Автоматизация процесса синтеза структур физического принципа действия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат наук Гопта, Евгений Александрович

• Гопта, Евгений Александрович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Гопта, Евгений Александрович

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТРУКТУРИРОВАННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ

1.1 Активизация процессов поискового конструирования с использованием автоматизированных систем

1.2 Генезис методов синтеза физических принципов действия технических систем

1.3 Направление совершенствования автоматизированных систем поискового конструирования

1.4 Цель и задачи работы

ГЛАВА 2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ СИНТЕЗА СТРУКТУР ФИЗИЧЕСКОГО ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ

2.1 Модификация существующей модели описания физических эффектов43

2.2 Модернизация качественных и количественных условий совместимости физических эффектов

2.2.1 Качественные условия совместимости физических эффектов

2.2.2 Количественные условия совместимости физических эффектов

2.2.3 Генерация графа переходов физических эффектов

2.3 Методики построения структур ФПД

2.3.1 Методика построения линейных структур ФПД

2.3.2 Методика построения сетевых структур ФПД

ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ

ГЛАВА 3. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА СИНТЕЗА

ФИЗИЧЕСКОГО ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ «АССИСТЕНТ»

3.1 Выбор средств реализации автоматизированной системы

«АССИСТЕНТ»

2

3.1.1 Формирование требований к программному обеспечению

3.1.2 Выбор инструментальных средств реализации автоматизированной системы

3.2 Архитектура и функциональная схема автоматизированной системы «АССИСТЕНТ»

3.3 Схема базы данных автоматизированной системы «АССИСТЕНТ»

3.4 Алгоритмические основы функционирования модуля синтеза структур

физического принципа действия

ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ

ГЛАВА 4. ТЕСТОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ВНЕДРЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ «АССИСТЕНТ»

4.1 Оценка эффективности автоматизированной системы «АССИСТЕНТ»

4.2 Внедрение автоматизированной системы «АССИСТЕНТ»

4.3 Практическое применение автоматизированной системы

«АССИСТЕНТ»

ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акт сдачи-приемки программного комплекса

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Свидетельство о государственной регистрации программы

для ЭВМ

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Методические указания к учебно-исследовательской

работе

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Акты внедрения системы

АННОТАЦИЯ

Документ представляет собой диссертацию на соискание степени кандидата технических наук по специальности 05.13.12 «Системы автоматизации проектирования (промышленность)». Работа посвящена повышению эффективности процесса синтеза структур физического принципа действия. Предлагаемые решения позволяют повысить качество синтезируемых структур физического принципа действия за счет уменьшения количества физически нереализуемых структур. В работе предложена модификация модели описания физического эффекта, модернизация качественных и количественных условий совместимости физических эффектов, а также разработаны методики построения линейных и сетевых структур физического принципа действия. Предлагаемые модели и алгоритмы реализованы в автоматизированной системе.

ABSTRACT

The paper is a PhD thesis under the specialty 05.13.12 "Computer-aided de-sign (industry)". The work is dedicated to increasing the effectiveness of the synthesis of structures of physical action principle. Proposed solutions help to improve the quality of the synthesized structures of the physical principle of operation by reducing the number of physically unrealizable structures. We propose a modification of the model description of the physical effect, upgrading the quality and quantity of physical effects compatibility conditions, and developed a technique of construction of linear and network structures of the physical principle of action. The proposed models and algorithms are implemented in an automated system.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АС - Автоматизированная Система.

БД - База Данных.

ФЭ - Физический Эффект.

ПД - Принцип Действия.

ФПД - Физический Принцип Действия.

НИОКР - Научно-Исследовательские и Опытно-Конструкторские Работы. ЭВМ - Электронно-вычислительная Машина. ТРИЗ - Теория Решения Изобретательской Задачи.

UML - (Unified Modelling Language) - унифицированный язык моделирования, используемый для создания объектных моделей информационных систем.

SQL - (Structured Query Language) - универсальный компьютерный язык, применяемый для создания, модификации и управления данными в реляционных базах данных

ЭИМЦ - Энерго-Информационная Модель Цепей.

