- •С.Г. Ярушин, А.Г. Схиртладзе
- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •Часть I.
- •ОБОРУДОВАНИЯ
- •ПРОЕКТИРОВАНИЯ НОВОЙ ТЕХНИКИ
- •2.2. Общие свойства объектов проектирования
- •2.2.1. Реализуемые функции и взаимодействие с внешней средой
- •2.2.2. Функциональная структура
- •2.3. Классификация оборудования
- •2.4. Оценка работы технической системы
- •Контрольные вопросы
- •3.2. Техническая функция (ТФ)
- •Характеристика и отличительные признаки операций Коллера Е
- •3.3. Функциональная структура (ФС)
- •3.4. Описание физического принципа действия
- •3.5. Описание физико-технических эффектов
- •3.6. Техническое решение
- •3.7. Проект
- •3.8. Объект
- •Контрольные вопросы
- •4.1. Критерии развития
- •4.2. Выбор критерия
- •4.3. Показатели качества
- •4.4. Недостатки технического объекта
- •Контрольные вопросы
- •III. Закон гомологических рядов
- •V. Закон прогрессивной эволюции техники
- •5.2. Тенденции технического развития
- •Контрольные вопросы
- •Этапы работ по созданию технического объекта и временные периоды прогнозирования
- •6.1. Метод экстраполяции
- •6.2. Метод экспертных оценок
- •6.3. Метод моделирования
- •6.4. Схема процесса прогнозирования
- •Контрольные вопросы
- •Контрольные вопросы
- •ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
- •9.1. Определение и виды потребности
- •9.2. Что такое проектирование?
- •9.2.1. Постановка задачи
- •9.2.2. Проектирование как искусство, наука и ремесло
- •9.3. Проектирование с позиции теории отображения
- •9.4. Проектирование и искусственный интеллект
- •9.5. Основные понятия и принципы методологии проектирования
- •9.6. Концепция проектирования
- •9.7. Процедурная модель проектирования
- •9.8. Индивидуальная и коллективная работа
- •Контрольные вопросы
- •10.1. Техническое задание
- •10.2. Техническое предложение
- •10.3. Эскизный проект
- •10.4. Технический проект
- •10.5. Этап разработки рабочей документации
- •Контрольные вопросы
- •11.1. Этапы творческого процесса
- •11.2. Препятствия творчеству
- •11.2.1. Препятствия личного порядка
- •11.2.2. Препятствия организационного порядка
- •Контрольные вопросы
- •12.1. Метод проб и ошибок
- •12.2. Метод адаптивного поиска
- •12.3. Метод случайного поиска
- •Контрольные вопросы
- •ИЗВЕСТНОГО ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА
- •14.1. Предварительная постановка задачи
- •14.2. Уточненная постановка задачи
- •Контрольные вопросы
- •СИСТЕМОТЕХНИКИ
- •15.1. Сложность современных задач проектирования
- •15.3. Преодоление сложностей традиционного процесса
- •проектирования
- •15.4. Проектирование системы человек - машина
- •ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
- •16.1. Всесторонняя экономия ресурсов
- •16.2. Порядок проведения ФСА
- •16.2.1. Подготовительный этап ФСА
- •16.2.3. Разработка улучшенных проектно-конструкторских решений
- •Пример оценки вариантов
- •16.2.4. Разработка и внедрение результатов ФСА
- •16.3. Дальнейшее развитие ФСА
- •Контрольные вопросы
- •ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА
- •17.1. Использование возможностей подсознания
- •17.2. Метод прямой мозговой атаки
- •17.3. Метод обратной мозговой атаки
- •17.5. Синектика
- •Контрольные вопросы
- •18.1. Краткий обзор и классификация эвристических методов
- •18.2. Метод эвристических приемов
- •18.2.1. Количественные изменения
- •18.2.2. Преобразование формы
- •18.2.3. Преобразование структуры
- •18.2.4. Преобразования в пространстве
- •18.2.5. Преобразования во времени
- •18.2.6. Преобразование движения и силы
- •18.2.7. Преобразование материала и вещества
- •18.2.8. Приемы дифференциации
- •18.2.9. Использование профилактических мер
- •18.2.10. Использование резервов
- •18.2.12. Повышение технологичности
- •18.3. Обобщенный эвристический метод
- •19.1. Операции обработки информации
