CC BY
115
Электронный журнал Cloud of Science. 2015. T. 2. № 3
http:/ / cloudofscience.ru ISSN 2409-031X
Использование экспертных инженерных знаний при концептуальном проектировании новых технических решений1
А. В. Андрейчиков*, О. Н. Андрейчикова**
*Московский государственный университет путей сообщения 127994, ГСП-4, Москва, ул. Образцова, 15
"Центральный экономико-математический институт Российской академии наук 117418, Москва, Нахимовский пр-т, 47
e-mail: alexandrol@mail.ru
Аннотация. Рассмотрен подход по выявлению, формализации и практическому использованию экспертных инженерных знаний о способах устранения технических противоречий при морфологическом синтезе новых технических решений на стадии концептуального проектирования. Реализован программный комплекс, позволяющий накапливать и многократно использовать экспертные инженерные знания совместно с базами данных запатентованных технических изобретений. Инструментальное программное средство можно адаптировать к различным предметным областям техники. Приведен пример синтеза новых технических решений в области систем управления виброизоляцией транспортных объектов.
Ключевые слова: концептуальное проектирование, инженерные знания, ТРИЗ, морфологический синтез, экспертная система.
1. Введение
В последнее время происходит интеллектуализация проектирования, сопряженная с переходом к базам знаний и к интеллектуальным системам для поддержки процессов проектирования, особенно ранних этапов, для которых характерны плохо формализуемые проблемы. Все больше внимания уделяется проблемам принятия проектных решений, вопросам структурного синтеза [1-15] и повторного использования инженерных знаний в различных процессах проектирования, получившим развитие в новом направлении Design Reuse (DR) [16-20]. Это научное направление связано с разработкой компьютерных систем, включающих базы дан-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект № 14-06-00225 «Исследование экономических аспектов объектов интеллектуальной собственности в виде патентов на изобретения и построение моделей принятия решений для управления интеллектуальными ресурсами наукоемких организаций».
ных по техническим решениям и методы эффективного использования этой информации в процессах проектирования.
2. Постановка задачи
Главной проблемой DR является отсутствие методологии структурирования информации, отражающей опыт имеющихся инженерных разработок, для повторного использования в процессах проектирования. В данной работе рассматриваются задачи выявления, формального представления и многократного повторного использования экспертных инженерных знаний в системе морфологического синтеза [21, 22] новых технических решений, целью которой является формирование структуры технической системы, оптимизирующей критерий качества ее функционирования при заданных ресурсах.
3. Использование знаний для формирования морфологических таблиц
Знания о том, какие конструктивные элементы обеспечивают выполнение заданных функций, применяются при формировании морфологических таблиц (МТ). Сущность предлагаемого метода поясним на примере синтеза систем управления виброизоляцией объектов (СУВО) с использованием информации из базы данных (БД) по техническим решениям (ТР) рассматриваемого класса. Предположим, что в БД содержится набор функциональных подсистем (ФПС) F = [Fi}, из которых могут компоноваться варианты целостной СУВО. Во множестве F можно выделить следующее подмножество базовых элементов: F — упругий элемент;
F — демпфер;
F — направляющий механизм;
F — регулятор энергоемкости;
F — рекуператор энергии колебаний;
F6 — домкрат;
F — аварийное устройство для восстановления упругой силы;
F — система автоматического управления рабочими параметрами;
F — элемент-посредник для передачи усилий.
Кроме базовых элементов СУВО в БД хранится информация о многофункциональных элементах СУВО, являющихся комбинациями базовых элементов. В рас-
сматриваемом примере подмножество комбинированных ТР включает следующие ФПС:
F10 = F1 + F2 — упругодемпфирующий элемент;
F1 = F1 + F — упругий элемент — направляющий механизм;
Fu = F + F — упругий элемент — домкрат;
Fu = F + F — демпфер — рекуператор;
Fu = Fw + F = F + F + F — упругодемпфирующий элемент — направляющий механизм.
Морфологический синтез СУВО может осуществляться на различных подмножествах множества F. Выбор подмножества определяется целью создания СУВО, требованиями к проектируемому объекту и знаниями особенностей строения объектов рассматриваемого класса, которые могут быть получены от экспертов или на основе статистических методов анализа инженерной информации.
Правила формирования структур СУВО, соответствующих определенным целям продемонстрированы на рис. 1. Основной целью любой СУВО является управление виброизолирующими свойствами колебательной системы. Формулировки основной цели могут отличаться из-за различных требований к проектируемому объекту. Кроме основных целей, к объекту проектирования могут предъявляться требования, связанные с выполнением дополнительных функций. На основе правил, показанных на рис. 1 , могут быть автоматически сформированы морфологические таблицы для синтеза СУВО. Основные цели и дополнительные требования предписывают выбор строк в МТ (F1) и ограничивают множества рассматриваемых реализаций (A1j). Правила формирования структуры морфологических таблиц в системе морфологического синтеза хранятся в виде продукционных правил.