САПРиПК - Системы Автоматизированного Проектирования и Поискового Конструирования.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация процесса синтеза структур физического принципа действия»

ВВЕДЕНИЕ

Базой любого вида деятельности становятся научно-технические достижения - результаты фундаментальных и прикладных исследований, изобретательской деятельности, опытно-конструкторских работ. В настоящее время наиболее перспективным способом получения нового знания и создание на его основе высоко конкурентного инновационного продукта является использование различных автоматизированных комплексов. При этом необходимо отметить, что решающее значение для всего процесса инновационной деятельности имеет начальная стадия проектирования и разработки будущего продукта. Несмотря на то, что этот этап занимает лишь 1% от времени разработки нового продукта (технологии), при выборе наиболее эффективного варианта технического решения можно рассчитывать на больший экономический эффект. Таким образом, внедрение автоматизированных комплексов в научно-техническую сферу способствует более заметному техническому прогрессу.

Сегодня для процесса генерации научно-технических решений характерен ряд особенностей, которые отличают текущий этап научного и информационного развития:

1) Объем накопленных знаний неуклонно растет. Так, согласно оценкам некоторых экспертов, в 2013 году на поиск информации сотрудники тратят на 13% больше времени, чем в 2002. Во многом это объясняется существенным ростом объемов знаний и информации: появились масштабные базы данных, печатные и электронные материалы стали значительно доступнее, поисковые системы предоставляют все большее количество информационных сведений. В результате на поиск информации необходимо больше времени.

2) Накопленный к настоящему времени объем знаний настолько рассредоточен в различных монографиях, научных статьях и справочниках, что возможность охвата специалистами конкретных предметных областей

7

всего спектра информации является трудоемкой. При этом каждый из источников часто уникален не только по набору содержащихся в нем данных, но и по форме представления информации.

3) Во многих случаях форма представления знаний затрудняет их непосредственное использование для решения различных задач.

4) Постоянно растут требования к качеству используемой в исследованиях и разработках информации во всех областях науки и техники.

В результате, текущий процесс генерации знаний качественно отличается от предыдущих периодов сложностью возникающих научно-технических задач и множеством способов их решения на базе последних достижений науки и техники.

В связи с этим актуальной задачей становится структурирование научных знаний в базы данных и автоматизация процесса их использования для решения конкретных научно-технических задач за счет создания специализированных автоматизированных систем. В частности, активно ведутся разработки по формированию специальных баз данных, в которых физические знания представляются особым структурированным образом в виде физических эффектов (ФЭ).

В литературе представлены различные подходы к формализации моделей описания ФЭ, созданию на их основе автоматизированных систем обработки физической информации. Значимый вклад в развитие научного направления, в рамках которого осуществляется структурирование физической информации, внесли Г.С. Альтшуллер, А.И. Половинкин, В.А. Камаев, A.M. Дворянкин, С.А. Фоменков, В.Н. Глазунов, М.Ф. Зарипов, И.Ю. Петрова, R. Koller, а также другие отечественные и зарубежные ученые.

В работе взято за основу направление исследований, проводимых на кафедре «САПР и ПК» Волгоградского государственного технического университета. В рамках данной школы была разработана обобщенная модель описании ФЭ, создан фонд ФЭ, состоящий из 1328 единиц описаний ФЭ, а также разработаны различные автоматизированные системы, среди которых

8

автоматизированная система синтеза структур физического принципа действия (ФПД).

Однако, задача синтеза структур физического принципа действия по-прежнему далека от своего полного решения. Среди наиболее актуальных проблем можно выделить следующие: задание на синтез структур ФПД ограничено только параметрами входных/выходных воздействий; существующие подходы не могут считаться эффективными и полученные на их основе технические решения являются низкого и среднего уровня, поскольку не учитывают структурные преобразования объекта ФЭ; в существующих автоматизированных системах синтеза ФПД предложены алгоритмы проверки физической реализуемости ФПД на качественном уровне, однако проверки на количественном уровне, т.е. с учетом совместимости ФЭ по диапазонам величин воздействий, не проводится; важным ограничением при использовании АС является недостаточность проработки вопроса синтеза сетевых структур ФПД.

