CC BY
99
Морозов Владимир Борисович, канд. техн. наук, доц., qtay@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE ANALYSIS OF TECHNOLOGICAL OPERA TION OF CRUSHING IN SUGAR
PRODUCTION FROM A BEET
V.B. Morozov
Аnalysis chopping beet chips in sugar production
Key words: beet shaving, cutting, diffusion, power efficiency, technological systems, production of sugar, experiment
Morozov Vladimir Borisovich, candidate of technical science, docent, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.001.2
ПОДХОД К ПОСТРОЕНИЮ КЛАССИФИКАТОРА ОБЪЕКТОВ МАШИНОСТРОЕНИЯ КАК ОСНОВЫ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ САПР
О.Ф. Валеев, Э.Г. Зарифуллина, О.В. Малина
Процесс выполнения структурного синтеза методом комбинаторного перебора оперирует множеством признаков и значений признаков класса синтезируемых объектов. Статья посвящена рассмотрению подходов к построению классификатора объектов машиностроения в качестве основы информационного обеспечения систем автоматизированного проектирования, выполняющих структурный синтез сложных объектов.
Ключевые слова: конструирование, классификация, классификатор, САПР (системы автоматизированного проектирования), структурный синтез, декомпозиция, характеризация.
Процесс конструирования в системе автоматизированного проектирования может быть реализован путем решения задачи прямого синтеза, то есть последовательной реализации проектных расчетов, существующих в данной предметной области, либо путем решения задачи выбора, то есть нахождению конструкции, удовлетворяющей техническому заданию [1].
Решение первой задачи для большинства областей машиностроения нереализуемо вследствие отсутствия предметных алгоритмов, позволяющих формализовать процесс конструирования от начала и до конца при
любом возможном наборе исходных данных.
Реализация второй задачи сталкивается с проблемой генерации множества конструкций, из которых впоследствии может было бы произвести выбор.
Рассматривая конструкцию, как множество деталей (узлов, подуз-лов) и их свойств, в качестве математического аппарата, позволяющего получить искомое множество вариантов конструкций для дальнейшего выбора, рационально использовать комбинаторный перебор.
Реализация такого перебора возможна, если известно множество, на котором этот перебор осуществлять целесообразно. Естественно, что данное множество должно фиксировать все существенные отличительные свойства объекта (или его частей), подразделять их на группы, то есть классифицировать.
Понятие «классификация» происходит от лат. «classis» - разряд, класс и «facio» - делаю, раскладываю, т.е. делю на разряды. Как правило, под классификацией понимается «система соподчиненных понятий (классов объектов, явлений) в какой-либо отрасли знания, составленная на основе учета общих признаков объектов и закономерных связей между ними» [3]. Классификация позволяет ориентироваться в сложной среде, состоящей из неоднородных, многообразных объектов. Однако сам термин «классификация» обозначает как действие, так и результат этого действия.
Выделяют два типа классификаций: таксономическую и мереологи-ческую [4]. «Таксономическое деление — это выделение в объеме понятия подклассов, являющихся объемами новых ... понятий с точки зрения определенной характеристики, называемой основанием деления. ... Мереоло-гическим делением называют операцию мысленного членения предмета на составляющие части. При этом делении осуществляется переход от понятия о предмете (от делимого понятия) к понятиям о частях этого предмета (к членам деления)» [5]. Самой большой проблемой при реализации классификации является принцип разделения на категории. В автоматизированной и эвристической классификации такие категории чаще всего известны, однако существует необходимость выявления т.н. «критериев расщепления», позволяющих разделить объект классификации и создать ее скелет.
С термином «классификация» неразрывно связан термин «классификатор». Как правило, классификатором называют лицо или объект, реализующий процесс классификации [6]. Данное значение является основным и наиболее употребительным в технических областях науки. Однако, это не единственное значение данного термина. Также наряду с таким значением, этот термин используется в значении некоего свода, перечня объектов предметной области. Такое номенклатурное понимание пришло из экономики и права [7, 8].
Однако в информационных технологиях присутствует понимание в
первую очередь объектное, поэтому классификатор - это структурированная информация о некой предметной области, полученная в результате классификации, реализованной в определенной программной среде.
Такой классификатор предметной области при создании информационного обеспечения системы автоматизированного конструирования спироидных редукторов, ядром которой являются не предметные, а инвариантные переборные алгоритмы, предполагается получить в автоматизированном режиме с использованием экспертного опроса. Для этого эксперту предлагается провести декомпозицию известных ему конструируемых объектов на функциональные элементы (сверху вниз) (рис. 1, а) вплоть до элементарных, а затем охарактеризовать полученные функциональные элементы (снизу вверх) (рис 1, б). В обоих случаях строится мереологиче-ская классификация.