- •19.2. Метафорическое описание и анализ проблемной ситуации
- •Контрольные вопросы
- •МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
- •20.1. Проектант как «черный ящик»
- •20.2. Проектант как «прозрачный ящик»
- •20.3. Проектант как самоорганизующаяся система
- •20.4. Критерии управления проектными работами
- •Контрольные вопросы
- •АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
- •21.1. Морфологическая комбинаторика
- •21.3. Составление морфологических таблиц
- •21.4. Выбор наиболее эффективных технических решений
- •Комбинация из двух элементов
- •21.5. Пример решения задачи
- •22.1. Матрица взаимодействий
- •22.2. Сеть взаимодействий
- •22.5. Проектирование новых функций
- •Контрольные вопросы
- •23.1. Контрольные перечни
- •23.2. Ранжирование и взвешивание
- •23.2.1. Выбор соответствующей шкалы измерения
- •Контрольные вопросы
- •24.1. Сбор и анализ данных
- •Типовой метод накопления данных
- •24.2. Свертывание данных
- •24.3. Накопление и свертывание
- •24.4. Последовательность действий
- •Критерии методов накопления и свертывания данных
- •Контрольные вопросы
- •ПО ФУНДАМЕНТАЛЬНОМУ МЕТОДУ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЭТЧЕТТА
- •Контрольные вопросы
- •26.1. Критерии управления проектными работами
- •26.2. Стратегии проектирования
- •26.3. Как выбрать метод проектирования
- •Схема «Дано - требуется»
- •Часть III
- •КОМПЬЮТЕРИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
- •ПРОЕКТИРОВАНИЯ
- •Описание синтезированного с помощью ЭВМ известного ФПД датчика тока
- •28.2. Количественный синтез физических принципов
- •действия
- •Физическая сущность эффекта
- •Примеры описания ФЭ
- •29.1. Использование многоуровневых морфологических таблиц
- •29.3. Составление списка требований
- •29.4. Разработка модели оценки технических решений
- •29.5. Алгоритмы поиска решения на И - ИЛИ-дереве
- •Ограничения по типам свертки
- •29.6. Порядок решения задач
- •СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •ОГЛАВЛЕНИЕ
Часть III
КОМПЬЮТЕРИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Вдополнение к основам методологии проектирования, изложенным
вчасти II, приведены краткие сведения о процессе автоматизации проек тирования. Подробно с автоматизацией проектирования можно ознако миться по работам А.И. Половинкина [1,2,40].
27.Возможности РАЗВИТИЯ и г р а н и ц ы м е т о д и к и
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Методология проектирования в ее современной форме возникла лишь во второй половине XX столетия. Каковы же могут быть пути ее дальнейшего развития, причем не в далекой перспективе, а в ближайшем будущем? Эти пути можно наметить, отталкиваясь от основных объектив ных проблем. Проблема первая, связанная с экономической эффективно стью и конкуренцией с другими КБ, - это необходимость сокращения времени на процесс проектирования. Вторая, взаимосвязанная с первой по последствиям, - необходимость повышения качества создаваемых объек тов. Теоретически существуют две возможности решения этих проблем за счет интенсификации творческого процесса:
1)искать принципиально новые методы творческой работы;
2)создать компьютер с программным обеспечением, который ими тировал бы деятельность мозга, усиливая ее с помощью посторонней энергии, т.е. создание искусственного интеллекта.
Очевидно, что наиболее оптимально было бы совместное использова ние обеих возможностей. Причем компьютеры должны иметь нечто общее
счеловеческим мышлением, то есть обладать искусственным интеллектом. Это относится к накоплению и отбору информации, когда это нужно для поиска решения (путем комбинирования). Если установлено, что перенос, преобразование и использование информации имеют большое значение и
налицо связи кибернетического характера, они должны быть вскрыты и реализованы также кибернетической машиной (компьютером).
