Модернизация технических систем методология и технология выбора решений. Монография

Рисунок 3.4. Алгоритм оценки целесообразности модернизации ТС

3.5. Формирование области возможных технических решений для модернизации ТС

Формирование области возможных технических решений осуществляется на основе декомпозиции исход-

81

ного ТС по элементам и отношениям. В результате декомпозиции образуются два графа исходного ТС (с логикой «И»): граф элементов Gо и граф отношений Gd. Для определения области поиска рациональных технических решений модернизации ТС прежде всего необходимо выделить в графах Ga элементов и Gd отношений исходной ТС «нуждающиеся» и «не нуждающиеся» в модернизации элементы и отношения, т.е. произвести предварительное снижение мощности (сужение) множества возможных технических решений для модернизации ТС. Это может быть осуществлено в результате сравнения множества Bmm «желаемых» и множества Bm реальных свойств ТС. Поскольку множество Bmm характеризуется требованиями к ТС, то сравнение множеств сводится к определению степени соответствия свойств исходной системы предъявляемым требованиям. С позиции снижения мощности множества возможных технических решений такое сравнение позволяет выделит неизменяемую часть ТС и тем самым сузить («усечь») графы Ga и Gd, т.е. уменьшить область поиска рациональных вариантов модернизации ТС. В качестве одной из форм оценки соответствия свойств и требования к ним может служить таблица соответствия, в которой степень соответствия реальных свойств ТС «желаемым» оценивается символами 1 и 0. Оценка 1 ставится тем элементам и отношениям, свойства которых соответствуют предъявляемым требоавваниям, в остальных случаях ставится 0. Таблица соответствия показывает, что модернизация целесообразна по отношению к элементам и отношениям, у которых в ячейках таблицы записаны символы 0. Для остальных элементов и отношений модернизация нецелесообразна. Таким образом из поиска рациональных технических решений исключаются несколько подмножеств, характеризующих альтернативы элементов и отношений, модернизация которых нецелесообразна. Кроме того, на данном этапе решения задач модернизации ТС целесообразно «отсечь» ветви и кусты, содержащие элементы,

82

модернизация которых невозможна или нецелесообразна вследствие конструктивно-технических ограничений.

Дальнейшая работа по определению области поиска рациональных технических решений модернизации ТС связана с преобразованием «усеченных» «И» графов Ga 1 и Gd1 модернизируемой ТС в графы «И-ИЛИ» возможных вариантов элементов и отношений ТС. Для этого на каждом уровне графов Ga1 элементов и Gd1 отношений реальной ТС дополняются альтернативными элементами и отношениями, реализующими одинаковые с исходными элементами и отношениями свойства ТС.

Формирование множества возможных альтернатив происходит, прежде всего, на основе анализа исходного ТС, выявления недостатков его элементов и отношений, а также технических решений, позволяющих эти недостатки устранить. Кроме того, на основе опыта проектирования аналогичных образцов ТС разрабатываются дополнительные альтернативы. Выделение альтернативных элементов для графов и представляет собой творческий процесс, на результатах которого сказывается и опыт проектировщика, и его консервативность. В целом процедуру построения области R возможных технических решений для модернизации ТС иллюстрирует риc. 3.5.

Отметим, что для преодоления консерватизма в проектировании и активизации творческого процесса в последниеие десятилетия ведутся интенсивные работы по созданию эвристических приемов расширения возможного множества технических решений той или иной системы. Применение эвристических приемов обеспечивает получение максимального количества типов и ви­дов элементов от одного или нескольких прототипов. К настоящему времени сформирован Межотраслевой фонд эвристических приемов преобразования объекта [45], представленный в Приложении 2. В целом процедура построения области R возможных технических решений для модернизации ТС показана на рисунке 3.6.

83

а0

а1 2

а1

а111

Рисунок 3.5. Преобразование «усеченного» графа Ga1 исходного ТС в граф Ga множества возможных технических решений модернизации ТС:

–вершины графа, характеризующие элементы исходного ТС;

–вершины графа, характеризующие альтернативы элементам ТС

84

ПостроениетаблицысоответствиясвойствиотношенийисходнойТС предъявляемымтребованиямиопределениемножестваконструктивно– технологическихограничений

Построение"усеченных"графовGa1 элементовиGd1 отношенийТСпутем "отсечения"кустовиветвейисходныхграфовGa иGdТСнаосноветаблицы соответствияиконструктивно– технологическихограничений

