Размещено на http: //www. allbest. ru/

Разработка системной модели технического объекта

Д.В. Багаев

Важным классом задач, решаемых в информационных системах являются задачи принятия решения. Методы и технологии на основаниях, которых решаются такие задачи целесообразно применять для сложных технических систем. В таких системах обмен информацией происходит на семантическом уровне.

Для организации информационного обмена между различными классами сложной технической системы необходимо рассмотреть разработку информационной модели (ИМ) технической системы. Процесс разработки ИМ состоит в получении системной модели технического объекта (ТО) всесторонне вскрывающей все необходимые для качественного проектирования аспекты. При разработке модели представим ТО в виде двухуровневой системы включающей описание, анализ и синтез и состоящий из:

· системной модели, описывающей объект проектирования;

· системной модели, состоящей из необходимой информации для процесса проектирования ТО.

Системная модель описания ОП как объекта включает структурно-параметрическое (статическое - ) и функциональное (динамическое - Ф) описания (рис. 1). Связь этих описаний представляет собой однозначное соответствие f: .

Двухуровневую системную модель для описания ТО можно представить в виде следующих соотношений:

(1)

где L - множество целей проектирования (ФМ) на k-ом иерархическом уровне; k = 0, 1 - соответственно нулевой или первый уровни членения, представляющие ТО, как целое или на уровне ее функциональных модулей (ФМ); i - 1-й ФМ, входящий в состав ОП на первом уровне членения; - число ФМ на данном уровне членения (при k = 0 - = 1);

I - множество имен ФМ; F - множество функций ФМ; - множество известных ТО на k-ом уровне членения ТО; A - множество абстрактных функциональных элементов;

G - множество геометрических элементов, однозначно соответствующих абстрактным;

U - множество отношений между элементами (следования, совместимости, включения и т.д.); П - множество признаков, описывающих компоненты системной модели на качественном уровне; Z - множество свойств; С - множество отношений связи ОП (ФМ) с окружением; W - множество соответствий, определяющих уравнения проектирования, конструирования и функционирования; Q - множество соответствий, оценивающих эффективность проектируемого объекта; - входные действия окружения на ОП (ФМ); - выходные действия системы (ФМ) на окружение; G - оператор выходов; - структура процесса функционирования объекта; - множество свойств, характерных для процессов функционирования; - множество состояний технических подсистем; - множество свойств окружающей среды эксплуатации; R - множество условий существования и прекращения процесса; Т - время.

Рис. 1 Двухуровневая системная модель ОП

Перейти к формализации установленных отношений, используя широко известный аппарат математического анализа, дискретной математики и математической логики, для проведения структурно-параметрического синтеза конструкции ТО. Методика этого процесса основана на детальном раскрытии и наполнении конкретным содержанием всех компонентов системной модели, а также трансформации ее на этой основе в соответствующую (в зависимости от поставленных целей) концептуальную модель ТО.

Фунции ТО

Основным компонентом, являющимся ядром системной модели ТО и характеризующим назначение технического объекта любого уровня иерархии, является выполняемая ТО функция.

Понятие функции F объекта определяется, как потребительская - и техническая - функции ТО. Потребительская функция - это производимое ТО действие, приводящее к реализации интересующей человека потребности, т.е. назначение ТО. Техническая функция - описывает внутрисистемные действия между элементами ТО, приводящие к реализации его потребительской функции путем преобразования некоторого входного воздействия, т.е. однозначно описывается в виде оператора выходов:

.

Описание потребительской функции любого ТО, можно представить в виде четверки множеств следующего вида:

, (2)

где D - множество действий, производимых и приводящих к желаемому результату; X - множество объектов (операндов), на которые эти действия направлены; H - множество особых условий и ограничений выполняемых действий; - множество функциональных признаков, позволяющих конкретизировать и иерархически структурировать описание функции (ФМ).