Целью диссертационной работы является уменьшение доли ручного труда при проектировании технических решений за счет повышения эффективности синтеза структур ФПД. Под эффективностью синтеза структур ФПД будем понимать количество физически реализуемых решений.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1) исследовать методы синтеза структур ФПД в существующих автоматизированных системах поискового конструирования;

2) модифицировать модель представления ФЭ за счет увеличения количества информации, необходимой для эффективного процесса синтеза структур ФПД;

3) сформулировать качественные и количественные условия совместимости ФЭ за счет учета дополнительной информации, имеющейся в описании ФЭ;

4) разработать алгоритмы построения линейных и сетевых структур ФПД на основе модернизированных условий совместимости ФЭ;

5) реализовать предложенные алгоритмы в автоматизированной системе синтеза структур ФПД, а также проверить ее работоспособность и эффективность на ряде тестовых задач.

Объектом исследования являются структурированные физические знания и разработанные на их основе автоматизированные системы.

Предметом исследования являются методы автоматизации синтеза

ФПД.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы математического моделирования, системного анализа, нечеткой математики, теории БД, объектно-ориентированного проектирования программных систем.

Научная новизна результатов, выносимых на защиту:

1) Модифицирована модель описания ФЭ для задачи синтеза линейных и сетевых структур физических принципов действия, которая позволяет увеличить количество информации, необходимой для эффективного процесса синтеза ФПД за счет добавления к существующим параметрам воздействий ФЭ физической величины, представленной в лингвистической и числовой форме.

2) Сформулированы качественные и количественные условия совместимости ФЭ за счет учета характера изменения физической величины, структурных преобразований объекта ФЭ и значений физических величин воздействий.

3) Разработаны алгоритмы синтеза линейных и сетевых структур ФПД на основе модифицированных условий совместимости ФЭ, позволяющие уменьшить количество физически нереализуемых структур ФПД.

Обоснованность и достоверность результатов. Достоверность научных положений и результатов, приведенных в диссертационной работе,

10

обеспечивается использованием апробированных на практике методов математического моделирования, методов нечеткой математики, теории баз данных, а также подтверждается результатами проверки работоспособности и эффективности созданной системы на контрольных тестовых примерах.

Практическая значимость и внедрение. Предложенные модели и алгоритмы реализованы в автоматизированной системе «АССИСТЕНТ», выполняющей синтез структур ФПД. «АССИСТЕНТ» может использоваться инженерами и изобретателями на начальных этапах проектирования технических систем, а также внедрена на научных и промышленных предприятиях. Автоматизированная система полезна в преподавании научных дисциплин, связанных с физикой, проектированием и методами инженерного творчества, а также служит средством помощи при выполнении студентами лабораторных и курсовых работ по этим дисциплинам.

Результаты работы использовались при выполнении Государственного контракта Министерства образования и науки РФ № 16.647.11.1025 от 2011 года «Создание базы физико-технических знаний и прогнозирование на ее основе появления новых нанотехнических систем» в рамках федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2011 годы».

Автоматизированная система «АССИСТЕНТ» зарегистрирована в отраслевом фонде алгоритмов и программ ФГБУ «Федеральный институт промышленной собственности» Федеральной службы по интеллектуальной собственности РФ.

Работа по созданию автоматизированной системы «АССИСТЕНТ» выполнена при поддержке грантов РФФИ № 13-01-00302А «Интеграция формализованных способов представления, хранения и обработки структурированных физических знаний в виде физических эффектов» и № 13-07-97032 «Разработка моделей и методов для извлечения структурированных физических знаний из текстов электронных источников информации».

и

Автоматизированная система «АССИСТЕНТ» прошла апробацию и была внедрена в ЛИК № 3 ОАО «РСК «МиГ» в рамках исследовательского проекта создания новых и модернизации существующих технических решений, что подтверждается соответствующим актом внедрения. Также система была внедрена в процесс обучения студентов Волгоградского государственного технического университета по дисциплине «Концептуальное проектирование систем» (созданы методические указания к учебно-исследовательской работе «Автоматизированная система синтеза линейных структур физического принципа действия»). Автоматизированная система «АССИСТЕНТ» была внедрена в процесс обучения студентов Московского авиационного института филиала «Взлет» факультета «Радиоэлектронные и вычислительные системы летательных аппаратов» по дисциплине «Основы проектирования и моделирования радиоэлектронных систем», что отражено в соответствующем акте.

Положения, выносимые на защиту:

1) Модифицированная модель описания ФЭ для задачи синтеза линейных и сетевых структур физических принципов действия;

2) Новые качественные и количественные условия совместимости

ФЭ;

3) Алгоритмы синтеза линейных и сетевых структур ФПД;

4) Автоматизированная система синтеза структур ФПД «АССИСТЕНТ».