ПостроениеграфовGa2 иGd2 множествавозможныхтехническихрешений модернизацииТСзасчетвведениявграфыGa1 иGd1 альтернативныхвариантов элементовиотношенийТС, сформированныхнаосновеанализаисходнойТСи опытапроектированияаналогичныхТС

ПостроениерасширенныхграфовGa3 иGd3 множествавозможныхтехнических решениймодернизацииТСзасчетвведениявграфыGa2 иGd2 альтернативных вариантовэлементовиотношенийТС, сформированныхспомощью эвристическихметодоврасширениямножестватехническихрешений

Рисунок 3.6. Последовательность построения области R = Ga3 ˅ Gd3 возможных технических решений для модернизации ТС

3.6. Анализ методов поиска рациональных технических решений при модернизации образцов ТС

Приведенное выше построение области R возможных технических решений позволяет представить задачу выбора рациональных технических решений для модернизации образцов ТС виде задачи отыскания варианта R*(R*ЄR), имеющего минимальную стоимость С и удовлетворяющего заданным требованиям Wтр или (и) по модернизируемому свойству (свойствам), то есть

R → R* = min (R, С)

при W ≥ Wтр

85

В задаче поиска рационального технического решения можно выделить два основных аспекта, связанных с ее решением.

Первый аспект характеризует организацию процесса поиска. Принципиально возможны три вида организации поиска рационального технического решения: полностью формализованный поиск; эвристический поиск; интерактивный поиск.

Первые два вида организации поиска рационального технического решения, как показано в многочисленных работах [39–41], в «чистом виде» имеют ограниченное применение. Третий вид, являясь конструктивным симбиозом первых двух, рассматривается в настоящее время как наиболее продуктивный вид организации процесса поиска рациональных технических решений. Интерактивный поиск объединяет в единую процедуру формальные методы оптимизации структур и параметров отдельных­ элементов решения с эвристическими методами, обеспечивающими­ логически обоснованную целенаправленность поиска рациональных­ технических решений. Интерактивный поиск использует достоинства как формальных, так и эври-

стических методов поиска, что обеспечивает гибкость и быстроту поиска рационального технического решения.

Второй аспект связан с собственно методами поиска рациональных­ технических решений. Выбор метода поиска опирается как на специфику проектируемой или модернизируемой системы, так и на особенности процесса проектирования. Исследования в области проектирования различных технических систем [1,2, 6–8, 20, 22, 39–43] показывают, что на выбор метода поиска рационального технического решения влияют следующие свойства модернизируемой системы и характеристики процесса проектирования:

степень дискретности показателей рациональности технических решений;

возможность и необходимость декомпозиции системы по оптимизируемому свойству, элементам и отношениям; размерность пространства поиска технических решений;

86

степень определенности и вычислимости показателей оценки­ вариантов технических решений, в том числе и на промежуточных этапах поиска;

наличие и характер конструктивных, технологических

идругих ограничений на выбор технического решения.

Сточки зрения перечисленных свойств и характеристик задача выбора рациональных технических решений при модернизации ТС в общем случае характеризуется необходимостью и возможностью иерархической декомпозиции ТС по модернизируемому, свойству, элементам и отношениям, дискретным характером изменения стоимости ТС при различных вариантах технических решений его модернизации, большой размерностью пространства поиска, технических решений, определяющей многоэтапность процесса выбора рационального технического решения, возможностью вычисления показателей оценки вариантов технических решений, в том числе и на промежуточных этапах, и, наконец, обязательным наличием ограничений конструктивного

итехнологического характера (как минимум, ограничений на изменение системоопределяющего элемента ТС).

Приведенная характеристика задачи выбора рациональных технических решений при модернизации ТС дает основание отнести ее к классу задач поискового конструирования [42, 43, 49]. Множество методов решения задач поискового конструирования может быть разбито на две группы: методы перебора вариантов и методы последовательного синтеза решения.

Методы перебора вариантов из некоторого множества с выбором­ наилучшего варианта из просмотренных делятся на методы полного перебора и методы сокращенного направленного перебора­. Для реализации полного перебора необходимо, чтобы был известен полный перечень вариантов исследуемой системы. Полный перебор при выборе вариантов принципиально возможен при условии, что мощность множества невелика с точки зрения возможностей просмотра и оценки всех вариантов с приемлемыми затратами времени и ресурсов. К методам полного перебора относится, например, метод морфологического ящика [40, 41].

