Анализ работ по структурному синтезу

Анализ работ по структурному синтезу.

Задача синтеза структуры технического объекта - наиболее от- ветственная и сложная для формализации процедура, качество реали- зации которой во многом определяет качество будущего изделия.

Существующие САПР в большинстве случаев предполагают выполне- ние этапа синтеза человеком, а ЭВМ используется лишь для верифика- ции предлагаемых вариантов структуры. Однако, можно выделить нес- колько наработанных подходов к автоматизации задачи структурного синтеза технического объекта ТО 34 перебор законченных структур отсутствие синтеза как такового наращивание базовой структуры ТО выделение варианта из обобщенной структуры транс- формация описаний.

В алгоритмах синтеза используются, как правило, комбинации нескольких подходов.

При этом улучшение структуры-прототипа ТО подразумевает пять основных операций - добавить новый элемент или отношение - удалить элемент или отношение из структуры - 18 заменить элемент или отношение - объединить два и более элементов в один многофункциональный - разбить полифункциональный элемент на множество монофункци- ональных.

Однако, применять процедуры объединения или разбиения необхо- димо чрезвычайно осторожно, поскольку совмещение функций элемен- тов, машин и механизмов в одном рабочем узле дает огромный эффект лишь там, где это логически вытекает из структуры и назначения проектируемого изделия.

Между тем, опыт проектирования показывает 36 , что слепая погоня за модной идеей совмещения функций по принципу лишь бы выбросить дает отрицательный результат - нерацио- нальные конструкции.

Анализ работ с точки зрения методологии структурного синтеза 35-51,55 позволил провести обобщенную классификацию основных ме- тодов синтеза структуры рис. 1.3 . Построенная классификация выделяет следующие основные принци- пиальные подходы к задаче структурного синтеза ТО - полный перебор законченных структур-прототипов или вариан- тов структур, сгенерированных над множеством базовых структурных элементов.

Подобный подход для реальных технических объектов тре- бует огромных вычислительных ресурсов и, как следствие, на началь- ных этапах проектирования не используются - декомпозиция задачи на ряд более простых задач с целью уменьшения размерности необходимого полного перебора - использование эвристических фактов и правил, позволяющих проектировщику интуитивно выбирать удачные или наиболее рациональ- ные направления синтеза структуры без полного перебора всех аль- тернатив - анализ обобщенной интегральной гипотетической структуры объекта и выделение на его основе структурных элементов, обеспечи 19 - Методы синтеза структуры объекта L T T T Методы Эвристические перебора методы L L Методы Интегрально-гипо- декомпозиции тетические методы L L Эволюционные методы L Рис. 1.3. Основные методы структурного синтеза 20 - вающих оптимальное функционирование синтезируемой системы - эволюционный синтез структуры путем коррекции исходного простейшего варианта эвристическими и или оптимизационными мето- дами. Всесторонний анализ существующих разработок в области синтеза структур реальных технических объектов позволил выявить несколько основных направлений развития методологии синтеза структуры.

Это, во-первых, методы поискового конструирования 35,37-42 , основанные на качественном синтезе структуры на уровне совмести- мости сопрягаемых структурных элементов по входным и выходным воз- действиям.

Как правило, формализация данного метода предполагает представление вариантов технических решений в виде ориентированно- го графа 22 , в котором узлам соответствуют возможные варианты элементной базы, а дугам - возможные соединения их между собой ма- териальными связями рис. 1.4 . В данном случае задача структурного синтеза заключается в вы- делении на графе множества возможных путей из условия качественной и количественной совместимости взаимодействующих элементов, а так- же поиске оптимального варианта пути на графе технического ре- шения среди выделенных, обеспечивающего минимум целевой функции проектирования.