Существующие объекты различны по структуре. Описания объектов, создаваемые экспертом, должны быть структурно идентичны для последующего наложения их друг на друга с целью выявления общих, особенных и единично представленных элементов. Для необходимой унификации декомпозиций необходимо наложить ряд ограничений на процесс их создания.
Первым этапом описания объекта является его разложение в иерархию функциональных элементов, каждому из которых присвоено имя и описание в виде функционального назначения [9, 10] (рис. 2, б). Один и тот же функциональный элемент может быть отражен в разных декомпозициях.
Для описания особенностей отдельных экземпляров того или иного класса (функциональные вершины, характеристики, функциональные вершины одного типа и т.п.) предложено использовать атрибуты. Каждый вид атрибута характеризуется целевым классом сущностей, к которому он может быть применен, а также набором данных, если таковые необходимы.
Далее будут рассмотрены введенные атрибуты «фантом», «близнец», «стандартный», «стандартизация», «непрерывный».
На втором этапе иерархия структурообразующих элементов дополняется характеристиками - элементами, обеспечивающими структурную полноту (рис. 2, а). Характеристики определяются категорией и значением (например, категория «материал», значение «сталь») (рис. 2, г).
Параллельно с построением декомпозиций ведется формирование обобщенного графа, который можно получить наложением имеющихся на данный момент декомпозиций друг на друга (рис. 3, а).
Одной из первых проблем реализации данного алгоритма стала проблема избыточности вершин, создаваемых экспертом в ходе построения декомпозиции. Очевидно, что если эксперт при построении каждой декомпозиции будет вновь и вновь создавать одни и те же функциональные элементы, то, либо в конечном счете получим на выходе множество
избыточных признаков, что увеличивает вычислительную емкость процесса синтеза, либо возникнет необходимость в проведении дополнительного экспертного опроса с целью удаления избыточных функциональных вершин.
а
б
Рис. 1. Декомпозиция конструируемых объектов на функциональные элементы: а - декомпозиция редуктора; б - характеризация элементов редуктора
а)
Название
Функциональное назначение
В Стандартное изделие
в)
Категория ▼
Значение |
г)
Добавить вершину
Вернуться *■ Создать новую вершину
Название Описание Б1апс1агс] ж
|Узел корпуса [Редуктор! Обеспечивает размещение и координацию...
Выходной узел [1 -я ступень! Выходная часть ступени редактора
Кольцо [Входной узел] Применяется для предотвращения ос... станд.
Червяк [Входной узел] Передает крутящий момент с двигате...
Шпонка [Входной узел] Позволяет закрепить двигатель с чер...
Вал [Выходной узел] Передает с помошью шпонок крутящ ..
Кппл-п ГР1к№плипй Прпрпярти-пчтатий мпмрнтг ирпсак'
д)
Рис. 2. Первый этап описания объекта: а - фрагмент программной реализации характеризации; б - фрагмент программной реализации декомпозиции; в - данные функциональной вершины декомпозиции; г - данные характеристики функциональной вершины; д - список выбора добавляемой функциональной вершины
Решение указанной проблемы было получено в результате анализа характера функциональных элементов. Было показано, что название элемента и подробно описанное его функциональное назначение может образовать его характеризационный признак [11] (рис. 2, в). Возможность идентификации функционального элемента среди других, уже присутствующих в системе под тем же названием, позволяет эксперту выбрать нужный элемент вместо того, чтобы создавать его вновь (рис. 2, д). Это не только снижает избыточность функциональных вершин, но и позволяет установить соответствие между отражениями одного и того же функционального элемента в разных декомпозициях. В противном случае для уста-
новления таких связей потребуется провести отдельный экспертный вопрос после составления всех декомпозиций.
Рис. 3. Формирование обобщенного графа: а - вид обобщенного графа; б - действия для указания статуса альтернативности функциональных вершин; в - инструмент заполнения справочников-классификаторов
Если в качестве исследуемого объекта для структурного синтеза рассматривается двухступенчатый редуктор, то его структура на первом уровне описывается специалистами как набор ступеней, причем выходной узел первой ступени является входным узлом второй ступени (рис 4, а). Таким образом, в отображении структуры и с точки зрения расчетов функциональная вершина содержится в обеих ступенях, тогда как фактически вершина существует в единственном экземпляре. Эксперт, последовав привычному порядку, создаст новый функциональный элемент, что приведет к избыточности. Решение этой проблемы было найдено в возможности создания «фантома» для уже существующего в декомпозиции элемента, который бы входил в указанный узел, но при работе с которым все операции применялись бы к «базовому» функциональному элементу. Таким образом, вновь созданная вершина должна быть помечена атрибутом «фантом», а в данные атрибута будет занесена ссылка на оригинальную вершину (рис. 4, б).