87

Для большинства задач выбора технических решений, к которым относится и задача выбора решений при модернизации ТС, условия применимости полного перебора не выполняются. В частности, мощность множества возможных вариантов модернизации ТС, как правило, настолько велика, что реализация идеи полного перебора вариантов приведет к неприемлемым затратам времени и ресурсов.

Большинство методов сокращенного (направленного) перебора представляет собой различные модификации комбинаторного метода ветвей и границ. Основная идея метода ветвей и границ заключается в том, что на каждом шаге поиска вместо оценки отдельного варианта оценивается группа вариантов. Если результат такой оценки отрицательный, то из дальнейшего рассмотрения исключается не один вариант, как в методах полного перебора, а целиком группа вариантов, что существенно уменьшает число шагов поиска. В других методах сокращенного перебора вместо анализа готовых вариантов исследуемой системы используются генерация варианта структуры и его анализ на каждом шаге поиска [42,43]. К методам сокращенного перебора относятся варианты развития метода морфологического ящика, предложенные в [44]. В этой работе, исходя из специфики предметной области, запрещаются определенные комбинации значений параметров. Кроме того, на каждом шаге вычисляются некоторые характеристики объекта проектирования, что позволяет сократить количество перебираемых вариантов.

Общим недостатком методов сокращенного перебора является оценка на каждом шаге варианта или группы вариантов исследуемой системы. И в этом случае мощность множества вариантов модернизации ТС является большой (хотя и меньше, чем при полном переборе), что существенно сужает круг задач, для решения которых пригодны методы сокращенного перебора. В частности, вид графов свойств и отношений исходного ТС и их расширение за счет альтернативных технических решений позволяют утверждать, что в большинстве случает мощ-

88

ность сформированного на их основе множества возможных вариантов модернизированной ТС будет настолько велика, что применение методов сокращенного перебора не приведет к выбору рационального варианта модернизации в приемлемые сроки и при приемлемых затратах.

Более перспективной по отношению к задачам с большой мощностью множества технических решений является группа методов последовательного синтеза [39, c. 64–110]. В отличие от переборных методов, где оцениваются законченные структуры, при последовательном синтезе выбор рационального технического решения заключается в постепенном включении новых элементов и связей с оценкой промежуточных решений. При этом существуют два подхода к организации последовательного синтеза.

Первый подход характерен конструированием рационального варианта исследуемой системы путем постепенного (пошагового) выбора элементов и отношений системы, начиная с элементов и отношений нижнего уровня. Такой подход используется для получения рациональных проектных решений различных технических систем, в частности, элементов ЭВМ.

Второй подход основан на последовательном исключении элементов из некоторой избыточной обобщенной структуры. Обычно обобщенная структура представляется в виде «И-ИЛИ» графа, в котором вершины «И» обозначают элементы исследуемой системы, а вершины «ИЛИ» характеризуют возможные варианты (альтернативы) соответствующего элемента. Синтез выполняется путем исключения части ребер или подграфов графа обобщенной структуры с немощью некоторых решающих правил.

Процедура выбора решений с использованием рассмотренных подходов показывает, что первый подход менее приемлем для решения задачи выбора технических решений при модернизации ТС он больше ориентирован на проектирование новых технических систем. Второй подход более универсален и может быть использован для создания логической процедуры поиска рационального­ варианта модернизации ТС

89

Глава 4 ФОРМИРОВАНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ВЫБОРА РЕШЕНИЙ

ДЛЯ МОДЕРНИЗАЦИИ ОБРАЗЦОВ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Рассмотренные в трех главах методологические аспекты модернизации образцов ТС позволяют сформировать для конкретного ТС логическую схему выбора технических решений, реализующую целенаправленный поиск рационального варианта модернизации, обеспечивающего при минимуме затрат и в заданный срок требуемый уровень качества модернизированного ТС.

В основе построения логических схем выбора технических решений при модернизации (ЛСМ) образов технических систем (ТС) лежит принцип декомпозиции исходной задачи S на логически взаимосвязанную систему подзадач Sin, где n — уровни декомпозиции ТС; i — этапы выбора технических решений для модернизации ТС. Учитывая, что каждый этап выбора технических решений

всистемном проектировании обычно представляется

ввиде шестерки формализованных элементов [45], можно считать, что задана схема H модернизации ТС, если дана восьмерка множеств

где I — множество исходных данных для выбора варианта модернизации ТС; N — требований к модернизированному ТС; M — множество моделей ТС по модернизируемому свойству; R — множество (область) возможных технических решений модернизации ТС; L — множество ограничений на выбор технических решений для модер-

90