4. Использование экспертных знаний для оценки качества вариантов
Качество сгенерированных вариантов ТР анализируется экспертами по множеству критериев. В результате анализа выявляются достоинства и недостатки вариантов ТР, а также их связи с конструктивными и функциональными атрибутами ФПС. В табл. 1 отмечены составляющие элементы, которые определяющим образом влияют на значения основных параметров СУВО. Информация из табл. 1 используется для поиска приемов и способов разрешения технических противоречий в рассматриваемом классе СУВО, а также для формирования синергетических правил формирования свойств объекта проектирования на основе свойств элементов, которые используются в интеллектуальных системах направленного синтеза ТР [23, 24].
Основные цели
Дополнительные цели
Рисунок 1. Соответствие структуры СУВО требованиям проектирования
Таблица 1. Влияние составляющих элементов на параметры СУВО
Элементы ВЗС
Параметр це- F1 F1 F3 F4 F5 F6 F1 F8 F9 F10 Fu Fn Fu Fi4 A2j Aii
лостной СУВО, инер- увел.
подсистемы ционный динам. ход
fC — собствен- + + + + +
ная частота
Tzi —коэффи- + + + + +
циент передачи
на резонансе
Tz2—коэффици- + + + + +
ент передачи
за резонансом
У\ — рабочий + + + + + + + + + + + + + +
габарит
U — устойчи- + + + + +
вость
V — восприятие + + + + + + + + + + +
нагрузок в раз-
ных плоскостях
Q — расход + + + + + + +
потребляемого
воздуха
nf— количество + + + + + + + +
погашаемых
частот
C — стоимость + + + + + + + + + + + + + + + +
W — потребле- + + + +
ние электро-
энергии
G — работа + + + + + + + + + + + + +
при разной ори-
ентации
R — надежность + + + + + + + + + + + + + + + +
A — устойчи- + + + + + + + +
вость к повре-
ждениям
S — скорость + + + + + + +
регулирования
положения
K — удобство + + + + + +
регулирования
M — масса ВЗС + + + + + + + + + + + + + + + +
τ — прочность + + + + + + + + + + + + + + + +
X — универ- + + + + + + + + + + + + + +
сальность
D — сложность + + + + + + + + + + + + + + + +
Для формирования синергетических правил получения свойств ТР на основе свойств элементов используется также методика корреляционного анализа свойств СУВО на выборках существующих устройств-прототипов.
Знания о технических противоречиях, свойственных устройствам исследуемого класса, могут также использоваться в процессах формирования требований к ТР и при разрешении конфликтов между требованиями, участниками и аспектами проектирования. Выявленные корреляции между свойствами ТР используются в процессах выработки непротиворечивых целей проектирования с применением методики структурирования функций качества (QFD) [25, 26]. Технические противоречия представляются в виде правил или таблиц, описывающих зависимости между свойствами технических решений рассматриваемого класса. При формировании интегральной оценки качества проектируемого объекта следует учитывать выявленные связи между свойствами сгенерированных вариантов.
При оценке вариантов с помощью системы поддержки принятия решений (СППР) применяются метод аналитических сетей, а также нечеткие методы и метод анализа иерархий (МАИ) [22, 27] с выделением множества недоминируемых альтернатив и последующей сверткой на иерархии критериев. При вычислении весовых коэффициентов критериев экспертам рекомендуется ознакомиться с информацией о зависимостях между свойствами ТР рассматриваемого класса.
5. Использование знаний о способах устранения технических противоречий
Традиционная процедура поиска новых технических решений в теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) заключается в совершенствовании некоторого прототипа путем устранения свойственных ему технических и/или физических противоречий. Разрешение технических противоречий связано с поиском таких ТР, которые позволили бы достигнуть максимального улучшения совершенствуемых показателей при минимальном ухудшении других не менее важных характеристик объекта. Для разрешения технических противоречий используются эвристические приемы.
В работе [28] выдвинута гипотеза о том, что несмотря на бесчисленное множество изобретательских задач, содержащиеся в них технические противоречия часто повторяются, т. е. существуют типовые противоречия и следовательно типичные приемы их устранения. Статистическое исследование более сорока тысяч изобретений позволило обнаружить четыре десятка наиболее эффективных эвристических приемов устранения технических противоречий [28, 29]. Их использование (порознь или в разных сочетаниях) лежит в основе многих изобретений. Типичные проблемы систематизированы в матрице устранения технических противоречий. Наименованиями строк и столбцов матрицы являются наименования показателей технических систем. Причем наименования строк — это показатели, которые желательно изменить (улучшить, увеличить, уменьшить и т. д. по условиям конкретной
задачи), а наименование столбцов — это те же показатели, но с возможностью недопустимого ухудшения, если осуществить желаемое изменение в совершенствуемой технической системе обычными (уже известными) способами. На пересечении строк и столбцов матрицы в ее ячейках указаны номера типовых эвристических приемов, с помощью которых наиболее вероятно наилучшим образом разрешить то или иное техническое противоречие.
При решении изобретательских задач определяется параметр технической системы, который необходимо улучшить по условиям задачи. Этот параметр идентифицируется с тем или иным типовым параметром, указанным в строке матрицы. Далее делается попытка преобразовать существующую (усовершенствуемую) техническую систему известными способами. В полученной новой технической системе выявляется параметр, который недопустимо ухудшился. Этот параметр идентифицируется с наиболее близким по характеру параметром, записанным в столбце матрицы. Совокупность улучшаемого параметра технической системы и недопустимо ухудшаемого при этом параметра определяют сущность возникшего технического противоречия. Далее на пересечении строки и столбца матрицы, соответствующих указанным в техническом противоречии двум параметрам, отыскиваются типовые эвристические приемы и делается очередная попытка по преобразованию исходной технической системы в новую улучшенную конструкцию.
