close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

7959.Вариант формализации эвристических приемов для поискового конструирования на основе ПарФС

код для вставкиСкачать
117
УДК 621
А. В. Кизим
ВАРИАНТ ФОРМАЛИЗАЦИИ ЭВРИСТИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ
ДЛЯ ПОИСКОВОГО КОНСТРУИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ПАРФС
Волгоградский государственный технический университет
В в е д е н и е . Иногда для решения определенной задачи не существует известного алгоритма,
позволяющего досконально и четко декомпозировать процесс решения на элементарные шаги. В
таких случаях на помощь приходят эвристики, или эвристические приемы (ЭП). Эвристические
приемы являются рекомендацией, дающей направление решения.
Анализ известных методов, использующих ЭП
Метод ЭП возник в 40–50 гг. прошлого столетия как развитие метода "проб и ошибок". Согласно [1], ЭП является предписанием или указанием направления поиска решения. Кратко суть
метода можно изложить так. На основании фонда ЭП путем организованного перебора приемов
получают варианты решения. Приемы группируются по определенным основаниям. После описания приема рекомендуется давать примеры применения.
В работе [2] указывается, что исследователи пытаются модернизировать метод проб и ошибок
или интенсивнее его использовать. Там же говорится, что главный недостаток метода проб и ошибок – это, во-первых, медленное генерирование новых идей, а во-вторых, отсутствие защиты от
психологической инерции. С 20-х годов прошлого столетия в разных странах стали появляться методы активизации перебора вариантов. Один из наиболее распространенных методов такого рода –
мозговой штурм. Решение задачи проходит в два этапа. На первом этапе идет раскрепощенная генерация идей. На втором – эксперты критически оценивают результаты штурма, пытаясь отобрать
рациональные идеи. Другой метод – морфологический анализ. Его суть состоит в построении таблиц, которые должны охватить все варианты, а затем в полном наборе вариантов найти несколько
разумных идей. Есть и другие методы активизации перебора вариантов, например, синектика, метод фокальных объектов, метод контрольных вопросов и пр. Все эти методы обладают общими,
принципиально непреодолимыми, недостатками: нет механизма для составления списка всех возможных вариантов (нет гарантии выхода на самые выгодные, экономичные решения); нет объективных критериев отбора лучших вариантов: предложения оцениваются специалистами, и выбирают они то, что подсказывает им здравый смысл (то есть психологическая инерция). Генерирование нетривиальных идей сводится на нет тривиальным отбором [2].
Систематизировать поиск предлагал также Г. С. Альтшуллер. Анализируя патентные фонды,
он выявил общие закономерности в основе многих изобретений. На этих законах, формализованных также в виде ЭП, была позднее построена Теория Решения Изобретательских Задач – ТРИЗ
[3]. Применение приемов разрешения противоречий и принципов решения задач в ТРИЗ позволяет
получать непредсказуемые хорошие результаты. Согласно [4], ТРИЗ получила распространение не
только у нас в стране, но и за рубежом. Фирмы, занимающиеся ТРИЗ-консалтингом существуют в
России, Финляндии, США, Голландии, Швеции, Англии, Чехии. Последний известный вариант
алгоритма решения изобретательских задач (АРИЗ) для ор-анизации упорядоченного перебора –
АРИЗ-85в. Сила ТРИЗ состоит в применении систематизированного упорядоченного фонда ЭП.
Например, в работе [5] утверждается, что решение изобретательской задачи становится возможным с помощью информационного фонда.
Почему же тогда до сих пор ТРИЗ не применяется повсеместно? Ответ на этот вопрос может
дать специфика решения задач на компьютере. Для автоматизации решения компоненты задачи
(не только порядок решения, но и информационные компоненты) необходимо описать формально,
вплоть до императивных указаний и массива информационных объектов. С алгоритмом все понятно – множество известных вариантов и АРИЗ-85в позволяют указать порядок решения задач
вплоть до мельчайших подробностей. Но как работать с приемами? Встают две проблемные задачи. Первая: как описать сам прием, и вторая – каким образом организовать оперирование с помощью приема объектом проектирования? В работе [6] нами разработано несколько интересных решений, позволяющих дать ответ на эти вопросы.
Структурно-функциональная параметрическая модель ОП
В процессе выполнения работы по созданию автоматизированной системы поддержки дея-
118
тельности главного конструктора изделий машиностроения выявлена потребность в обобщении,
интеграции и нахождении универсальных решений по представлению моделей описания, инвариантных относительно объекта проектирования. Это сложная системная задача для различных этапов проектирования. Традиционно знания об области и объекте проектирования (ОП) представляются на различных стадиях процесса проектирования в виде набора элементов описания: потребность, ТФ, ФС, ФПД, ТР, проектные описания [1]. Однако, если представление данных на отдельных этапах проектирования хорошо формализовано, то общая структура представления данных на
различных этапах не достаточно хорошо формализована. Также при использовании единой модели различные ОП будут представлены одинаковым образом. Благодаря этому, будет повышена
эффективность процесса проектирования, так как отдельные компоненты модели одних объектов
можно будет использовать при проектировании других, будет возможно параллельное проектирование различных ОП одним проектировщиком и одного ОП несколькими проектировщиками.
