потребности в объекте проектирования ЭС для прогнозирования и анализа потребностей Накопление и классификация потребностей, описаний существующих объектов, их основных показателей и эволюционных цепочек развития; прогнозирования основных показателей; определение показателей объекта, которые в необходимой мере будет удовлетворять заданную потребность

Разработка технических требования к объекту ЭС для анализа требований Накопление технических требований по существующим и проектируемым объектам, анализ возможностей достижения заданного уровня требований

Разработка функциональной структуры объекта ЭС для анализа функций Накопление технических функций и примеров их реализации, построение и анализ функциональных структур (выявление основных и вспомогатель-

ных функций, определение эффективности их реализаций, формирование рекомендаций по улучшению функциональных структур)

Поиск принципов действия (ПД) ЭС для поиска и анализа принципов действия Накопление ФЭ, ФПД, описаний внешних воздействий, построение качественной модели ФПД, анализа ФПД при различных внешних условиях, определение совместимости ФЭ и ФПД

Поиск технического решения (ТР) ЭС по свойствам веществ и материалов ЭС по эвристическим приемам преобразования объектов ЭС для принятия решений ЭС для построения и анализа качественных моделей ТР Накопление и классификация свойств веществ и материалов, определение материалов и веществ с заданными свойствами, определение свойств заданных веществ и материалов Накопление и классификация эвристических приемов и условий из применения, определение эвристических приемов для получения заданного качества в прототипе Накопление и моделирование знаний о предметной области, рекомендации по выбору проектных решений Накопление качественных моделей ТР, анализ моделей с целью определения ТР при различных внешних условиях, выработка рекомендаций по улучшению ТР

В отличие от эвристических приемов технического творчества, к группе методов так называемого поискового конструирования относятся те способы решения задач инженерного творчества, которые реализуются при существенной машинной поддержке с использованием ЭВМ с развитым математическим обеспечением.

Основу этой группы методов, ориентированных на активное использование ЭВМ, составляет комплексный системный подход, предполагающий разбиение процесса проектирования (конструирования) на уровни иерархии и отдельные этапы. Согласно такой декомпозиции процедуры проектирования промежуточное решение, получаемое на каждом этапе, является новым заданием для принятия решения на следующем уровне проектирования (конструирования). При этом функция полезности принимаемого решения на каждом этапе выбора строится заново. Таким образом, про-

цесс проектирования (конструирования) представляется как ряд последовательно решаемых задач поискового конструирования, в котором можно выделить 5 этапов и 5 типов задач [2].

1. На первом этапе формируется концептуальная модель искомого объекта, определяются цели и возможные ограничения. Решение поставленных на этом этапе задач требует глубоких знаний соответствующей предметной области, развитого воображения и целеустремленности и обычно проходит на интуитивном уровне. Тем не менее к настоящему времени опубликовано значительное количество работ по описанию мыслительного процесса на этом этапе [3-6] и предпринимаются попытки его формализации [7-10]. В концептуальном проектировании для решения технических проблем все шире используются формальные методы и большие базы знаний, которые реализованы в виде компьютерных программ. При работе с ними рядовому пользователю зачастую не обязательно знать, какие методы (алгоритмы) применяются в этих программах. Ему достаточно указать техническую проблему, нажать кнопку «решить» и выбрать лучшее из найденных решений. В отличие от изобретательства, в котором преобладает творческое начало человека, концептуальное проектирование - это, в первую очередь, технология. В последнее время разработан ряд изобретающих программ, которые в той или иной мере автоматизируют разработку новых концепций продуктов. Примером такой программы является «Изобретающая программа Новатор», разработанная компанией «Метод» [10]. Построение концептуальной модели объекта реализуется в пять этапов: постановка задания; анализ ситуации; разработка концепций; сравнение концепций и выбор подходящей; редактирование исследовательского отчета.

2. Задачи второго типа - это выбор или поиск наиболее эффективного физического принципа действия для конкретных условий и требований. Решение задач этого типа приводит, как правило, к созданию принципиально новых технических решений на уровне изобретений, за которыми следуют серии изобретений как результат решения задач следующих этапов [11-14].

