3.2 Частично формализованные эвристические методы
К частично формализованным методам относятся методы систематического поиска, многие из которых базируются на морфологическом анализе (морфологический ящик Цвикки, матричные методы, методы Коллера, Зарипова и др.).
Морфологический анализ состоит в расчленении общей функции ПО на частные и отыскании возможных способов их выполнения. То или иное сочетание способов выполнения частных функций составляет вариант ТР. Если n - число частных функций, а ki - число средств реализации частных функций, то общее число вариантов будет
Некоторые варианты окажутся абсурдными, многие средства несовместимыми. Однако появятся и интересные варианты.
Таким образом, морфологический метод относится к методам ненаправленного систематического поиска решений и в общем случае сводится к перебору различных комбинаций средств реализации частных функций (функциональных элементов) и выбору из них наиболее рациональных. Для практической реализации метода морфологического анализа удобно заполнять специальную таблицу вариантов ТР, пример оформления которой приведен в табл.3.1.
Таблица 3.1. - Таблица разработки вариантов технических решений.
Частная функция у1 |
Частная функция у2 |
Частная функция уn |
Общая функция Y |
|||||||
u11 |
u12 |
... |
u1k |
u21 |
... |
u2k |
un1 |
... |
unk |
Техническое решение G |
|
1 |
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
g1 |
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
g2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
... |
1 |
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
gm |
Примечание. G = {g1, g2, ..., gm} - полное множество ТР; g1, g2, ..., gm - элементы множества ТР; Y - общая функция ПО; уn - частная функция ПО; unk - k-е средство выполнения n-й частной функции; un ={un1, un2, ..., unk} - множество средств выполнения n-й функции. |
||||||||||
В таблице по столбцам выделяются частные и общая функции с набором средств выполнения каждой функции, а по строкам - варианты различных сочетаний множества средств (если в данном варианте используется средство, то в клеточке таблицы ставится 1).
Метод морфологического анализа является весьма действенным, легко формализуемым. Сложность представляет лишь операция исключения вариантов, составленных из несовместимых средств реализации частных функций. Примером может служить установка для нанесения пленок в вакууме. Частные функции: загрузка, очистка, нагрев, транспортировка, нанесение пленки, охлаждение, выгрузка. Каждая функция может быть выполнена различными средствами. Например, нанести можно резистивным, электронно-лучевым или лазерным испарением, ионно-плазменным или ионно-лучевым распылением, осаждением из парогазовой смеси. Комбинируя средства достижения каждой из частных функций, получаем множество вариантов установки. Затем исключаем варианты, где средства несовместимы по каким-либо причинам, и отбрасываем их. Оставшиеся варианты анализируем на предмет поиска наиболее перспективного.
Для САПР, однако, больший интерес представляют методы направленного поиска. Среди отечественных методов направленного поиска можно отметить следующие:
1) метод поискового физического конструирования (ПФК), основанный на использовании обобщенного эвристического алгоритма поиска новых ТР;
2) алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ), основанный на теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) Г.С.Альтшуллера;
3) комплексный метод;
4) параметрический метод.
Метод ПФК (или обобщенный эвристический метод) был разработан путем статистической обработки и обобщения различных методик. В качестве основных средств решения задач выступают восемь массивов информации, включающих массив физико-технических эффектов (120 единиц), эвристических приемов (420 единиц, основных 120 единиц), поисковых процедур (85 единиц). Направленность ПФК невелика, особенно при решении задач-противоречий, так как выбор делает человек, опираясь только на свой опыт и интуицию.
Поскольку дальнейшее развитие САПР связано с возможностью автоматизации начальных стадий проектирования, то в последние годы большое внимание уделяется разработке так называемых экспертных систем. Основой подобных систем являются формальные методы, состоящие из алгоритма и базы знаний, которая представляет собой набор сведений, собранных экспертами в той предметной области, на которую ориентирована создаваемая экспертная система.