Также целесообразно оптимизировать процесс описания нескольких фактически одинаковых функциональных элементов, входящих в один и тот же узел. В случае, если их функциональное назначение и характеристики идентичны (например, опоры, болты, винты...) или хотя бы схожи, можно серьезно сократить затраты на их описание путем объединения в группу «близнецов», т.е. присвоения каждой из вершин атрибута «близнец» с указанием идентификатора группы близнецов. На этапе характеризации все «близнецы» после присвоения характеристик одному из них бу-
дут изначально иметь те же характеристики.
а б
Рис. 4. Структура исследуемого объекта: а - традиционное представления структуры редуктора; б - представление структуры редуктора при помощи древовидной структуры данных с применением
атрибута «фантом»
Анализ процесса декомпозиции объектов и множества вершин получаемого графа показал, что при наличии в конструкции изделия стандартных элементов (напр., шпонок, подшипников) множество значений признаков, порождаемых ими, на этапе синтеза образует больше запрещенных фигур, нежели разрешенных. Таким образом, целесообразно провести обратную свертку характеристик, в результате чего появляются структурированные характеристики, состоящие из множества пар категория-значение, получаемых для стандартного элемента из заполняемого позднее классификатора-справочника (рис. 3, в). Такие характеристики фактически являются разрешенными фигурами.
Для обозначения стандартных элементов при описании структуры описания вариантов конструкции изделия целесообразно применить атрибут «стандартный» (рис. 2, в), наличие которого в описании структурообразующей вершины будет иметь следующие последствия: характеристики структурообразующей вершины являются структурированными; характеристики структурообразующей вершины будут получены непосредственно перед построением классификатора из введенного экспертом классификатора-справочника.
Данные атрибута «стандартный» идентифицируют структурообразующую вершину среди справочных данных, позволяя указать для нее конкретную структурированную характеристику.
В общем случае, для некоторого класса функциональных вершин (под классом подразумевается совокупность вершин с одним наименованием - например, «шпонка») в процессе накопления данных не всегда уда-
ется выяснить возможность существования стандартных элементов. На стадии экспертного опроса о каждом классе вершин, в котором не выявлено стандартных элементов, будет задан вопрос: могут ли элементы этого класса вершин быть стандартными. Положительный ответ определяет наличие атрибута «стандартизация» для рассматриваемого класса функциональных вершин, что, в частности, означает необходимость заполнения для него классификатора-справочника.
Некоторые признаки (длина, диаметр и др.) могут порождать диапазон значений вместо определенного на этапе декомпозиций набора. В этом случае к ним применяется атрибут «непрерывный», который указывает начальное и конечное значения диапазона, а также шаг. Данные атрибута заполняются путем экспертного опроса при построении классификатора.
Формирование первой декомпозиции начинается с нуля и проходит в основном за счет операции создания новой вершины с указанием названия и функционального назначения. Параллельно формируется обобщенный граф, который после построения первой декомпозиции, как правило, представляет копию структуры ее функциональных вершин.
При построении второй и последующих декомпозиций эксперт имеет возможность использовать обобщенный граф, утверждая функциональные вершины, вместо того, чтобы создавать новые. Для большей простоты и наглядности вершины обобщенного графа отображаются не полностью. Начиная составлять декомпозицию объекта, эксперт видит вершины только первого уровня обобщенного графа. Утвердив нужные из них и добавив другие, эксперт должен утвердить текущий уровень, после чего станут доступны вершины следующего уровня.
В случае, если подходящей вершины нет в обобщенном графе на текущем уровне, эксперт имеет возможность добавить вершину из списка ранее участвовавших в декомпозициях, ориентируясь по их названию и функциональному назначению.
При создании новой вершины эксперт должен ответить на вопрос, не является ли создаваемая вершина альтернативной по отношению к какой-либо другой на данном уровне. Также эксперт имеет возможность создать альтернативу явным образом, выбрав соответствующую команду для вершины или группы альтернативных вершин обобщенного графа (рис. 4б).
Для создания вершины-фантома эксперту предлагается соответствующая команда, для выполнения которой необходимо выбрать вершину из списка уже существующих в текущей декомпозиции. Создание вершин-близнецов проходит аналогичным образом - эксперту необходимо выбрать вершину из списка уже существующих на текущем уровне декомпозиции.
При создании новой вершины или добавлении из списка существующих предоставляется флажок «Стандартный элемент» (рис. 2в). При его установке вершина будет помечена атрибутом «стандартный», что впо-
следствии вызовет необходимость заполнения классификатора-
справочника.