Наличие лишь качественной совместимости элементов при отсутствии количественной предполагает решение этой проблемы оптимизационными методами расшивки узких мест структуры, т.е. уве- личением количественного состава элементов соответствующего типа 43 . Разнообразные методы направленного поиска путей на графовой структуре полный направленный перебор, поиск в глубину и т.п. широко известны и детально описаны в литературе 37,39,41,44 . Однако, реализация известных методов поиска для сложных структур с 21 Тип 1 Тип 2 Тип 3 Тип m 1-TTT 0 1 0 1-TTT 1 01 11 0- 760 2 1 - 760 3 1 - -760 761 0m 11 0 1L -0 L L 1L - 1-TTT 0 1-TTT 0 1 2 - 761 02 21 0- 761 03 21 0- -760 760 m 2 L 1L -0 1L -0 L 4 0 4 0. .4 0 4 0 .4 0 1S410 - 760 2S420 - 760 3S430 - -760 760 mS4m0 L L L L L L L L Рис. 1.4. Граф вариантов технических решений i j - структурный элемент технического L объекта i - тип элемента, j - ва- риант i-го типа m - число типов функциональных элементов S4i 0 - число возможных вариантов элемента i-го типа 1-TTT 1 0n k1 0 - элементы возможного варианта структу- 1L -0 ры ТО 22 - большим числом элементов весьма затруднительна в силу большой раз- мерности пространства поиска, что требует неприемлемо больших вы- числительных ресурсов.

Выход из этой ситуации может быть найден лишь путем перехода от поэлементного синтеза схем к групповому.

Структурные элементы здесь группируются в типовые блоки, а синтез выполняется на уровне этих неделимых функциональных модулей.

Такой подход позволяет существенно снизить вычислительные затраты и об- легчить стыковку элементов между собой 45,46 . Данный метод структурного синтеза достаточно прост для форма- лизации и практической реализации, исключительно прозрачен и поня- тен проектировщику, но вместе с этим обладает следующими серьезны- ми недостатками.

Во-первых, из рассмотрения автоматически могут быть исключены потенциально лучшие структуры, элементы которой имеют наиболее приемлемые значения свойств, но оказались не совместимыми друг с другом по количественным или качественным признакам.

Подобное усе- чение множества возможных вариантов структур не всегда оправдано, поскольку посредством включения дополнительных согласующих узлов между несовместимыми элементами можно получить порой наиболее ра- циональную конструкцию ТО. И во-вторых, синтез объекта лишь на ос- нове его одноуровневого представления не гарантирует физическую реализацию выбранного варианта структуры на нижних уровнях ее ие- рархии.

Это говорит о необходимости использования системного под- хода к структурному синтезу.

Широко известными являются также методы последовательного синтеза объектов, осуществляемые на основе двудольного графа, но- сящего название И-ИЛИ дерева 23,37 . На нем в виде вершин изобра- жаются структурные элементы, в качестве которых в зависимости от иерархического уровня абстрагирования могут выступать функциональ- ные модули, узлы, детали или элементы деталей.

На этом же графе - 23 - присутствуют вершины другого типа - признаковые вершины И ИЛИ. Ду- ги графа означают связи между структурными элементами.

И-ИЛИ дерево - удобное средство представления всего множества технических решений и выбора на нем элементов, отвечающих требуе- мым значениям признаков.

Дерево технических решений имеет одну корневую вершину, расположенную на самом высоком иерархическом уровне членения объекта.

Эта вершина обозначает всю общность зак- люченных в дереве технических решений группу, вид, класс, род. Для построения общего дерева используется три метода 47 - вначале по одному техническому решению строится дерево, а затем оно достраивается по другим техническим решениям - строятся деревья по всем техническим решениям, а затем они объединяются - множество технических решений разбивается на подмножества, внутри каждого из которых строится дерево, а затем они объединяют- ся. Каждая комбинация вершин дерева одного иерархического уровня поддерево представляет структуру определенного варианта техни- ческого решения, который может быть или уже известным, или новым, определенным на множестве вершин прадерева.

Углубленный анализ показывает, что данный метод представляет собой лишь иную формальную интерпретацию вышеописанных поисковых методов синтеза, и следовательно их использование приводит пример- но к равноценным результатам.

Еще один метод структурного синтеза, который является наибо- лее развитым и широко используемым, основан на оптимизационно-ими- тационном подходе 17,39,48-51 , предполагающим нахождение гло- бально-оптимальной структуры проектируемого объекта и значений пе- ременных на этой структуре, т.е. проведение структурно-параметри 24 - ческой оптимизации.