Апробация результатов работы. Основные положения и материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры "САПР и ПК" ВолгГТУ, а также на Международных и Всероссийских научных и научно-практических конференциях: «Городу Камышину -творческую молодежь» (Россия, г. Камышин, 2010); «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Россия, г. Камышин, 2011); «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Россия, г. Липецк, 2012); «Современные направления теоретических и прикладных

12

исследований» (Украина, г. Одесса, 2014); «Глобализация науки: проблемы и перспективы» (Россия, г. Уфа, 2014).

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 14 опубликованных работах. В том числе 4 статьи напечатаны в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ; опубликована 1 монография; получено 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

В первой главе производится обзор работ, связанных с формированием концептуальных моделей представления знаний в форме ФЭ и созданию на их основе информационных систем для автоматизированного формирования и выбора физического принципа действия.

Во второй главе модифицирована существующая модель описания ФЭ, сформулированы новые качественные и количественные условия совместимости ФЭ, алгоритмы построения структур ФПД.

В третьей главе описана разработанная автоматизированная система синтеза структур ФПД «АССИСТЕНТ», использующая в своей алгоритмической основе сформулированные модели и методы.

В четвертой главе проведены тестовые испытания и представлены примеры ее практического использования, а также выполнена апробация системы при решении практических задач.

ГЛАВА 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТРУКТУРИРОВАННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ

1.1 Активизация процессов поискового конструирования с использованием автоматизированных систем

В настоящее время перед Россией стоят амбициозные задачи -устойчивость экономического роста, достижение технологического лидерства. Реализовывать данные задачи приходится в условиях ускоренного развития научно-технических знаний, информационной открытости, геометрического роста объемов информационного обмена и конкурентной борьбы на мировом рынке.

Единственным возможным способом достижения этих целей является переход экономики на инновационную социально-ориентированную модель развития. Это означает необходимость формирования экономики знаний и инноваций [79]. Так, для России в среднесрочной перспективе стратегическими ориентирами такой экономики должны стать:

- создание и модернизация 25 млн. высокопроизводительных рабочих мест к 2020 году;

- увеличение доли продукции высокотехнологичных и наукоёмких отраслей экономики в валовом внутреннем продукте к 2018 году в 1,3 раза относительно уровня 2011 года;

- увеличение производительности труда к 2018 году в 1,5 раза относительно уровня 2011 года [76].

Таким образом, сегодня особо акцентируется внимание на формировании нового типа экономики - экономики знаний. Это означает, что базой любого вида деятельности становятся научно-технические достижения - результаты фундаментальных и прикладных исследований,

изобретательской деятельности, опытно-конструкторских работ.

14

В настоящее время наиболее перспективным способом получения нового знания и создание на его основе высоко конкурентного инновационного продукта является использование различных автоматизированных комплексов. При этом необходимо отметить, что сегодня решающее значение для всего процесса инновационной деятельности имеет начальная стадия проектирования и разработки будущего продукта. Несмотря на то, что этот этап занимает лишь 1% от времени разработки нового продукта (технологии) [15], при выборе наиболее эффективного варианта технического решения можно рассчитывать на больший экономический эффект. Так, использование автоматизированных комплексовна начальной стадии разработки нового продукта (технологии) позволяет без фактического производства подтвердить новизну изобретения, что, при условии дальнейшего патентования созданной инновации, дает значительные конкурентные преимущества новому продукту (технологии). Таким образом, внедрение автоматизированных комплексов в научно-техническую сферу является одним из важных направлений ускорения инновационной трансформации отечественной экономики и способствует более заметному техническому прогрессу.

Сегодня для процесса генерации научно-технических решений характерен ряд особенностей, которые отличают текущий этап научного и информационного развития:

1) Объем накопленных знаний неуклонно растет. Так, согласно оценкам некоторых экспертов, в 2013 году на поиск информации сотрудники тратят на 13% больше времени, чем в 2002 [99]. Во многом это объясняется существенным ростом объемов знаний и информации: появились масштабные базы данных, печатные и электронные материалы стали значительно доступнее, поисковые системы предоставляют все большее количество информационных сведений. В результате на поиск информации необходимо больше времени.