Необходимость интеллектуализации процедуры устранения технических противоречий определяется рядом существенных недостатков, присущих описанному выше подходу по активизации изобретательской деятельности. Ниже приведены наиболее существенные недостатки.
1. Эвристические приемы устранения технических противоречий, приведенные в матрице, сформированы в общем виде. Поэтому их необходимо адаптировать к индивидуальным особенностям класса решаемых задач и предметной области. Например, если матрица рекомендует прием «Дробление», это лишь означает, что решение как-то связано с разделением объекта.
2. Перечень типовых приемов является лишь основой, которую изобретателю необходимо самостоятельно пополнять по новым техническим и патентным публикациям, формируя индивидуальный предметно-ориентированный изобретательский инструментарий, включающий развивающуюся базу знаний, как по специализированным эвристическим приемам, так и по решенным изобретательским задачам с их иллюстрациями в виде запатентованных изобретений и полезных моделей.
3. Эвристическая сила приемов по разделению одних и тех же технических противоречий в различных предметных областях тоже разная. Поэтому по каждому разрешаемому техническому противоречию необходимо накапливать статистику по эффективности «срабатывания» того или иного эвристического приема с целью их
ранжирования по эффективности с предоставлением этой информации изобретателю при решении очередных творческих задач.
6. База знаний эвристических правил устранения технических противоречий
База знаний для разрешения типовых технических противоречий разработана на основе продукционной модели представления знаний.
Для типовой матрицы устранения технических противоречий [28, 29] сформирована база знаний из 1482 продукционных правил следующего вида:
Если {изменяемый параметр A1} и {недопустимо ухудшаемый параметр Aj}, то {эвристическое правило i, эвристическое правило J, ..., эвристическое правило n}.
Данная база знаний позволяет давать рекомендации изобретателю для устранения 1482 технических противоречий, которые образуются в результате парного сочетания не пересекающихся между собой 39 улучшаемых и 39 недопустимо ухудшаемых параметров из типовой матрицы. В отличие от исходной типовой матрицы, в которой отсутствовали указания на эвристические приемы по 237 техническим противоречиям, в разработанной базе знаний этот пробел устранен за счет проведенного авторами собственного исследования по идентификации типовых приемов этим противоречиям. Исследование проводилось с использованием патентных баз данных изобретений, зарегистрированных за последние 20 лет. Было проанализировано более 10000 патентов, причем 3000 из них были отобраны таким образом, чтобы в них использовались различные физические эффекты.
В разработанной интеллектуальной системе каждое эвристическое правило связано с множеством примеров по его использованию в технике. Примеры хранятся в базе данных в виде описаний изобретений к авторским свидетельствам и патентам. Каждый пример имеет структуру: описание прототипа — описание нового технического решения, полученного с помощью определенного эвристического приема или нескольких приемов, в результате улучшения прототипа. Примеры подобраны из различных областей техники и предоставляются изобретателю для просмотра на экране дисплея компьютера для лучшего понимания возможного практического применения приема и активизации творческого процесса.
Модуль интеллектуальной системы по устранению технических противоречий выполнен в виде инструментального программного средства, поэтому позволяет формировать базу знаний по различным предметным областям с учетом специфики используемых в них показателей качества, авторских фондов эвристических приемов и личных знаний изобретателей по устранению технических противоречий.
7. База знаний стандартов
Второй модуль интеллектуальной системы обеспечивает компьютерную поддержку процедур вепольного анализа [28, 29], который принят в теории решения изобретательских задач в качестве способа моделирования процесса эволюции структуры объекта, показывающего физическую сущность этого процесса. Операции вепольного анализа над структурой объекта связаны в систему стандартов, которые позволяют преодолевать как технические, так и физические противоречия в развивающихся технических способах и объектах, реализующих эти способы.
В базу данных системы заложено 76 стандартов, разбитых на пять классов: построение и разрушение вепольных систем; развитие вепольных систем; переход к надсистеме и на микроуровень; стандарты на применение стандартов. Каждый стандарт имеет иллюстративные примеры в виде описаний изобретений технических решений или способов, защищенных патентами и авторскими свидетельствами.
Изобретатель при использовании метода вепольного анализа отыскивает в базе данных стандартные правила синтеза и преобразования совершенствуемой технической системы и решает собственную изобретательскую задачу, используя эти правила и технические аналогии способов и устройств, предоставляемые ему в качестве описаний изобретений.
8. Использование знаний о технических противоречиях и эвристических приемах при морфологическом подходе к синтезу
При морфологическом подходе к синтезу новых концептуальных решений знания о технических противоречиях и эвристических приемах используются для формирования и целенаправленного изменения МТ. Изменение МТ осуществляется путем добавления, удаления, замены и трансформации элементов, выполняемых в соответствии с определенными эвристическими правилами и приемами. С использованием знаний о технических противоречиях и эвристических приемах был разработан эвристический метод морфологического синтеза, включающий следующие основные шаги:
1. Формирование исходного множества объектов синтеза (МТ).