Практически на всех уровнях функциональной конкретизации ТО используются следующие множества инвариантных признаков , , :

 = {способ действия, место действия, степень действия, характер действия, режим действия};

= {тип операнда, вид операнда, состояние операнда};

= {вид среды, температура среды, характеристика среды}.

Вводя другие значения признаков из признакового пространства

получают все множество конкретных описаний абстрактной функции, а также множество соответствующих им ТО. Таким образом, можно генерировать пространство возможных функциональных описаний ТО и анализировать соответствие качественных описаний существующих ТО их виду.

Подобное разбиение признаками базовых рабочих функций позволяет сформировать иерархическое дерево функций ТО, как необходимого средства для поиска и анализа технических решений. Графически дерево функций представляет собой двудольный граф, имеющий в своем составе вершины двух типов: вершины “И”, описывающие отношения включения множества функций более низкого уровня в описание соответствующей функции надуровня, а также вершины “ИЛИ”, характеризующие варианты конкретизированного описания функции текущего уровня, например дерево для гидравлического объекта (рис. 2).

В результате анализа различных ТО были выявлены следующие множества действий:

D = <удалять; сообщать; содержать; измерять; передавать; улавливать; обеспечивать>;

X и H зависят от той области к которой относится рассматриваемый ТО. Таким образом, формируется база знаний необходимая для качественной оценки признаков технической системы.

Структура ТО. Процесс проектирования ТО на начальных стадиях формально представляет собой создание, поиск и преобразование различных аспектов структур ТО. В связи с этим актуальной является задача определения полного множества структур различного вида на каждом уровне иерархии ТО, необходимого и достаточного для отображения синтеза ТО как процесса поиска и выбора структуры, обладающей качественной определенностью (функцией) и требуемым набором значений свойств.

В общем случае структуру ТО на верхних уровнях иерархического членения можно описать следующим множеством видов структур:

где - множество структур модулей ТО (структурных единиц); - множество отношений связи (временных и/или пространственных).

Рис.2 Дерево графов ТО И-ИЛИ

Выделяют семь аспектов описания :

(3)

где - структура действий; - структура функций; - абстрактная структура;

- морфологическая; - вариантная структура; - пространственная структура;

- геометрическая структура.

Признаковое описание структурных элементов ТО, а также множество отношений между этими элементами определяют конкретный вид структуры ТО, каждую из которых можно представить следующим обобщенным выражением:

,

где PQ - предикат, означающий, что объект ”состоит из множества элементов ; PR - предикат, означающий, что между элементами и существует отношение, имеющее в различных видах структур разную сущность; PS - предикат, означающий, что объект ”имеет структуру S, описываемую матрицей смежности “”.

Таким образом, начальные стадии проектирования ТО подразумевают последовательный синтез и преобразование структур S, т.е. конкретизацию концептуальной модели.

Структура действий состоит из множества выполняемых ТО или откачным модулем действий и отношений следования , указывающих на порядок действий. Структура строится в том случае, когда конструктора не удовлетворяют известные функциональные структуры и он ищет новые .

Функциональная структура может быть представлена в виде

,

где F - множество рабочих функций ТО; - множество отношений следования .

Абстрактная структура

имеет множество взаимосвязанных родовых элементов, исполняющих функции , а также множество отношений связи .

Структура является основой для построения морфологической структуры ТО, которую, как отмечалось выше, на начальных этапах проектирования необходимо и достаточно представить в виде двухуровнего дерева. Морфологическая структура

имеет два подмножества вершин:

-

 типы ФМ (вершины “И”) и

-

множество вариантов технического исполнения типов (вершины “ИЛИ”), а также два подмножества отношений: - отношения включения между элементами ; - родовидовые отношения между элементами множеств A и B.

Замена в структуре на основе сформированного абстрактных элементов конкретными вариантами их исполнения образует вариантную структуру

,

где - конкретные отношения соединения между вариантами исполнения (в отличие от абстрактных отношений связи .