Задачи структурной оптимизации при проектиро- вании имеют некоторые особенности 35 , а именно одновременное присутствие как дискретных, так и непрерывных переменных, которое предполагает решение смешанных задач математического программиро- вания структурные преобразования влекут за собой изменение числа и характера переменных, а следовательно функций ограничений и це- лей. Постановка задачи структурной оптимизации начинается с опре- деления набора рассматриваемых переменных по следующей методике 35 выбор таких переменных, которые могли бы описать по возмож- ности все множество рациональных структур выбор и анализ методов преобразования структур, пополняя на их основе подмножествами вновь синтезированных структур рассматриваемое вариантное прост- ранство, а следовательно - описывающий его набор переменных выбор вектора независимых переменных, варьируемых при поиске оптимальных структур разбиение вектора переменных на две составляющие, обес- печивающие соответственно изменение структуры и параметрическую оптимизацию в рамках заданной структуры. При условии возможного разбиения общей структуры объекта на определенные устойчивые неварьируемые участки, для оптимизации применима упрощенная схема динамического программирования, предпо- лагающая в своей основе - расчленение структуры на части, расположенные на разных ступенях иерархии - локальная оптимизация в пределах каждой части, где примени- мы методы полного перебора - взаимоувязка полученных локальных решений путем их согласо- вания с общим критерием и системой ограничений. Недостатки данного метода заключаются в необходимости полной формализации процесса по каждому выделяемому участку структуры, а - 25 - также в субъективности критериев оптимальности, определяемых на основе регрессионного анализа предыдущего опыта конструирования объектов данного класса.

С другой стороны, выбор проектного решения не всегда осущест- вим чисто математическими методами, что вызывает необходимость ис- пользования экспертных эвристических приемов синтеза, основные причины использования которых заключаются в следующем 22,52,53 - отсутствие в полном объеме требуемой исходной информации при проектировании - отсутствие надежных единиц измерения для некоторых парамет- ров свойств объектов проектирования качественные признаки - необходимость в обосновании некоторых критериев оценки ка- чества проектирования и технологических ограничений - необходимость в проверке проектных решений, принятых на ос- нове аналитических методов - отсутствие единой целевой функции при проектировании, что вызывает необходимость ранжирования проектных вариантов из конф- ликтного множества проектных решений.

Следовательно, актуальной является задача формальной реализа- ции теории экспертного оценивания для ее большей однозначности и достоверности.

На основании вышесказанного можно сделать вывод, что оптими- зационный подход к структурному синтезу детально проработан и в связи с этим находит широкое применение, однако в его основе лежат требования полной определенности функций и их значений, что делает его практически не применимым на начальных этапах проектирования ТО, где всегда присутствует большая неопределенность.

Таким образом, проведенный анализ различных подходов к зада- чам структурного синтеза и оптимизации показал практическое от 26 - сутствие приемлемых методов синтеза для начальных этапов проекти- рования ТО. Выход из сложившейся ситуации может быть найден на ос- нове комплексного совмещения вышеописанных методов структурного синтеза.

Последовательная генерация структур, носящая итеррацион- ный характер 54 , должна осуществляться поисковыми методами на основе эвристических правил синтеза, учитывающих существующую не- определенность исходных данных, критериев, действий, функциональ- ных и логических зависимостей, с последующим выбором рациональной структуры оптимизационными методами.

При этом в проектных задачах, подразумевающих получение еще не существующего объекта, и с учетом особенностей ВС наиболее приемлемым подходом к структурному синте- зу является выделение базовой структуры из обобщенной модели с дальнейшей ее трансформацией на основе определенных эвристических правил генерации структуры.

Следовательно, средства САПР, ориентированные на автоматиза- цию процедур структурного синтеза, в той или иной мере должны опи- раться на идеи и методы искусственного интеллекта 49,55 . Разнообразие систем искусственного интеллекта, используемых в САПР, в основном исчерпываются следующими основными типами - информационно-поисковые системы с диалоговым интерфейсом на естественном языке - интеллектуальные пакеты прикладных программ для инженерных расчетов - интеллектуальные программно-методические комплексы для мо- делирования и анализа систем - экспертные системы.

В системах структурного синтеза на начальных этапах проекти- рования целесообразным и логически обоснованным является использо- вание экспертных компонент в разрабатываемых САПР, формализация процедур которых осуществляется на основе формального представле 27 - ния коллективных знаний группы высококвалифицированных экспертов о предметной области, к которой принадлежат синтезируемые объекты, и в частности, вакуумные системы.