2. Генерация вариантов и отбор лучших объектов. На этом шаге может использоваться комбинаторный или логический подход [23, 24].
3. Анализ подмножества лучших вариантов и выявление недостатков на основе списка типовых параметров. Выявление подсистем, подлежа-
щих совершенствованию. Если найдена конструкция, удовлетворяющая всем требованиям, завершение процесса.
4. Формулирование технических противоречий и определение их типов на основе информации из базы знаний (БЗ).
5. Извлечение из БЗ эвристических приемов и технических способов для устранения сформулированных противоречий.
6. Преобразование множества объектов синтеза путем удаления, добавления, замены и трансформации элементов. Переход на шаг 2.
В табл. 2 приведен фрагмент списка эвристических приемов, а в табл. 3 — матрица устранения технических противоречий, элементами которой являются списки индексов эвристических приемов из табл. 2.
Таблица 2. Список эвристических приемов для совершенствования СУВО
Индекс Формулировка эвристического приема
1 Использовать другой принцип действия СУВО
2 Преобразовать форму
3 Перейти от одноярусной компоновки к многоярусной
4 Использовать «пустое» пространство между элементами
5 Использовать принцип «матрешки»
6 Использовать гидравлические или пневматические демпферы с периодически изменяющимися размерами проходных сечений дросселей
7 Если в СУВО используется фрикционный демпфер, то сделать силу сухого трения меняющейся в зависимости от режима работы, используя физический эффект вибролинеаризации
8 Выполнить ФПС из нескольких однотипный элементов
9 Использовать в гидравлических демпферах жидкость с вязкостью, изменяющейся под действием температуры или магнитного поля
10 Заменить возвратно-поступательное движение вращательным
11 Заменить традиционную воздушную среду на газ с более высокой плотностью
Таблица 3. Матрица устранения технических противоречий (фрагмент)
Улучшаемый параметр Параметр, ухудшение которого недопустимо
fc Trf Tz2 У1
fc 1, 2, 3, 4, 5, 6
Tz1 7, 8, 9, 10, 11, 12 1, 2, 5, 6, 13, 14
Tz2 7, 8, 9, 10, 11, 12 1, 2, 5, 6, 13, 14
У1 1, 2, 3, 4, 5, 6 1, 2, 5, 6, 12, 14 1, 2, 5, 6, 13, 14
9. Эвристический синтез на морфологических таблицах
Рассмотрим пример синтеза СУВО для защиты операторов тракторов с применением эвристического подхода. Проектируемая СУВО ориентирована на приме-
нение в моделях гусеничных и колесных тракторов (типа ДТ-15), а также в модели колесного минитрактора, не оборудованного кабиной.
К проектируемой СУВО предъявляются следующие основные требования:
1. Обеспечение высокого качества защиты от вибраций в области низких и высоких частот колебаний.
2. Автоматическое регулирование энергоемкости при изменении массы оператора.
3. Экономичность в потреблении энергии в процессе эксплуатации.
Исходная MT составлена с применением правил выбора структуры СУВО для
защиты от колебаний человека-оператора. Она содержит три строки, соответствующие следующим ФПС: F1 — упругий элемент; F2 — демпфер; F3 — направляющий механизм.
В качестве альтернативных реализаций ФПС F1 используются известные конструкции пневматических упругих элементов (УЭ): A1 — баллонный двухкамерный элемент с неуправляемым дросселем; A — баллонный двухкамерный элемент с трубопроводом; A3 — двухкамерный элемент рукавного типа с дросселем. Пневматический тип УЭ выбран в связи с необходимостью автоматического регулирования энергоемкости. При этом рассматриваются два типа демпферов (B1 — гидравлический и B2 — фрикционный) и три конструкции направляющего механизма (НМ): C1 — поступательная пара; C2 — рычажный параллелограммный; C3 — механизм типа «ножницы». Комбинаторный синтез на исходной МТ дает 18 вариантов.
На следующем этапе проводился анализ множества синтезированных решений, в результате которого были выявлены следующие взаимосвязи между характеристиками СУВО, рассматриваемые в дальнейшем как технические противоречия (ТП):
Уменьшение собственной частоты колебаний СУВО приводит к нежелательному увеличению габаритного размера устройства (ТП1). Это противоречие актуально при проектировании СУВО для минитрактора.
Высокое качество виброзащиты в широком диапазоне частот колебаний сопровождается низким уровнем надежности СУВО (ТП2). Эта закономерность свойственна классу пневматических СУВО.
Данное противоречие необходимо разрешить для модели гусеничного трактора, работающего в условиях, требующих высокой надежности.
Улучшение виброизолирующих свойств в области высоких зарезонансных частот связано с ухудшением виброзащитных свойств в резонансной низкочастотной области (ТПЗ).
Для разрешения выявленных технических противоречий отыскивались релевантные эвристические приемы и производились поэтапные изменения МТ, в которые добавлялись новые конструкторские решения из БД. Список применяемых эвристических приемов приведен в табл. 4. Описания TP приведены в табл. 5.
Последовательность разрешения технических противоречий иллюстрируется табл. 6.