Методы, которые могут быть использованы в экспертных системах, базируются на ТРИЗ, разработанной в начале 70-х годов и представляющей алгоритмическую методику, направленную на уменьшение перебора вариантов при поиске ТР. Заметный скачок в повышении направленности поиска сделан в модификации АРИЗ-77, а в одной из последних АРИЗ-85-В, содержащей массив стандартных решений изобретательских задач (76 единиц), логика метода вообще исключает перебор вариантов и предусматривает остановку при получении первого рационального решения.
В 1978-79 гг. на основе ТРИЗ был разработан комплексный метод, представляющий собой общетехническую методику направленного поиска новых решений и имеющий вид эвристического алгоритма. Метод включает систему предписаний и массивы информации. Основная последовательность действий состоит из шести этапов: постановки и уточнения задачи, определения состава синтезируемых подсистем, синтеза системы, проверки правильности синтеза ТС, оценки и вывода решений, развития наилучшего решения. При реализации этапов используется набор операторов (более 20), а также массивы физических явлений и эффектов (250 единиц) и массивы типовых решений. Метод применим при синтезе ТР как при наличии прототипа, так и “с нуля”, для чего предусмотрен блок функционального синтеза технической системы. Разработчики метода считают его рациональной серединой между обобщенным эвристическим методом (с его низкой направленностью) и АРИЗ (с его избыточной формализацией), подчеркивая большую универсальность.
Одной из последних разработок, также представляющей дальнейшее развитие идеи ТРИЗ, является параметрический метод (ПМ), относящийся к формальным методам, которые могут быть использованы в экспертных системах.
Ядро концепции ПМ составляют правила, позволяющие выявлять и устранять физические противоречия, встречающиеся при разработке новой техники. ПМ в основном ориентирован на улучшение характеристик известных технических систем любого функционального назначения, однако может применяться для прогнозирования развития известных систем, составления ТЗ на разработку новых устройств и технологий, разработки изобретений для обеспечения приоритета в данной области техники.
Центральное место в концепции ПМ занимает понятие физического противоречия, под которым понимаются взаимоисключающие требования, предъявляемые к элементу системы, состоящие в том, что один из характеризующих его параметров должен иметь два различных значения. Этот параметр называется узловым параметром, а соответствующий ему элемент - узловым элементом.
Реализация метода заключается в преобразовании узлового элемента и превращении его в объект с парными свойствами, который позволяет решить проблему. База ПМ представляет собой множество объектов с парными свойствами, массив которых состоит из шести типов систем:
S1 - состоит из одного элемента, который характеризуется двумя однотипными свойствами;
S2 - состоит из одного элемента, который характеризуется свойством, имеющим пространственное распределение значений;
S3 - состоит из одного элемента, который характеризуется свойством, имеющим распределение значений во времени;
S4 - состоит из двух находящихся в пространственном отношении объектов, которые характеризуются однотипными свойствами;
S5 - состоит из двух находящихся во временном отношении объектов, которые характеризуются однотипными свойствами;
S6 - любая система, которая характеризуется таким же свойством, как и один из ее элементов.
Для реализации всех возможных способов преобразования узлового элемента, заключающихся как в замене его на тот или иной элемент, так и в изменении условий, в которых находится узловой элемент, получено 30 теоретических эвристических приемов устранения физических противоречий, из которых 14 на практике подтвердили свою эффективность и использованы в ПМ. Для упорядочения и ограничения перебора приемов разработаны специальные правила.
В результате устранения физического противоречия сначала получается принципиальное решение, на основе которого формируется техническое решение. Для совершенствования ПМ необходимо повысить уровень его формализации при выполнении процедуры перехода от принципиального к техническому решению. Это можно обеспечить за счет привлечения для ее выполнения массива описаний объектов с парными свойствами (насчитывает порядка 1000 единиц).
На основе ПМ разработана компьютерная экспертная система “Новатор”, содержащая 14 эвристических приемов и 200 описаний объектов с парными свойствами, которая позволяет совершенствовать известные технические системы (прототипы) различного функционального назначения за счет целенаправленного изменения их состава и структуры. Этап постановки задачи и этап выбора и развития принципиального решения выполняются человеком в диалоге с ЭВМ, и многое зависит от профессиональных знаний и творческих способностей проектировщика. Этап же поиска принципиальных решений полностью выполняется ЭВМ без участия человека.