Следовательно, необходима разработка экспертной системы под- держки процедур синтеза проектируемого объекта, обеспечивающей эф- фективное формирование, хранение и обработку эвристических знаний конструкторов вакуумного машиностроения. 1.3. Анализ работ по автоматизации проектирования ВС. Изучение вопросов, связанных с автоматизацией проектно-конс- трукторской деятельности, и в частности, с созданием САПР, показа- ло подробную проработку методических основ создания САПР, типовых структур подсистем САПР, правил построения и организации различных видов обеспечений САПР математического, программного, информаци- онного и других теоретических аспектов автоматизированного про- ектирования 23,49,56-58 . Большое внимание уделено и аппаратным средствам САПР 57,59 . Однако, проблемы создания конкретных прик- ладных САПР достаточно полно решены лишь в областях электротехники и радиоэлектроники 60-62 . В разработке же САПР машиностроитель- ных объектов, к которым относятся и вакуумные системы, основной упор делается на автоматизацию отдельных процедур, автоматизиро- ванное проектирование отдельных элементов 63 , автоматизацию тех- нологической подготовки производства и изготовления конструктор- ской документации 64,67 . При этом отмечается сложность выработки единого универсального принципа конструирования технических объек- тов машиностроения, основанного во многом на трудноформализуемом творческом подходе 23,68 и неизбежность, в связи с этим, модифи- кации типовых структур их САПР 28 - Проблеме автоматизации проектирования ВС посвящено весьма незначительное число публикаций.

Все они освещают лишь отдельные, хотя безусловно необходимые и важные аспекты этого процесса па- раметрический синтез и оптимизация, моделирование течения газов по каналам различной конфигурации и распределения молекул в вакуумных объемах, вопросы графического отображения и документирования, вы- бор и анализ элементной базы ВС . К сожалению, этап структурного синтеза, от которого в наибольшей степени зависит качество будуще- го объекта практически полностью не проработан 69-81 . Достаточно полно наработаны и исследованы вопросы параметри- ческого синтеза и оптимизации по стоимостному критерию принципи- альных схем ВС 77-81 . Однако, в рассматриваемых работах проекти- рование принципиальных схем предлагается осуществлять на основе жесткой структуры-прототипа, состоящей из фиксированного числа функциональных элементов ВС. Множество различных структур в данном случае формируется лишь заменой типоразмеров составных элементов схемы в пределах систематизированного ряда элементов данного типа, либо исключением определенных элементов из структуры.

Подобный подход в большей степени относится к вопросам параметрического синтеза и синтезом структуры, как таковым, не является.

Следова- тельно, отсутствие возможности гибкого синтеза произвольной струк- туры проектируемой ВС позволяет говорить о ее оптимальности лишь с достаточной степенью условности, поскольку возможна только пара- метрическая оптимизация ее структурных элементов в рамках наперед заданной структурной схемы.

Однако, наиболее существенным недостатком существующих разра- боток является отсутствие системного подхода к проблеме проектиро- вания ВС, что означает отсутствие комплексного анализа ВС как объекта, являющегося неотъемлемой функциональной частью конкретной технической системы, находящейся в непрерывном взаимодействии с - 29 - факторами внешнего окружения.

Необходимость проведения системного анализа подтверждается тем, что оптимизация структуры ВС лишь по стоимостному критерию, предлагаемая в ряде работ 77-81 , в подав- ляющем большинстве случаев может привести к проектным ошибкам и, как следствие, разработке нерациональных с точки зрения экономи- ческой эффективности конструкций ВС. Это обусловлено тем, что учет, например, таких свойств технологического оборудования со- держащего ВС как ресурс, надежность, производительность, выход годных и т.п. может привести к тому, что экономически выгодней разработать более дорогостоящий вакуумный агрегат, обладающий большими быстродействием и ресурсом.

В данном случае рост произво- дительности и надежности вакуумного технологического или научного оборудования могут привести к значительному росту экономической эффективности использования более дорогого агрегата, чем дешевого, но менее производительного и надежного.

Наиболее типично данный фактор проявляется в дорогостоящих технологиях микроэлектронного производства, где отказ в технологи- ческом процессе может привести к многомиллионным убыткам, не соиз- меримым со стоимостью вакуумной откачной системы.

Таким образом, оптимизация при проектировании ВС должна осуществляться на основе комплексного критерия оптимальности, учитывающего как свойства ВС, так и показатели качества вакуумного оборудования в целом 82 . Наибольшее число публикаций по вопросу автоматизации проекти- рования ВС посвящено проблеме моделирования процесса функциониро- вания ВС 69-73 . Однако и этот аспект полностью не проработан с точки зрения возможности эффективного использования в составе САПР. Здесь выделяются несколько различных подходов к проблеме мо- делирования.