Таблица 4. Список эвристических приемов
Обозначение Описание
Px Сделать систему из нескольких однотипных объектов с разными количественными характеристиками
P2 Перейти от однокаскадной конструкции к многокаскадной
Рз Использовать физический эффект вибролинеаризации силы сухого трения
РА Использовать дроссели с гидравлическим сопротивлением, изменяющимся в зависимости от режима работы
Ръ Перейти на новый принцип действия
P6 Разместить один объект внутри другого по принципу «матрешки»
Pi Использовать рабочие жидкости с электромагнитными свойствами
Pi Использовать рабочие элементы другой формы
P 9 Разделить объект на две части — объемную и необъемную. Вынести объемную часть за пределы рабочего пространства
Р10 Перейти от возвратно-поступательного движения к возвратно-вращательному
Р11 Заранее подготовить аварийные средства
P12 Использовать материалы с самовосстанавливающимися свойствами при повреждениях (проколах, разрывах и т. п.)
Р13 Заменить монофункциональный элемент на многофункциональный
Таблица 5. Описания TP, найденных в БД
Индекс ТР Описание TP
K1 Пневматический виброизолятор с комбинированной оболочкой баллонно-рукавного типа
K1 Пневматический виброизолятор с оболочкой рукавного типа
Кз Пневматический виброизолятор с оболочкой диафрагменного типа
Ка Пневматический виброизолятор с двухгофровой оболочкой, соединенный с дополнительной камерой трубопроводом
Къ Пневматический виброизолятор с одногофровой оболочкой и дополнительной камерой в виде трубопровода с заглушкой
K6 Пневматический виброизолятор с квазинулевой жесткостью (вариант 1)
Ki Пневматический виброизолятор с квазинулевой жесткостью (вариант 2)
Ki Многокаскадный пневматический виброизолятор (вариант 1)
K9 Многокаскадный пневматический виброизолятор (вариант 2)
K10 Пневматический виброизолятор с дополнительной торообразной камерой, выполняющей функцию буфера
K11 Пневматический виброизолятор со встроенным пневмодемпфером
K12 Пневматический виброизолятор с импульсным рассеиванием энергии
K13 Торообразный пневматический виброизолятор с вложенными камерами
K14 Пневматический виброизолятор с дросселем переменного проходного сечения, изменяемого вибрацией
K15 Пневматический виброизолятор с электромагнитным дросселем переменного гидравлического сопротивления
K16 Торсионный виброизолятор
K1i Пружина кручения
K18 Фрикционный демпфер с вибратором, линеаризующим силу сухого трения
K19 Фрикционный демпфер с вибратором, линеаризующим сыпучую среду
K20 Фрикционный демпфер ротационный дисковый
K21 Гидравлический демпфер ротационный лопастной
K22 Гидравлический демпфер ротационный дисковый
K23 Пневматический демпфер с управляемым проходным сечением дросселя
K24 Пневматический демпфер с импульсным рассеиванием энергии колебаний
K25 Гидравлический демпфер с электромагнитной рабочей жидкостью
K26 Инерционный одномассовый гаситель-осциллятор
K2i Инерционный гаситель с рычажным корректором и постоянным моментом инерции
K28 Инерционный гаситель с поводками
K29 Инерционный гаситель с рычажным корректором и изменяемым моментом инерции
K30 Инерционный многомассовый гаситель-осциллятор
K31 Инерционный гаситель дисковый с дисбалансом
K32 Инерционный гаситель с изменяемым соотношением плеч рычажного корректора
K33 Пневматический виброизолятор с наполнителем, обеспечивающими амогерметиза-цию гибкой оболочки при проколе
K34 Пневматический виброизолятор с встроенным внутри камеры аварийным пневмобу-фером
K35 Пневматический виброизолятор с надувающейся при аварии гибкой оболочкой
K36 Аварийное устройство, состоящее из предварительно сжатой металлической пружины
А. В. Андрейчиков,
О. Н. Андрейчикова
Использование экспертных инженерных
знаний при концептуальном проектировании
новых технических решений
Таблица 6. Устранение технических противоречий
Техническое противоречие Эвристический прием Конструкторские решения из БД Структуры МТ
ТП1: Улучшение собственной частоты — недопустимое увеличение габарита Ps Ps P9 Pio ^ Ki, K^ Ki i Ki, К2·. K3 K4, ^ Ki0 K20, K21, K22 F A3 Ki K2 K3 K4 Ks Кб Ki K10 K16 K11
^2 Bi B2 K20 K21 K22
F3 Ci C3
ТП2: Улучшение качества виброзащиты в широком диапазоне — недопустимое ухудшение надежности Pi Рб P12 Pii, Pi3 Pii Ki3 K34, K35 K33 k^ K33, K34, K35 K36 F1 K13 K33 K34 K35
Bi B2
F3 C1 C2 C3
Fi Ai A2 A3
Fi Bi B2
F3 Ci C2 C3
F4 K36
ТП3: Улучшение виброзащитных свойств в области высоких зарезонансных частот — недопустимое ухудшение виброизоляции в области низких резонансных частот Pi Pl P3 P4 P4 Ps Pi -Kfc K9, K30 K8, K9 kI^ Ki9 K23, K24 K11, k^ K14, KiS K2б, K21, K28, K29, K30, K31, K32 K25 Fi Ks K9
Fi K30
F3 C1 C2 C3
I
Fi |4i Ai A3
F2 K18 K19 H
F3 C1 C2 C3
F1 A1 A2 A3
F2 K23 K24
F2 C1T C2 C3
Fi K11 K12 K14 Kis
F3 I Ci C2 C3
F1 A1 A2 A3
F2 K26 K21 K28 K29 K30 K31 K32
F3 Ci C2 C3
Fi Ai A2 A3
F2 K25
F3 Ci C2 C3
В процессе разрешения противоречия ТП1 из исходной МТ были удалены решения со значительными габаритами. Среди них — реализации УЭ A, A2 и реализация НМ С2. На основе эвристических приемов P5, Ps, P (см. табл. 4) были сформированы следующие запросы к БД:
P5: Найти (ФПС = УЭ) л (Тип УЭ Φ Пневматический) ν (ФПС = УЭ) л л (Тип УЭ = Пневматический) л (Устройство перескока = Есть);
P8 : Найти (ФПС = УЭ) л (Тип УЭ = Пневматический) л (Форма УЭ Φ
Φ Баллон);
P : Найти (ФПС = УЭ) л (Тип УЭ = Пневматический) л (Дополнительная камера = Внешняя).