Отличие структур и состоит в том, что элементы имеют конкретные имена вместо абстрактных в , абстрактные отношения связи заменены на конкретные отношения соединения.

Пространственная структура представляет собой развитие вариантной структуры , отражающая компоновку ТО в пространстве:

, где

- множество пространственных отношений, представляющее собой объединение отношений трехтипов: взаимного расположения , принадлежности и направления (ориентации) .

Эти отношения имеют следующие множества значений:

= {параллельное, соосное, перпендикулярное, симметричное, сверху, снизу, справа, слева, спереди, сзади};

= {внутреннее, внешнее};

= {по , по , по , против , против , против },

где , , - оси декартовых координат.

Таким образом, исходя из весьма абстрактных описаний структуры ТО получено ее конкретное описание в виде некоторой понятийной (семантической) модели, в которой каждый структурный элемент и отношения имеют конкретные имена в терминах, понятных разработчику технического объекта (рис. 3).

Свойства и признаки ТО. Важным этапом построения концептуальной модели ТО как объекта проектирования [1] является определение свойств Z. Свойства ТО характеризуются параметрами и признаками , а также их значениями. Причем значение признака - это качественная характеристика свойства объекта, в то время как значение параметра имеет количественное выражение.

Рис. 3 Алгоритм синтеза структуры

база данные алгоритм

На основании того, что свойства ТО проявляются при ее взаимодействии с окружением, возникает необходимость конкретизации свойств ТО путем анализа состава окружения, т.е. всего не принадлежащего ТО множества технических систем, но связанного с ней оказывающего на нее существенное влияние.

Окружение ТО описывается следующим набором компонент:

,

где соответственно: k - рассматриваемый уровень иерархического членения ТО; - управляющие объекты (человек, робот, ЭВМ); - эксплуатация на всех стадиях существования ТО; - взаимодействующие (сопряженные) ТО; - производство; - технологический процесс, которому способствует ТО; - изготавливаемое посредством технологического процесса в ТО изделие; - источник энергии; - режимы функционирования; - окружающая среда эксплуатации.

Взаимодействие ТО с окружением порождает множество связей , определяющих в свою очередь то или иное свойство ТО:

.

Описание свойств ТО любого уровня иерархии представляет собой множество троек вида:

где n - общее число свойств ТО; - имя свойства

;, -

множества параметров и признаков, характеризующих свойство .

С точки зрения проектирования наиболее важным является признак “класс”, отражающий взаимодействия ТО с окружением, в которых проявляется рассматриваемое свойство. Разбиение свойств данным признаком позволяет сгруппировать их по следующим основным классам: функциональные, эксплуатационные, производственные и конструктивные свойства ТО ( соответственно).

Основными функциональными свойствами ТО являются: производительность, быстродействие.

Основными свойствами ТО являются: надежность, ремонтопригодность, сохраняемость и эргономичность.

Производственные свойства ТО проявляются во взаимодействии с производством. С точки зрения конструирования к ним относятся технические и экономические свойства, основными из которых являются трудоемкость, материалоемкость, энергоемкость.

Конструктивные свойства ТО проявляются при взаимодействии структурных составляющих ТО и во многом определяются конструктором.

Свойства ТО () определяются свойствами ее структурных составляющих (ФМ) первого уровня членения (), во многом отличающимися от свойств, присущих ТО в целом, что обусловлено изменением состава окружения по сравнению с ТО. При этом свойства ТО описываются аналогичным образом:

,

где - множество свойств i - го ФМ; - соответственно множества функциональных, эксплуатационных, производственных и конструктивных свойств i_го ФМ; i = 1, n - индекс принадлежности соответствующему ФМ ТО.

Цели проектирования ТО. Важной системной характеристикой, описывающей процесс проектирования ТО, является цель проектирования (компонент L в выражении).

Желаемое целевое состояние ТО, которым должна обладать синтезируемая конструкция, задается техническими требованиями в ТЗ. Однако самой цели как движущей силы процесса конструирования ТО в ТЗ не содержится, т.к. среди существующих конструктивных воплощений ТО.