Первым и наиболее типичным является алгоритмизация и программная реализация вакуумных расчетов по известным инженерным - 30 - методикам 83,84 . Данный подход весьма прост, прозрачен для поль- зователя проектировщика вакуумного оборудования, требует мини- мального объема исходной информации, но к сожалению, абсолютно не приемлем в САПР в силу своей структурной ограниченности. Наиболее точными методами, позволяющими моделировать газовые процессы в системах любой конфигурации, являются имитационное мо- делирование методом Монте-Карло различных режимов течения газов по каналам произвольной формы 69,70,73 , а также различные методы двух- и трехмерного моделирования распределения молекул газовых компонентов в вакуумной системе 74 . Использование данных методов позволяет получить результаты моделирования, наиболее адекватные реальному эксперименту.

Однако, их прямое использование в действующих САПР весьма ог- раничено по ряду причин.

Это, во-первых, необходимость создания сложнейших математических моделей геометрии вакуумного объема для каждой конкретной компоновочной схемы и режима работы вакуумного оборудования, что требует постоянного вмешательства высококвалифи- цированного инженера-математика на каждый случай использования САПР. Вторым, и не менее существенным недостатком данного подхода к моделированию, является неприемлемо большие время получения ре- зультата до нескольких суток в сложных системах и требуемые вы- числительные ресурсы, на что в диалоговых САПР накладываются особо жесткие ограничения.

К тому же, трудоемкость учета столкновений между молекулами газов не позволяет расчитывать на современных ЭВМ реальные вакуумные системы изучению поддаются лишь упрощенные случаи. С другой стороны, данные методы моделирования необходимо использовать в качестве вспомогательных подсистем, что позволит осуществлять имитационное моделирование функционирования различных типовых и вновь появляющихся элементов ВС, результаты которого способствуют исследованию и созданию адекватных эмпирических функ 31 - циональных моделей элементной базы ВС, пригодных для использования в интерактивных САПР. Не менее интересными методами моделирования вакуумных процес- сов в системах произвольной структуры, обладающими приемлемой эф- фективностью с точки зрения трудоемкости и времени получения ре- зультата, являются 71,72 . В их основу положена аналогия процес- сов, протекающих в вакуумных и электрических системах.

Данный под- ход получил свое логическое завершение и практическую реализацию.

Однако, получаемые на их основе результаты моделирования приемлемы лишь как первое приближение, поскольку основаны на большом числе условных допущений и упрощений. Причиной этому является тот факт, что данные методы не позволяют учесть множество факторов, являю- щихся специфическими для реальных вакуумных систем, а именно га- зовыделение и поглощение газов всеми стенками вакуумного объема память многих материалов по газам, существенно влияющая на вид ма- тематической модели элемента напуск реакционных технологических газов, локальный нагрев и охлаждение отдельных частей ВС, а следо- вательно - неоднородность газового состава по рабочему объему ВС. Существенным недостатком также является возможность получения с помощью электрической модели лишь частных решений дифференциальных уравнений, что накладывает свои ограничения на множество приемле- мых для рассмотрения структурных схем ВС. Существенной особенностью, затрудняющей создание САПР ВС, яв- ляется отсутствие многих количественных зависимостей между показа- телями качества ВС и проектными параметрами, а также слабая струк- туризация и формализация процессов проектирования, для которых ха- рактерны логические рассуждения и описания ситуаций или объектов на естественном языке.

Сложность создания подобных зависимостей заключается в необходимости проведения больших серий дорогостоящих - 32 - экспериментов, а также невозможности обработки эмпирических данных вследствие малых серий, а иногда уникальности, выпускаемого ваку- умного оборудования.

Следовательно, решение проблемы автоматизации начальных этапов проектирования ВС в большей степени базируются на интуитивно-эмпирическом подходе.

Таким образом, детальный анализ накопленного опыта в области автоматизации проектирования ВС позволил сделать вывод, что устра- нить недостатки, препятствующие созданию эффективной САПР ВС, обеспечить структурно-параметрический синтез и моделирование ВС произвольной структуры с высокой степенью достоверности и опти- мальности, возможно лишь создав высокоинтеллектуальную САПР, со- держащую в своем составе экспертные компоненты, которые позволяют формально представить и программно реализовать эмпирические зна- ния, а также эвристические правила и приемы, используемые высоко- квалифицированными специалистами при разработке вакуумного обору- дования в традиционном ручном проектировании. 1.4. Анализ способов представления конструкторских знаний.