Пока компьютеры, несмотря на почти неограниченные технические возможности (по скорости быстродействия, оперативной памяти, мульти процессорности и др.), не дают больше, чем в них предварительно вложил человеческий ум. От компьютера можно требовать только таких комбина ций, которые состоят из элементов, содержащихся в его памяти. Накапли вать можно элементарные функции, носители этих функций и относящие ся сюда соотношения величин. Компьютерному комбинированию способ ствует символика блок-схем и понятие элементарной функции. Это позво лило автоматизировать выпуск конструкторской и технологической доку ментации (программы Autocad, «Компас», Te-flex и другие). Уже появи лись для некоторого числа частных задач универсальные программы по проектированию и расчету, подобно тому, как предлагает методология проектирования. Чтобы эффективнее использовать гибкость человеческо го мозга и точность компьютера, «каждый» из них должен работать в сво ей области (человек программирует и принимает решения, компьютер комбинирует и вычисляет). Смена «исполнителей» при этом дает возмож ность своевременного текущего контроля и корректировки. Таким обра зом, генеральным направлением в создании новой технологии проектиро вания является разработка автоматизированного проектирования с ис пользованием средств искусственного интеллекта.
Одна из основных проблем, связанная с реализацией этого направле ния применительно к сложным объектам и системам, заключается в разра ботке формальных методов индукции решений, позволяющих возложить на компьютер поиск возможных пространственно-структурно-параметриче ских организаций проектируемой сложной системы в рамках реально дос тигнутого уровня знаний и выделение доминирующих решений. Необхо димо отметить, что современные достижения в области формальной логики относятся в основном к дедуктивной ее части, а формальная логика индук ции только начинает свое развитие. Поэтому вычислительные средства на шли широкое практическое применение в первую очередь для решения за дач сопоставительного анализа, а формирование образа всего сложного объекта в целом продолжает оставаться за человеком.
Многообразие решений при создании сложной технической системы определяется в общем случае множеством возможных технических реали заций познанных физических, химических и биологических эффектов, а также множеством возможных организаций взаимодействия этих эффек тов в целях выполнения разрабатываемой системой требуемых функций. Число познанных физических, химических и биологических эффектов от носительно невелико, что характерно и для возможных технических реа лизаций этих эффектов. Поэтому в сложных технических системах суще ственно новые свойства достигаются в основном за счет изменения ор ганизации взаимодействия используемых эффектов.
Очевидно, что решение задачи распознавания многообразия воз можных организаций проектируемой сложной системы может быть дос тигнуто формальными методами на основе современной вычислительной техники, если будут вскрыты общие принципы организации систем рас сматриваемого класса и осуществлено формализованное описание извест ных физических, химических и биологических эффектов, а также возмож ных способов их технических реализаций (в форме математических моде лей). Использование такого подхода позволило бы избежать необходимо сти априорного задания эвристически выбранных допустимых вариантов по организации разрабатываемой сложной системы и осуществлять на правленное формирование оптимальной пространственно-структурно- параметрической организации проектируемой системы по выбранным критериям с учетом влияния интегративного эффекта.
Контрольные вопросы
1.Как вы трактуете возможности развития методологии проекти рования?
2.Какая разница между автоматизацией проектирования и конструи рования?
28. А в то м а ти зи р о в а н н ы й си н тез ф и зи ческ и х
ПРИНЦИПОВ ДЕЙСТВИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ1
28.1. Качественный синтез физических принципов действия
Отдельный ФЭ, обозначаемый буквой W, можно описать тремя ком понентами:
W=ABC. (28.1) Качественный синтез ФПД основывается на использовании массива
качественно описанных ФЭ (табл. 28.1).
|
|
Т а б л и ц а 28. 1 |
||
Примеры описания физических эффектов |
||||
ФЭ |
Входное воздействие |
Физический объект |
Выходной эффект |
|
А |
В |
С |
||
|
||||
Сонолюминесцен |
Акустическая волна |
Люминофор (глицерин, Электромагнитное |
||
ция |
|
нитробензол, этиловый |
излучение (видимая |
|
|
|
спирт и т.д.) |
часть спектра) |
|
Пьезоэлектрический |
Механическое на |
Пьезокристалл (кварц, |
Электрическое поле |
|
Сверхпроводимость |
пряжение |
турмалин, сахар и т.д.) |
|
|
Температура (ниже |
Полупроводник или ме |
Резкое увеличение |
||
|
определенного пре |
талл (алюминий, индий, |
проводимости |
|
Ультразвуковой ка |
дела ГСГкр) |
свинец, галлий ит.д.) |
(электрической) |
|
Акустическая волна |
Жидкость в капилляре |
Повышение высоты |
||
пиллярный (откры |
(ультразвук) |
|
подъема жидкости |
|
тие № 109) |
|
|
|
|
Светогидравличе |
Электромагнитное |
Жидкость |
Гидравлическая |
|
ский (открытие № |
излучение (луч кван |
|
волна (большой |
|
65) |
тового генератора) |
|
амплитуды) |
|
Образование высо |
Электрический раз |
Газ (гелий, водород, |
Образование плаз |
|
котемпературной |
ряд (высокочастот |
дейтерий и т.д.) |
мы (высокотемпе |
|
плазмы в высокочас ный) |
|
ратурной) |
||
тотном разряде (от |
|
|
|
|
крытие № 87) |
|
|
|
1 По материалам работы А.И. Половинкина [1].