Найденные решения были добавлены в первую строку новой МТ (K1 — K7, K10, K16, K11). Использование малогабаритных направляющих механизмов C, C в сочетании с типовыми демпферами B, B не обеспечивает высокого качества гашения колебаний. Для устранения этого недостатка используется эвристический прием Pw, в соответствии с которым в БД найдены конструкции ротационных демпферов K20 — K22, добавленные в МТ. Наилучшим среди синтезированных решений является вариант KKiC, который можно рекомендовать для использования на минитракторах.
Противоречие ТП2 можно разрешить различными способами (см. табл. 6). При этом может измениться структура МТ, в которую добавляется новая ФПС (F4 — аварийная система) в соответствии с приемом P1. Использование приемов P, P6, Pu, P3 дает МТ c многофункциональными реализациями УЭ, обеспечивающих дополнительную функцию аварийной защиты. Примеры сформированных запросов:
P : Найти (ФПС =УЭ) л (Тип УЭ =Пневматический) л (Вложенность = Есть);
P1, P3 : Найти (ФПС = УЭ) л (Тип УЭ = Пневматический) л (Функция_1 = Создание упругой силы) л (Функция_6 = Аварийная защита)
Синтез СУВО осуществлялся на двух таблицах, лучшее решение — KsBC. Данное устройство обладает высокой надежностью и может использоваться в моделях гусеничных тракторов.
Для разрешения противоречия ТП3 применялись эвристические приемы P —P5, P1, в соответствии с которыми построено шесть МТ для синтеза СУВО. Анализ морфологического множества показал, что на базе множества известных конструкторских реализаций не удалось найти эффективный способ устранения данного противоречия. Поэтому на следующем этапе эвристического синтеза выполнялась модификация известных конструкторских реализаций упругих элементов (УЭ) и демпферов с помощью эвристических приемов. Схемы новых альтернатив УЭ и демпферов показаны в морфологической таблице (рис. 2), а описания — в табл. 1.
Наилучшим из таких решений является ABC ■ Это устройство можно рекомендовать для использования в моделях колесных тракторов, эксплуатируемых в различных условиях.
Рисунок 2. Морфологическая таблица с новыми реализациями УЭ и демпферов
Таблица 7. Описание новых конструкторских реализаций
Обозначение Краткая характеристика Индекс использованных эвристических приемов Индекс конструкции-прототипа
A4 Пневматический виброизолятор с каскадным расположением пневмобалло-нов, соединенных трубопроводом Pi, P2 Kg, Kg
A5 Пневматический виброизолятор с управляемым дросселем P 4 Kl4, Ki5
A6 Пневматический виброизолятор с аварийным пневмобаллоном P6 K34
B3 Пневматический демпфер с каскадным расположением демпфирующих камер P1, P2, P4, P5 K23, K24
B4 Многоэлементный фрикционный демпфер Pi, P6 B2
B5 Фрикционный демпфер с пьезоэлектрическим вибратором P3 Kig
B6 Гидравлический демпфер с ферромагнитной жидкостью и устройством для изменения ее вязкости Pi K25
10. Заключение
Рассмотрен подход по выявлению и формализации экспертных инженерных знаний о способах устранения технических противоречий при морфологическом синтезе новых технических решений на стадии концептуального проектирования.
Реализован программный комплекс, позволяющий накапливать и многократно использовать экспертные инженерные знания совместно с базами данных запатентованных технических изобретений в области концептуального проектирования систем управления виброизоляцией объектами разного функционального назначения. Созданное инструментальное программное средство может заполняться знаниями специалистов из различных предметных областей техники. Приведен пример синтеза новых патентоспособных технических решений в области виброзащитных подвесок гусеничных транспортных средств.
Литература
[1] Nielsen J., MackR. L. (eds.) Usability Inspection Methods. — New York: John Willey, 1994.
[2] Yoshikawa H. Design Theory for CAD/CAM Integration // Annals of the CIPR. 1985. Vol. 34, № 1.
[3] Борисов А. Н., Крумберг О. А., Федоров И. П. Принятие решений на основе нечетких моделей. — Рига : Зинатне, 1990.