Описанная ниже модель решает поставленную задачу.
Структурно-функциональная параметрическая модель объектов проектирования, названная
"Параметрической функциональной структурой" (ПарФС), представляет собой модель представления проектных данных, построенную на основе общей теории систем, объектноориентированного и системного подхода, и является дальнейшим развитием семейства методов
проектирования на графах вообще и И / ИЛИ-графах в частности [6, 7].
Выделим основные принципы построения описания ОП. В общем случае отдельный ОП представляется в виде двухуровневого описания. На структурном уровне ОП представляется в виде
И/ИЛИ графа. На уровне реализации, описываются конкретные экземпляры ОП и их поведение.
Для формализации знаний об атрибутах и параметрах введено понятие "характеристики". Характеристики принадлежат вершинам и/или-графа структуры класса ОП и вершинам сети реализаций
ОП и моделируют отношения (параметрические, связи и т. д.). Каждая система имеет реализации.
Отношения подсистем (структурные, временные, пространственные и пр.) задаются на языках задания характеристик (ЯЗХ). В качестве значений характеристик могут фигурировать численные,
строковые, лингвистические значения, интервалы, порядки, математические, причинно-следственные, временные, пространственные и пр. выражения, а также их наборы вплоть до программ на
ЯЗХ. ЯЗХ характеризует тип, возможные значения характеристики, ее поведение, правила задания
и вычисления, и интерпретатор. И/ИЛИ граф в данной модели описывает общую структуру системы и состав входящих в нее подсистем (может использоваться множество уровней вложенности).
Для однообразия представления данных, их анализа и синтеза ТР на структуру дерева накладываются ограничения.
Таким образом, в модели ПарФС представления проектных данных ОП фактически декомпозируются по трем уровням описания:
1) системы, описывающие устройство класса ОП (И/ИЛИ-граф конструктивной структуры
класса объектов проектирования);
2) реализации, описывающие исполнение ОП: графы, описывающие отдельный ОП – сетевые
структуры, описывающие на различных уровнях работу отдельных систем (концептуальная, принципиальная схема, конструктивная реализация, потоковая и конструктивно-функциональная
структуры, физический принцип действия); графы, описывающие реализации ОП – сетевые структуры, описывающие реализацию отдельного ОП (в т. ч. в промежутки времени);
3) характеристики на ЯЗХ (как систем, так и реализаций).
Организация работы со знаниями об ОП в ПарФС
В работе [6] с помощью ПарФС формализовано описание различных описаний ОП и элементов
процесса проектирования. Причем с помощью модели описаны знания о моделях ОП на разных
уровнях описания (потребность, физическая операция, техническая функция, функциональная
структура (ФС) и физический принцип действия (ФПД)) на основе формализованных функциональных характеристик, таких как "Действие", "Условия действия", "Поведение действия" и
"Объект действия". Можно задавать тезаурусы соответствующих функциональных характеристик.
Например, иерархию действий и условий действий можно представить поддеревьями соответствующих групп характеристик. Таким образом, потребность (P) и другие функциональные характеристики можно описать как характеристику. Там же выполнены примеры описаний таких объектов. В работе [8] отмечены результаты по формализации потребностей на основе формализованного состава характеристик группы "Действие" и ссылки на структуру системы, а также набора ха-
119
рактеристик из подгрупп "Условия действия". Определены рекомендации для задания формализованного описания приведенной потребности, а также использования ее в проектных процедурах.
Так как описание реализуемой технической функции (ТФ) состоит из иерархических описаний
ТФ элементов, содержащих описания потребностей и выполняемых физических операций (ФО)
подмножества действий, то описание ТФ можно образовать из потребности путем добавления
входных и выходных характеристик или из описания ФО. С помощью описания приведенной потребности и технической функции получен результат по формализации описания эвристического
приема. В работе [6] приемы представлены в виде формулировки определенной потребности и методов решения в виде функций, решающих соответствующую потребность. Приведены примеры
формулировок эвристических приемов. Ниже опишем подробнее структуру представления и приведем примеры ЭП. Примеры формализации и использования в проектных процедурах описаний
ОП на различных уровнях приведены в работе [6].
Описание варианта формализации эвристических приемов
В процессе проведения занятий по предмету "Основы проектирования машин" встал вопрос о
формализации ЭП, затронутый выше. Сначала в целях обучения студентов, а потом для повышения степени подверженности автоматизации предпринята попытка представления ЭП в виде совокупностей формулировок определенной потребности и набора методов решения в виде функций,
решающих соответствующую потребность.