На этапе характеризации при создании характеристики эксперт должен указать не только ее значение, но и категорию, которая на этапе построения классификатора преобразуется в наименования признака.
В процессе исследования было выявлено, что возможно существование однотипных вершин, появляющихся на разных уровнях обобщенного графа. Такие вершины дадут признак принадлежности.
Итоговый классификатор как результат работы подсистемы сбора данных будет представлен множеством признаков, разделенных на подмножества в соответствии с функциональными вершинами.
Таким образом, проведенные исследования позволили:
- во-первых, получить корректное множество признаков и их значений, необходимое для реализации переборного алгоритма в процессе структурного синтеза множества объектов;
- во-вторых, расширить множество значений термина «классификатор» двумя существенными понятиями.
С точки зрения анализа предметной области, то есть процесса классификации, классификатор - это множество классификационных признаков, представляющих собой вопросы, ответы на которые позволяют идентифицировать объект, отнести его к некоторой подгруппе, конкретизировать значение существенных свойств объекта.
С точки зрения синтеза классификатор - это множество признаков, каждый из которых представляет собой множество исходов (значений признаков), что позволяет в свою очередь представить множество всех конструктивных решений как декартово произведение множества классификационных признаков.
Список литературы
1. Малина О.В. Автоматизация структурного синтеза конструкции изделия машиностроения // Проблемы проектирования изделий машиностроения и информатизации: Труды научных сотрудников и аспирантов УНЦ Зубчатых передач и редукторостроения Института механики ИжГТУ. -Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 1999. С. 15-22.
2. Аристотель. История животных. М.: Российский государственный гуманитарный университет, 1996. 528 с.
3. Новый словарь иностранных слов. Ьу EdwART, 2009.
4. Буканский В.М. Принципы и основные черты классификации современного естествознания. Пермь, 1960; Ивлев Ю.В.Логика. М., 2004.
5. Энциклопедия эпистемологии и философии науки. М.: «Канон+», РООИ «Реабилитация». И.Т. Касавин. 2009.
6. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935-1940.
7. Словарь бизнес-терминов. Академик.ру. 2001; Финансовый словарь Финам.
8. Райзберг Б. А., Лозовский Л.Ш., Стародубцева Е.Б.. Современный экономический словарь. — 2-е изд., испр. М.: ИНФРА-М. 479 с.. 1999.
9. Малина О.В. Особенности использования древовидных структур в системах автоматизированного проектирования //Информационная математика в информациологии: Сборник трудов симпозиума (Москва -Ижевск, 1997). Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 1997. С.8-11.
10. V.I.Goldfarb, O.V.Malina Skew axis gearing scheme classifier building technique//Tenth world congress on the theory of machines and mecha-nisms:Proceedings vol6. Oulu: University of Oulu, 1999.- P.2227-2232.
11. Малина О.В., Валеев О.Ф., Морозов С.А., Холмогоров А.В. Подходы к организации экспертного опроса подсистемы формирования классификатора системы структурного синтеза конечных объектов, построенных на дискретных структурах // Вестник Ижевского государственного технического университета. 2012. - №1(53). С. 126-129.
Валеев Олег Федорович, аспирант, daymos87@mail.ru, Россия, Ижевск, Ижевский государственный технический университет им. М. Т. Калашникова,
Зарифуллина Эльвира Галиевна, аспирант, zarifullina_elvira@,mail.ru. Россия, Ижевск, Ижевский государственный технический университет им. М. Т. Калашникова,
Малина Ольга Васильевна, д-р техн. наук, проф., malina@,istu.ru. Россия, Ижевск, Ижевский государственный технический университет им. М. Т. Калашникова
APPROACH TO DEVELOPING THE CLASSIFIER OF MECHANICAL ENGINEERING OBJECTS AS THE BASIS OF INFORMATIONAL SUPPORT OF CAD SYSTEMS
O.F.Valeyev, E.G.Zarifullina, O.V.Malina
The process of structural synthesis implementation by combinatorial search applies many features and values of features of the class of synthesized objects. The paper considers approaches to developing the classifier of mechanical engineering objects as the basis of informational support of computer-aided design systems, executing the structural synthesis of complex objects.
Key words: designing, classification, classifier, CAD (computer-aided design) systems, structural synthesis, decomposition, characterization.
Valeev Oleg Fedorovich, postgraduate, daymos87@mail.ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University,
Zarifullina Elvira Galievna, postgraduate, zarifullina_elvira@mail.ru. Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University,
Malina Olga Vasilevna, doctor of technical science, professor, malina@istu.ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University.