2) Накопленный к настоящему времени объем знаний настолько рассредоточен в различных монографиях, научных статьях и справочниках, что возможность охвата специалистами конкретных предметных областей всего спектра информации является трудоемкой. В частности, в среднем при решении какой-либо одной технической задачи используется свыше 13 специфических источников информации [96]. При этом каждый из источников часто уникален не только по набору содержащихся в нем данных, но и по форме представления информации. Это означает, что, несмотря на постоянный рост числа используемых материалов, часть источников с ценной информацией остается недоступной для анализа.

3) Во многих случаях форма представления знаний затрудняет их непосредственное использование для решения различных задач.

4) Постоянно растут требования к качеству используемой в исследованиях и разработках информации во всех областях науки и техники.

В результате, текущий процесс генерации знаний качественно отличается от предыдущих периодов сложностью возникающих научно-технических задач и множеством способов их решения на базе последних достижений науки и техники.

В связи с этим актуальной задачей становится структурирование научных знаний в базы данных и автоматизация процесса их использования для решения конкретных научно-технических задач за счет создания специализированных автоматизированных систем.

В частности, активно ведутся разработки по созданию специальных баз данных, в которых физические знания представляются особым структурированным образом в виде физических эффектов (ФЭ), обеспечивающих их удобное использование за счет создания автоматизированных систем обработки.

В ходе исследования были выделены следующие недостатки на начальной стадии разработки будущего продукта (технологии), которые

16

можно устранить, используя автоматизированные системы поискового кон стру ир ов ан ия:

1) Высокая стоимость исследовательской деятельности. Так, согласно оценкам некоторых экспертов, в 2013 году до 30% всех затрат на НИОКР организаций приходится на проведение дублирующих исследований [95]. В результате такого параллелизма исследовательской деятельности стоимость получаемого научно-технического результата увеличивается. Автоматизированные системы поискового конструирования, агрегируя существующую актуальную информацию по различным направлениям научных знаний, существенно упрощают поиск необходимых данных, тем самым позволяя избежать финансирования исследований, уже проведенных другими изобретателями инаучными сотрудниками, что дает возможность снизить затраты на проведение НИОКР.

2) Необходимость поиска и обработки постоянно растущего массива информации для принятия научно-технических решений. Современные крупные предприятия в среднем обрабатывают более 60 терабайт информации в год, что в 1000 раз больше, чем десятилетие назад. Более того, в большинстве организаций объем используемой информации увеличивается на 35-50% в год [95]. В результате сотрудникам становится все сложнее анализировать весь растущий массив данных, в то же время автоматизированные системы поискового конструирования справляются с этой деятельность весьма продуктивно.

3) Проблема поиска информации в связи с ее рассредоточением по различным источникам. В настоящее время до 54% всех реализуемых в организации решений принимаются в условиях неполной, противоречивой и даже недостоверной информации [108].Автоматизированные системы поискового конструирования, предполагающие структурирование научных знаний в виде физических эффектов, позволяют осуществлять поиск необходимой научно-технической информации на основе созданных баз данных, а также использовать другие методы обработки информации, тем

17

самым повышая прозрачность и аргументированность принимаемых научно-технических решений.

4) Снижение производительности труда в связи с необходимостью предварительного обучения сотрудников. В настоящее время от 1% до 2,5% общей выручки организаций теряются из-за снижения производительности труда в результате того, что временные ресурсы отвлекаются на обучение новых сотрудников [112]. Разрабатываемые на сегодняшний день варианты автоматизированных систем поискового конструирования функционируют при минимальном участии пользователя, что существенно сокращает время предварительного обучения.

5) Низкая доступность и отсутствие удобных механизмов хранения информации. Имеющаяся внутри организации информация часто не может использоваться, так как не является структурированной и разрозненно располагается в труднодоступных местах (файлах, презентациях). Так,44% организаций не имеют регламентированного механизма передачи информации между сотрудниками [95]. В итоге, складывается ситуация, когда внутри организации становится достаточно трудно найти имеющуюся информацию. Автоматизированные системы поискового конструирования обеспечивают быстрый поиск существующих материалов, что дает возможность принятия оперативных решений.