В этой таблице приведены примеры описания по формуле (28.1) классических, широко известных ФЭ и последних официально признан ных научных открытий. О приемлемости такой формы обобщенного пред ставления элементарного ФЭ говорит то, что она была использована при описании около 500 физических эффектов.
Описание ФЭ по формуле (28.1) назовем качественным.Следует за метить, что некоторые ФЭ, представленные в виде (28.1), не могут само стоятельно существовать и действовать, поскольку они получены расщеп лением сопряженных ФЭ, которые имеют более одного результата воз действия С и соответствующее структурное описание
W=AB(CUС2,..., С*). (28.2)
В табл. 28.2 приведены примеры описания сопряженных ФЭ. По ря ду соображений, в основном связанных с автоматизированным синтезом физических принципов действия, сопряженные ФЭ удобнее представлять в виде нескольких отдельных ФЭ. Из формулы (28.2) получим описания в виде (28.1)
|
W\=ABC\, W2=ABC2,..., Wk=ABCk. |
|
Т а б л и ц а 2 8 . 2 |
|
Сопряженные физические эффекты |
ФЭ |
Входное воз Физический Выходной эффект С]9 С2,..., Ск |
|
действие А объект В |
Протекание электриче ского тока по проводнику
Явления, происходящие при увеличении темпера туры твердого тела
Электриче ский ток
Увеличение
температуры
Проводник С] - увеличение температуры С2 - электромагнитное поле
С\ -изменение формы и объема С2 - изменение электропроводности
Твердое тело С3 - тепловое излучение С4 - электромагнитное излучение С5 - поток электронов
В информационном массиве сопряженные ФЭ имеют один номер и отличаются буквенными индексами, например, 14А, 14Б, 14В.
Следует заметить, что не все ФЭ можно описать по формуле (28.1), поскольку иногда встречаются ФЭ, которые могут существовать и дейст вовать при наличии одновременно нескольких входных физических воз
действий. Такие ФЭ называют сложными. Они имеют следующее струк турное описание:
{А\А2,... *С,
или
{АхА2,...А*)ВС. (28.3)
В табл. 3.4 главы 3 приведены примеры сложных ФЭ с несколькими физическими воздействиями.
Исходная информация для осуществления синтеза ФПД на ЭВМ представляет собой описание функции ТС по формуле (3.3), где N должно соответствовать начальному физическому воздействию A,-, a R - конечно му результату Ст.
Синтез начинается с выявления возможности реализации функции с помощью элементарной структуры ФПД, использующей один ФЭ, кото рый обеспечивает преобразование At в Ст. На втором этапе строятся ли нейные структуры, состоящие из цепочек совместимых ФЭ. При этом ка чественная совместимость подразумевает только совпадение наименова ний физических величин и не проверяется соответствие значений этих ве личин. Здесь используют также программы физического анализа постро енных структур ФПД.
Если с помощью линейных структур не удается реализовать задан ную функцию ТС, то строятся допустимые линейные структуры отдель ных функциональных узлов ТС, которые затем собираются в сетевую структуру ФПД конструируемой ТС.
Следует заметить, что решение задачи синтеза ФПД, как правило, неоднозначно, т.е. для реализации одной и той же функции можно полу чить некоторое множество разных линейных или сетевых структур. По этому при наличии достаточно большого банка ФЭ может существовать довольно большое количество ФПД, состоящих из разных чисел и различ ных наборов ФЭ. При этом поиск всех допустимых или наиболее прием лемых ФПД представляет собой нелегкую задачу. Изложим теоретические и алгоритмические основы метода качественного синтеза ФПД.
Задачу синтеза ФПД можно сформулировать следующим образом. Пусть имеется некоторое конечное множество ФЭ. Этому множеству со поставим G=(X', X", U) - орграф Кёнига, где вершинам из X' соответству ют физические объекты В, а вершинам из X"- входные воздействия или выходные эффекты А, С. Граф G имеет дуги из хеХ " в у£Х', если х соот ветствует входному воздействию, относящемуся к физическому объекту у,
и дуги из у е Х ' в хе X", если вершина х соответствует выходному эффекту, относящемуся к физическому объекту у.
Предположим, что для каждой вершины хе X" на парах дуг (и, v), одна из которых входит в х, а другая выходит из х, определен некоторый предикат Д(и, v)=0,1. Если А(и, v)=l, то ФЭ, выходным эффектом которого является вершина х, совместим и может быть состыкован с физическим эффектом, для которого х является входным воздействием; в противном случае А(и, v)=0.
Простой путь хъщх\U2X2 ...UjXjUi+\...Xj.\UjXi будем называть правиль ным, если для любой вершины х,е X'", входящей в него, выполняется ус ловие совместимости А (м„ м,+i)=l.
Предположим, что в графе G имеются две вершины хцуо^ X', такие что из *0 выходит, а в уо входит только одна дуга.
Решением D(xо, уо) назовем множество всех простых правильных пу тей, обладающих следующими свойствами:
♦некоторый простой правильный путь xoU\Xi...upCi=yo входит в решение;
♦если вершина хе X' входит в путь, включенный в решение, то для каждой дуги v, входящей в х, необходимо включить в решение один из простых правильных путей, начинающийся из вершины хо и оканчивающийся дугой v.
Таким образом, можно сформулировать следующие задачи:
1.В графе G по заданным вершинам хо, уо найти все решения £>(хо, уо).
2.В предположении, что на дугах графа G определена некоторая ад дитивная функция, найти в G по заданным вершинам хо, уо решение, ми нимизирующее эту функцию.
Для решения первой задачи предлагается алгоритм, который строит множество всех решений в виде И—ИЛИ-дерева. Решение второй задачи возможно с помощью рекурсивных соотношений для аддитивной функ ции на построенном дереве.
Алгоритм построения множества решений реализует просмотр графа
G методом «сначала вглубь» начиная с вершины уо. В процессе просмотра строится И-ИЛИ-дерево возможных решений. В его корень помещается вершина _уоДерево строится до тех пор, пока всем висячим вершинам не будет соответствовать вершина Хо графа G. Вершины дерева, соответст вующие вершинам из X', играют роль И-вершины, остальные - ИЛИ-вершины. Алгоритм одновременно вычисляет мощность множества решений. Ниже приводится его описание.
Шаг 0. х=уо, р=1. Обнулить массив Z и включить х в дерево в качест ве корня; р - параметр рекурсии; Z - массив счетчиков; размерностьмаксимальная длина пути в графе G.
Шаг 1. Z[p] ;=Z[p]+l.
Шаг 2. Если Z[p]>a(x), то перейти к шагу 10; а(х) - число дуг, вхо дящих в вершину х.
Шаг 3. y=R(x, Z[p]); включить вершину у в дерево; R(x, i) - процеду ра выбора такой вершины у, что: а) из у в х идет дуга; б) для вершины х эта дуга имеет среди всех входящих в нее дуг номер i.
Шаг 4. Если вершина у уже встречалась в дереве на пути из корня в
х, то перейти к шагу 7.
Шаг 5. Если хе Х\ то перейти к шагу 8.
Шаг 6. Проверить условие стыковки дуг, по которым вошли в х и у Если стыковка есть, то перейти к шагу 8.
Шаг 7. Пометить запретом вершину у в дереве и перейти к шагу 1. Шаг 8. Если у=хо, то приписать вершине у в дереве вес 1 и перейти к
шагу 1.
Шаг 9. х :—у, р:=р+1, перейти к шагу 1.
Шаг 10. Вычислить Р(х) - число запрещенных вершин-преемников у
вершины.
Шаг 11. Если хе X', то перейти к шагу 14.