Эффективная экспертная поддержка разрабатываемой интеллекту- альной САПР ВС невозможна без выбора рационального способа предс- тавления инженерных знаний конструктора данной предметной области.

Можно сформулировать две группы требований к системе предс- тавления инженерных знаний 85 . Требования первой группы предпо- лагают универсальность, целостность и открытость системы предс- тавления знаний.

Эта группа требований способствует повышению эф- фективности и высоким эксплуатационным характеристикам разрабаты- ваемой системы.

Вторая группа требований регламентирует функцио- нальные возможности системы и является определяющей при практичес- ком использовании САПР. Требования второй группы подразумевают - 33 - обеспечение следующих факторов - адекватности отображения предметной области, т.е. такого описания, при котором возможно моделирование любых процессов, про- исходящих в данной предметной области и существенных для выделен- ного класса задач - естественной формы описания предметной области в системе знаний, позволяющей создать удобный для человека интерфейс с вы- числительной системой в процессе постановки и решения задач - многоуровневости описания предметной области, обеспечиваю- щего решение сложных задач проектирования, характеризуемых динами- ческим изменением системы знаний - сочетания процедурных и декларативных методов в одной сис- теме знаний, позволяющей, с одной стороны, достаточно просто опи- сать основные понятия и терминологию предметной области, а с дру- гой стороны, задать функциональные зависимости и конструкторские действия при принятии решений, характерных для данной области.

Различают два типа инженерных знаний, определяющих способы их формального представления декларативные и процедурные знания. Декларативный подход к описанию знаний более понимаем экспер- тами в конкретной предметной области, но вместе с тем требует соз- дания процедур поиска решений в зависимости от поставленных целей.

Процедурный подход к представлению знаний позволяет достаточно просто получить требуемое решение, но вызывает необходимость до- полнительной работы эксперта по соответствующей интерпретации предметной области.

Он также менее нагляден по сравнению с декла- ративным.

К декларативному способу представления знаний можно отнести логический метод и семантические сети. Типичным представителем процедурного способа являются продукционные системы.

Фреймовый - 34 - способ представления знаний определенным образом сочетает в себе декларативный и процедурный подходы.

Следовательно, выбор того или иного способа представления знаний во многом определяется информационной спецификой описывае- мой предметной области и того класса задач, которые предстоит ре- шать с использованием создаваемой базы знаний.

Анализ литературных источников позволил выделить минимальный состав знаний, необходимых конструктору при проектировании техни- ческих объектов практически любой предметной области - свойства объектов конструирования, окружения и пространс- твенно-временные соотношения между ними - условия синтеза объектов конструирования, содержащих описа- ния структурных элементов, образующих синтезируемый объект, их ок- ружения, а также пространственно-временные отношения между ними и порядок этих отношений - зависимости между свойствами объектов конструирования всех уровней иерархии - зависимости между свойствами, объектами и пространствен- но-временными отношениями объектов.

Среди основных форм традиционного представления конструктор- ских знаний можно выделить следующие текст, графическое изображе- ние, формулы и таблицы.

Более подробный семантический анализ ос- новных форм представления знаний выделяет конкретные виды конс- трукторских знаний таблица 1.2 . При углубленном рассмотрении основных видов и форм традицион- ного представления инженерных знаний можно выделить следующие их особенности - отсутствие универсальной теории, адекватно описывающей про- цессы конструирования, не позволяет сформулировать знания о пред- метной области в виде единой строгой математической модели и форме 35 - Таблица 1.2. Основные формы традиционного представления конструкторских знаний.

T T T N Формы Виды Содержание п п знаний знаний 1 Текст Описание Наиболее распространенный вид знаний, используемый для задания объектов, их свойств и отношений между свойствами.

Утвержде- Является результатом анализа ние существующих закономерностей и содержит, как правило, условия синтеза объектов.