[4] Букатова И. Л., Михасев Ю. И., Шаров А. М. Эвоинформатика: теория и практика эволюционного моделирования. — М. : Наука, 1991.
[5] Заде Л. А. Основы нового подхода к анализу сложных систем и процессов принятия решений // В кн.: «Математика сегодня». — М. : Знание, 1974. C. 5-49.
[6] Интеллектуальные системы принятия проектных решений / Алексеев В. А., Борисов А. Н., Вилюмс Э. Р. и др. — Рига : Зинатне, 1997.
[7] Искусственный интеллект. Справочник. В 3-х кн. — М. : Радио и связь, 1990.
[8] Кини Р., Райфа Х. Принятие решений при многих критериях: Предпочтения и замещения. — М. : Радио и связь, 1981.
[9] Киселев М., Соломатин Е. Средства добычи знаний в бизнесе и финансах // Открытые системы. 1997. № 4. C. 41-44.
[10] Клир Дж. Системология. Автоматизация решения системных задач. — М. : Радио и связь, 1990.
[11] Князевская Н. В., Князевский В. С. Принятие рискованных решений в экономике и бизнесе. — М. : Контур, 1998.
[12] Ковалев А. П. Обеспечение экономичности разрабатываемых изделий машиностроения. — М. : Машиностроение, 1986.
[13] Ковалев В. В. Методы оценки инвестиционных проектов. — М. : Финансы и статистика, i998.
[14] Ковальков Ю. А., Дмитриев О. Н. Эффективные технологии маркетинга. — М. : Машиностроение, 1994.
[15] Корячко В. П., Курейчик В. М., Норенков И. П. Теоретические основы САПР. — М. : Энергоатомиздат, 1987.
[16] Краснощеков П. С., Морозов В. В., Федоров В. В. Внешнее проектирование в условиях неопределенности // Изв. АН СССР. Сер. «Техническая кибернетика». 1979. № 3. C. 1527.
[17] Краснощеков П. С., Морозов В. В., Федоров В. В. Внутреннее проектирование технических систем в условиях неопределенности // Изв. АН СССР. Сер. «Техническая кибернетика». 1982. № 2. C. 56-62.
[18] Краснощеков П. С., Морозов В. В., Федоров В. В. Последовательное агрегирование в задачах внутреннего проектирования технических систем // Изв. АН СССР. Сер. «Техническая кибернетика». 1979. № 5. C. 5-12.
[19] Краснощеков П. С., Петров А. А., Федоров В. В. Информатика и проектирование. — М. : Знание, 1986.
[20] Краснощеков П. С., Федоров В. В., Флеров Ю. А. Элементы математической теории принятия проектных решений //Автоматизация проектирования. 1997. № 1. C. 15-23.
[21] Zwicky F. Entdecken, Erfinden, Forschen im Morphologischen Weltbild, Munchen. — Zurich : Droemer-Knaur, 1971.
[22] Андрейчиков А. В., Андрейчикова О. Н. Системный анализ и синтез стратегических решений в инноватике: Математические, эвристические, интеллектуальные методы системного анализа и синтеза инноваций. — М. : Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2012.
[23] Андрейчиков А. В., Андрейчикова О. Н. Интеллектуальная система эволюционного синтеза сложных объектов // Известия РАН. Теория и системы управления. 2006. № 4. С. 94-107.
[24] Андрейчиков А. В., Андрейчикова О. Н., Табунов Е. В. Развитие интеллектуальной системы поддержки изобретательства // Качество. Инновации. Образование. 2013. № 1. С. 32-38.
[25]Андрейчиков А. В., Андрейчикова О. Н. Интеллектуальная система концептуального проектирования «IT QFD & AHP» на основе структурирования функции качества и анализа иерархий // Качество. Инновации. Образование. 2013. № 3.
[26] Андрейчиков А. В., Андрейчикова О. Н., Табунов Е. В., Фирсов Ю. А. Концептуальное проектирование технических инноваций с использованием интеллектуальной системы «IT QFD & AHP» // Качество. Инновации. Образование. 2013. № 4.
[21] Андрейчиков А. В. Использование методов анализа иерархий и сетей в системах поддержки принятия решений // Известия РАН. Теория и системы управления. 2004. № 6. С. 80-99.
[28]Альтшуллер Г. С. Творчество как точная наука. — М. : Советское радио, 1979.
[29] Альтшуллер Г. С. Алгоритм изобретательства. — М. : Московский рабочий, 1973.
Авторы.
Александр Валентинович Андрейчиков — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Менеджмент качества» Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ)
Ольга Николаевна Андрейчикова — доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Центрального экономико-математического института РАН
The Use of Expert Engineering Knowledge for the Conceptual Designing Innovative Mechanisms
Α. V. Andreichikov*, O. N. Andreichikova**
*Moscow State University of Railway Engeneering 15, Obraztsova Str., Moscow, 127994
**Central Economics and Mathematics Institute of the Russian Academy of Sciences 47, Nakhimovsky prospekt, Moscow, 117418
e-mail: alexandrol@mail.ru
Abstracts. The paper describes an approach to identifying, formalizing and practical use of expert engineering knowledge for the disambiguation during the morphological synthesis of innovative mechanisms at the stage of conceptual designing. It is implemented in the software that permits to store and reuse expert engineering knowledge together with patent databases. The software developed can be applied to the different technology domains. An example of the synthesis of new technical solutions in the field of vibration isolation systems is shown.