Конкретную конструкцию, реализующую заданную функцию F и имеющую фиксированную структуру S, опишем определенным набором параметров:

,

где I - множество имен свойств ТО; P - множество параметров свойств ТО; h -множество значений параметров свойств ТО; k = 1, n - номер рассматриваемой конструкции; n -число существующих конструкций ТО.

ТЗ, в свою очередь, есть ни что иное, как подобное описание требуемой конструкции:

,

где - соответственно требуемые имена свойств ТО, параметры свойств и их значения.

Поиск аналогов осуществляется сравнением характеристик свойств выражения для различных ”с соответствующими значениям выражения. Эквивалентность имен () и параметров свойств (), а также выполнение условия ( - отношение “не хуже”) означает, что конструкция под номером k является аналогом для данного ТЗ. В противном случае, когда ни одна из известных конструкций ТО не удовлетворяет ТЗ по одному или нескольким параметрам свойств, можно говорить о возникновении потребительских целей проектирования, как необходимости изменения значений параметров ТО или ее структурных составляющих, которые в общем случае представимы в виде:

,

где T - множество параметров ТО, не удовлетворяющих требованиям ТЗ; И - множество отношений типа “изменить”. Рассматриваемая исходная конструкция в данном случае является прототипом.

Наличие взаимосвязей свойств ТО со свойствами ее структурных составляющих обуславливает возможность достижения требуемых значений параметров ТО за счет изменения свойств ее ФМ, приводящего к изменению структуры ТО, и определяет проектную цель в виде:

.

Анализ литературных источников, отражающих случаи конкретного проектирования ТО, позволил выделить основные компоненты множества И: - “уменьшить (понизить)”; - “увеличить (повысить)”; - “расширить”; - “создать”;

- “изменить”.

Цель проектирования L, сформулированная на основе требований ТЗ как необходимость изменения соответствующих параметров свойств () выбранной конструкции-прототипа ТО, позволяет на базе связей параметров свойств сформировать дерево целей

Таким образом, отношения между подцелью и головной целью порождают множество функций, способствующих ее реализации, и позволяя сформировать уточненную , являются основой получения оригинальных проектных решений.

Рис. 4 Информационные взаимосвязи подсистем при синтезе и анализе

Заключение

1. На основе системного подхода к анализу ТО с позиций решаемых задач разработаны инвариантные относительно введенных уровней членения системные модели ТО как объекта конструирования и проектирования, являющиеся основой создания методики извлечения знаний, синтеза и моделирования ТО.

2. Сформировано множество базовых и вспомогательных функций ТО, отмечена необходимость функционального анализа для эволюции ТО. Рассмотрена взаимосвязь функции и структуры ТО, определено множество структур ТО, необходимое и достаточное для отображения процесса функционального и схемотехнического проектирования.

3. Исследованы взаимосвязи ТО и ее структурных составляющих с окружением и произведена структуризация выявленных свойств. На основе исследования взаимосвязей параметров свойств ТО и ее структурных составляющих сформированы соответствующие таблицы связей.

4. Введено понятие цели проектирования ТО и показана связь целей проектирования с генерацией вспомогательных функций и структурой ТО, определена структура дерева целей проектирования ТО.

5. На основе системной модели ТО разработана концептуальная модель знаний ТО, которая представляет собой фреймовую организацию предложенной структурированной информации о ТО, позволяющую подсистеме экспертной поддержки эффективно формировать и манипулировать знаниями конструктора данной предметной области.

6. Проведенный системный анализ ТО позволяет перейти к разработке методик и формализации основных этапов функционального и схемотехнического проектирования ТО рис. 4.

Литература

1. Арменский Е.В., Львов Б.Г., Митрофанов С.А. Стратегия построения концептуальной модели технического объекта: Сб. науч. трудов. - М., 1989.

Размещено на Allbest.ru