Пример Описание отношений между объектами с конкретными числовыми значениями 2 Графи- Чертеж Отражает геометрические свойства ческое схема, объектов и или пространственные изобра- рисунок отношения между ними. жение График Содержит сведения об изменении свойств объектов в процессе прос- транственных и временных отношений Фотогра- Является иллюстративным материалом фия в конструировании. 3 Формула Теорети- Дает количественную оценку свойств ческая и отношений, а также отражает зависи- объективные закономерности взаимо- мость действия объектов. Эмпири- Получается статистической обработ- ческая кой имеющихся экспериментальных завис. данных. 4 Таблица Наиболее естественная форма хране- ния эмпирических знаний об объектах, их свойствах и отношениях L - 36 - наиболее подходящей для машинной обработки - эмпирический характер большинства конструкторских знаний ограничивает возможность их обобщения, снижает степень их досто- верности и тем самым приводит к нечеткости знаний - зависимость количественных знаний от конкретных производс- твенных условий существенно влияет на проектное решение для раз- личных производств - отсутствие научно-обоснованной систематизации и структури- зации при изложении знаний конструирования в учебниках и моногра- фиях - описание объектов и ситуаций на качественном языке, т.е. с использованием смысловой информации, которая не может быть предс- тавлена количественно - большой объем инженерных знаний, которые в различных источ- никах зачастую неодинаковы, дублируют, дополняют, а иногда и про- тиворечат друг другу - существование постоянного процесса эволюции конструкторских знаний - преобладание декларативного характера описания знаний над процедурным - многозначность и многообразие терминов и отсутствие единс- тва по терминологическим вопросам.

Многообразие и особенности видов и форм знаний конструирова- ния таковы, что невозможно указать единого способа представления знаний, эффективного для всех видов и форм знаний.

Следовательно, наиболее целесообразным является смешанный способ представления знаний, в котором одновременно присутствует декларативная и проце- дурная информации.

Наиболее логичным с этой точки зрения представ- ляется способ организации знаний о предметной области в виде фрей 37 - мовых моделей, построенных над семантическими сетями, что позволя- ет эффективно сочетать в модели знаний следующие преимущества раз- личных систем представления высокий уровень структуризации знаний, позволяющий доста- точно просто описывать знания, содержащиеся в виде классификато- ров, иерархических структур и древообразных схем - естественность формы иерархического представления и наг- лядность знаний, соответствующих семантике предметной области - высокие адаптационные свойства и гибкость базы знаний - объединение декларативного и процедурного способов предс- тавления знаний - возможность представления обобщенных знаний - возможность представления нечетких знаний о предметной об- ласти.

Таким образом, актуальным является создание оригинальной сис- темы представления и манипулирования конструкторскими знаниями, позволяющая реализовать в себе все вышеописанные принципы построе- ния системы знаний с учетом особенностей, присущих различным типам инженерных знаний.

Выводы 1. Проанализированы характерные области и условия применения ВС в различных типах оборудования.

Установлено, что в большинстве случаев конструктивная реализация ВС определяет основные функцио- нальные свойства технологического оборудования в целом. 2. Обоснована необходимость автоматизации начальных этапов проектирования ВС, во многом определяющих качество будущих проект- ных решений см. приложение 1 . 3. Проведен анализ и классификация различных подходов к - 38 - проблеме структурного синтеза.

Установлено, что в условиях неопре- деленности функций практическое их использование на начальных эта- пах проектирования затруднено. 4. Определено, что с учетом особенностей ВС целесообразным является разработка интеллектуальной САПР ВС с экспертной системой поддержки основных процедур синтеза, предусматривающих выделение базовой структуры из обобщенной модели с последующей ее трансфор- мацией на основе определенных эвристических правил генерации. 5. Осуществлен анализ работ по автоматизации проектирования ВС. Вскрыты недостатки существующих разработок, заключающиеся в отсутствии системного подхода к проблеме проектирования ВС и комп- лексного анализа ВС как неотъемлемой функциональной части конкрет- ной технической системы. 6. Определены особенности автоматизации проектирования ВС, заключающиеся в слабой структуризации и формализации предметной области и основных проектных процедур. 7. Вскрыты особенности представления инженерных знаний, зак- лячающиеся в эмпирическом характере большинства знаний и невозмож- ности представления конструкторских знаний о предметной области в виде единой строгой математической модели. 8. Проведен анализ способов представления конструкторских знаний, показавший, что для вакуумного оборудования наиболее при- емлемым является фреймовая модель представления знаний, построен- ная над семантической сетью 39 - 2.