Key words: conceptual designing, engineering knowledge, TRIZ (TIPS — Theory of Inventive Problem Solving), morphological synthesis, expert system.
Reference
[1] Nielsen J., Mack R. L. (eds.) (1994) Usability Inspection Methods. New York , John Willey.
[2] Yoshikawa H. (1985) Design Theory for CAD/CAM Integration, Annals of the CIPR, 34(1).
[3] Borisov A. N., Krumberg O. A., Fedorov I. P. (1990) Prinjatie reshenij na osnove nechetkih modelej. Riga, Zinatne. (In Rus)
[4] Bukatova I. L., Mihasev Ju. I., Sharov A. M. (1991) Jevoinformatika: teorija i praktika jevo-ljucionnogo modelirovanija. Moscow, Nauka, 1991. (In Rus)
[5] Zade L. A. (1974) Osnovy novogo podhoda k analizu slozhnyh sistem i processov prinjatija reshenij, InMatematika segodnja. Moscow, Znanie, pp. 5-49. (In Rus)
[6] Alekseev V. A., Borisov A. N. at al. (1997) Intellektual'nye sistemy prinjatija proektnyh resh-enij. Riga, Zinatne. (In Rus)
[7] Iskusstvennyj intellekt. (1990) Spravochnik. Moscow, Radio i svjaz. (In Rus)
[8] Kini R., Rajfa H. (1981) Prinjatie reshenij pri mnogih kriterijah: Predpochtenija i zameshhe-nija. Moscow, Radio i svjaz. (In Rus)
[9] Kiselev M., Solomatin E. (1997) Otkrytye sistemy, 4:41-44. (In Rus)
[10] Klir J. (1990) Sistemologija. Avtomatizacija reshenija sistemnyh zadach. Moscow. (In Rus)
[11] Knjazevskaja N. V., Knjazevskij V. S. (1998) Prinjatie riskovannyh reshenij v jekonomike i biznese. Moscow, Kontur. (In Rus)
[12] Kovalev A. P. (i986) Obespechenie jekonomichnosti razrabatyvaemyh izdelij mashinostroe-nija. Moscow, Mashinostroenie. (In Rus)
[13] Kovalev V. V. (i998) Metody ocenki investicionnyhproektov. Moscow. (In Rus)
[14] Kovalkov Ju. A., Dmitriev O. N. (i994) Jeffektivnye tehnologii marketinga. Moscow, (In Rus)
[15] Korjachko V. P., Kurejchik V. M., Norenkov I. P. (i981) Teoreticheskie osnovy SAPR. Moscow, Jenergoatomizdat. (In Rus)
[16] Krasnoshhekov P. S., Morozov V. V., Fedorov V. V. (i919) Izv. ANSSSR. Cer. «Tehnicheska-ja kibernetika», 3A5-21. (In Rus)
[ii] Krasnoshhekov P. S., Morozov V. V., Fedorov V. V. (i982) Izv. AN SSSR. Cer. «Tehnicheska-ja kiber-netika», 2.56-62. (In Rus)
[18] Krasnoshhekov P. S., Morozov V. V., Fedorov V. V. (i919) Izv. AN SSSR. Cer. «Teh-nicheskaja kibernetika», 5:5-i2. (In Rus)
[19] Krasnoshhekov P. S., Petrov A. A., Fedorov V. V. (i986) Informatika i proektirovanie. Moscow, Znanie. (In Rus)
[20] Krasnoshhekov P. S., Fedorov V. V., Flerov Ju. A. (i991) Avtomatizacija proektirovanija, i:i5-23. (In Rus)
[21]Zwicky F. (i91i) Entdecken, Erfinden, Forschen im Morphologischen Weltbild, Munchen. Zurich, Droemer-Knaur. (In Ger)
[22] Andreichikov A. V., Andreichikova O. N. (20i2) Sistemnyj analiz i sintez strategicheskih reshenij v innovatike: Matematicheskie, jevristicheskie, intellektual'nye metody systemnogo analiza i sinteza innovacij. Moscow, LIBROKOM, 20i2. (In Rus)
[23] Andreichikov A. V., Andreichikova O. N. (2006) Izvestija RAN. Teorija i sistemy upravlenija, 4:94-i01. (In Rus)
[24]Andreichikov A. V., Andreichikova O. N., Tabunov E. V. (20i3) Kachestvo. Innovacii. Obra-zovanie, i:32-38. (In Rus)
[25]Andreichikov A. V., Andreichikova O. N. (20i3) Kachestvo. Innovacii. Obrazovanie, 3. (In Rus)
[26] Andreichikov A. V., Andreichikova O. N., Tabunov E. V., Firsov Ju. A. (20i3) Kachestvo. In-novacii. Obrazovanie, 4. (In Rus)
[21] Andreichikov A. V. (2004) Izvestija RAN. Teorija i sistemy upravlenija, 6:80-99. (In Rus)
[28] Altshuller G. S. (i919) Tvorchestvo kak tochnaja nauka. Moscow. (In Rus)
[29] Altshuller G. S. (i913) Algoritm izobretatel'stva, Moscow. (In Rus).