3. Третий тип - задачи выбора или поиска наиболее рационального технического решения при заданном физическом принципе действия. При решении этих задач характерным является варьирование конструктивными

элементами и физическими принципами действия до нахождения наиболее целесообразного их сочетания [15]. Решение таких задач представляет собой материализацию выбранного физического принципа действия или технической идеи. На этом этапе создается подавляющее число патентоспособных решений.

4. Четвертый тип - задачи определения оптимальных значений параметров заданного технического решения. При решении этих задач варьируют значениями параметров до нахождения их оптимального соотношения. Решение задач четвертого типа также иногда приводит к патентоспособным решениям, отличающимся новыми эффективными количественными соотношениями геометрических или физических параметров.

5. Задачи пятого типа - это задачи графического отображения создаваемых структур, схем и эскизов изделий и технологических процессов с помощью ЭВМ. Графическое отображение, являясь наиболее удобным для восприятия разработчика, создает новые возможности для дальнейшего улучшения разрабатываемого изделия или технологического процесса.

В заключение отметим, что с точки зрения системологии [16] поисковое конструирование можно представить как процесс подъема по эпистемологической иерархии систем с целью построения порождающей системы, адекватно описывающей ограничения, содержащиеся в данных. При этом решение изобретательской задачи представляется концептуальной схемой в виде универсального решателя системных задач (УРСЗ). УРСЗ является методологическим средством, ориентированным на использование вычислительной техники. Располагая этим средством, можно обращаться к его услугам всякий раз, когда изобретательская задача представляется как системная задача.

Библиографический список

1. Дворянкин А.М. К вопросу построений интегрированной системы автоматизации проектирования жизненного цикла объектов техники // Методы поискового конструирования в системах автоматизированного проектирования. Йошкар-Ола: МарГУ, 1986. С. 94-102.

2. Андрейчикова О.Н. Интеллектуальные системы для поддержки процессов принятия решений: учеб. пособие. Волгоград: ВолгГТУ, 1996. 93 с.

3. Поспелов Г.С. Искусственный интеллект - основа новой информационно технологии. М.: Наука, 1988. 280 с.

4. Мити Д., Джонстон Р. Компьютер - творец. М.: Мир, 1987. 255 с.

5. Нейлор К. Как построить экспертную систему. М.: Энергоатомиздат, 1991. 268 с.

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

7. Петрухин А.В., Фоменков С.А., Колесников С.Г. Архитектура автоматизированной системы концептуального проектирования технических объектов и технологий с использованием структурированного описания физической информации (СОФИ) для сетевых приложений // Изв. ВУЗов. Машиностроение, 1998. № 4-6. С. 52-56.

8. Фоменков С.А., Гришин В.А., Камаев В.А. Представление и использование физических знаний при поисковом конструировании изделий машиностроения: учеб. пособие. Волгоград: ВолгГТУ, 1994. 121 с.

9. Карачунова Г.А., Колесников С.Г., Костерин В.В. и др. Автоматизированная информационно-поисковая система по физическим эффектам // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. 1995. № 1. С. 42-48.

10. Глазунов В.И. Изобретающие программы: источник инноваций [электронный ресурс] - Режим доступа: http://method.ru/

11. Камаев В.А., Колесников С.Г., Фоменков С.А. Физические эффекты из материалов заявок на открытия: учеб. пособие. Волгоград: ВолгГТУ, 1994. 208 с.

12. Камаев В.А., Фоменков С.А., Сипливая М.Б. и др. Физические явления из материалов заявок на открытия по физике: учеб. пособие. Волгоград: ВолгГТУ, 1995. 224 с.

13. Дунаев С.В. INTRANET-технологии. М.: Диалог, МИФИ, 1997. 288 с.

14. Джонсон Дж.К. Инженерное и художественное конструирование. М.: Мир, 1986. 326 с.

15. Дворянкин А.М. Автоматизация поискового конструирования. Модели, задачи, алгоритмы: Дис. докт. техн. наук. Волгоград, 1996. 381 с.

16. Клир Дж. Системология: автоматизация решения системных задач. М.: Радио и связь, 1990. 544 с.