Для описания ЭП студентами потребность нами первоначально представлена как таблица следующего вида:
Наименование
D
G
H
При этом потребность задана формально кортежем:
P={N, D, G, H} (1)
где N – наименование, D – действие, G – объект воздействия, H – особые условия и ограничения.
Такое представление коррелирует с работами А. И. Половинкина и его учеников С. А. Фоменкова
и Д. А. Давыдова [1, 9].
Тогда решение представлено как таблица следующего вида:
Наименование
Вход
Функция
D
G
H
Выход
При этом решение формально можно описать кортежем:
R={N, X, D, G, H, Y} (2)
где N – наименование, X – входная информация, D – действие, G – объект воздействия, H – условия и ограничения, Y – выходная информация.
В процессе проведения занятий по основам проектирования машин составлен банк ЭП. Позднее для повышения степени формализации структура описания ЭП претерпела некоторые изменения.
Для оперирования ЭП при решении раз-личных проектных задач в работе [6] предложено использовать признаковую характеристику и ссылку на элемент тезаурусов объектов, компоненты
которого являются элементами И/ИЛИ дерева описания структуры класса систем, а также подмножества характеристик "Действие", выраженном операцией Колера, и "Условие действия" и
"Поведение действия" из групп описания характеристик в ПарФС. При таком описании становится
возможным использовать модификацию накопленного различными исследователями тезауруса
действий и условий, подробнейший пример которых приведен в [9] на огромном банке имеющихся физэффектов.
Для практического применения функциональных описаний ОП могут быть использованы языки задания функциональных характеристик (ЯЗФХ) из группы языков описания данных ПарФС. В
работе [6] приведены описания разработанных грамматик ЯЗФХ, интерпретаторы, а также прототип конвертера для обмена информацией с банками данных по физическим эффектам и физическим принципам действия, что позволит использовать структурированные описания ЭП в практи-
120
ческих задачах, прежде всего проектирования новых технических систем.
Пример формализации ЭП
Приведем для примера краткое описание одного из ЭП. Вербально ЭП сформулирован так:
"Несколько элементов ОП, выполняющих похожие функции, попытаться реализовать в виде узла
с объединенными интервалами значений входных и выходных характеристик". Здесь для "элементов ОП" формально используется ссылка на корень дерева систем ОП S или на конкретный ОП.
Сходство функций является условием и формально относится к одному классу функциональных
элементов, принадлежащих S. Интервалами значений соответствующих входных и выходных характеристик Свх и Свых являются характеристики "ЯЗХ И-ИЛИ-характеристик". Объединение – результат операции на оригинальном языке описания ОП.
Полученные результаты позволят использовать структурированные описания ЭП в практических задачах, прежде всего проектирования новых технических систем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Половинкин А. И. Методы инженерного творчества. Учебное пособие. – Волгоград. – 1984.
2. СПРАВКА "ТРИЗ-88" [Электронный ресурс], – 1998 г. http: // www.trizminsk.org / h / 5300100.htm
3. Альтшуллер Г. С. Творчество как точная наука. – М.: Советское радио. – 1977.
4. ТРИЗ: меньше проблем, больше жизни [Электронный ресурс]. – 2004. http://www.trizland.ru/trizba.php?id=66
5. Петров В. Алгоритм решения изобретательских задач. Учебное пособие. – Тель-Авив. – 1999.
6. Кизим А. В. Модели объекта проектирования для автоматизации работы главного конструктора машиностроительного предприятия. Дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. – Волгоград. – 2002.
7. Кизим А. В., Дворянкин А. М., Камаев В. А. Структурно-функциональная параметрическая модель объектов проектирования и ее применение на ранних стадиях проектирования технических систем/ Труды межд. науч.-техн. конференций "Интеллектуальные системы" и "Интеллектуальные САПР ". – М.: Изд. Физико-математической литературы. – 2003.
– Т. 2. – С. 30–35.
8. Аспекты использования структурно-функциональной параметрической модели объекта проектирования для
сквозного комплексного описания на различных уровнях / А. В. Кизим, А. М. Дворянкин, В. А. Камаев // Труды Международных научно-технических конференций "Интеллектуальные системы (IEEE AIS’04)" и "Интеллектуальные САПР"
(CAD-2004). Науч. изд. в 3-х томах. – М.: Изд-во Физико-математической литературы. – 2004. – Т. 2. – C. 455–460.
9. Моделирование и автоматизированное использование структурированных физических знаний / С. А. Фоменков,
Д. А. Давыдов, В. А. Камаев. – ВолгГТУ. – Волгоград. – 2004.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
7
Размер файла
195 Кб
Теги
парф, вариант, формализации, приемов, 7959, конструирование, основы, поисковой, эвристических
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа