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.