Формирование нового типа экономики - экономики знаний, где основой любого вида деятельности являются научно-технические достижения, становится объективной реальностью для всего мира. Это, в свою очередь, требует фундаментальных изменений в процессе получения научно-технического знания. Оценив возможности, которые предоставляют автоматизированные системы поискового конструирования при их использовании на начальных этапах, мы полагаем, что автоматизация научно-технической деятельности способна решить перечисленные проблемы.

Дополнительно, использование автоматизированных систем поискового конструирования на стадии решения научно-технических задач при производстве обеспечивает следующие преимущества:

- расширение объема используемых специалистами знаний;

- оптимизацию функциональных и экономических характеристик изделия;

- увеличение количества прорабатываемых вариантов производства изделия;

- сокращение сроков от начала разработки до серийного выпуска изделия;

- возможность динамического изменения управляющих параметров, приводящая к быстрой трансформации производственного процесса;

- снижение трудоемкости создания изделия за счет выбора наиболее эффективных решений при их моделировании на ЭВМ.

1.2 Генезис методов синтеза физических принципов действия технических систем

Проблемы, связанные с поиском необходимой информации в условиях постоянно растущего информационного поля и необходимостью выбора оптимального способа обработки информации актуализируют вопрос о разработке и создании специальных баз знаний в форме ФЭ [80].Хранение ФЭ в справочных различных автоматизированных систем, также значительно повышает объем активно используемых знаний при выполнении различных научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ.

Существует ряд подходов к формированию концептуальных моделей

представления знаний в форме ФЭ и созданию на их основе

информационных систем для автоматизированного формирования и выбора

19

физического принципа действия [84].При этом функциональное наполнение вариантов таких автоматизированных систем претерпевало значительные изменения в ходе исторического развития под влиянием меняющихся требований. Так можно выделить два эволюционных этапа в развитии автоматизированных систем поискового конструирования [15]:

1) разработка автоматизированных систем поискового конструирования первого поколения;

2) разработка автоматизированных систем поискового конструирования второго поколения.

Рассмотрим данные системы более подробно.

Процесс научно-исследовательской и изобретательской деятельности, являясь творческим занятием, тем не менее, использует весьма ограниченные человеческие ресурсы - личный опыт, знания и творческие способности. В связи с этим, в условиях расширения информационного поля, разработка систем, позволяющих ускорить процесс получения аналитической информации за счет выполнения человеком специальных алгоритмов и инструкций, способствовала бы стимулированию научно-исследовательской и изобретательской деятельности. В результате были разработаны автоматизированные системы поискового конструирования первого поколения.

В настоящее время на рынке программного обеспечения реализуется большое число подобных систем:

IM-Phenomenon 1.0, TechOptimizer 3.0, Goldfire Innovator 3.0 (Invention Machine Corporation, США,invention-machine.com);

Innovation WorkBench (Ideation International,

США, ideationtriz.com);

TriSolver 2.1 (TriSolver, Германия, trisolver.com);

Creax Innovation Suite 3.1 (Creax, Голландия, creax.com);

Эдисон 4.03 (Компания «Метод», Россия, method.ru).

20

Данные программные продукты используют в своей инновационной деятельности крупнейшие мировые корпорации: LG, GeneralElectric, Procter&Gamble, NASA, BMW, Boeing, Intel, Shell и т. д.

Автоматизированные системы первого поколения помогают изобретателям и научным работникам самостоятельно проанализировать техническую проблему, сформировать решение и расширить область её применения.

Алгоритмической основой всех указанных программ являются эвристические методы решения технических проблем (в основном ТРИЗ) [4, 5] в виде специальных алгоритмов, инструкций, методических рекомендаций и т.п., которые ориентированы на использование их человеком.

В ходе исследования были выявлены следующие преимущества вышеописанных систем, обеспечившие их успех:

- наличие масштабных баз знаний, содержащих множество физических эффектов и технических примеров. Так, в системе TechOptimizer используется база знаний, содержащая более 4000 физических, химических и биологических эффектов, а также более 4000 технических примеров. Автоматизированная система Goldfirelnnovator функционирует на основе постоянно обновляемой базы знаний, созданной при обработке 17 млн. патентов ведущих патентных офисов (США, Европы, Японии и др.), 9000 научных эффектов и доступа к более чем 3000 научно техническим базам знаний, расположенным в Интернете[98];

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гопта, Евгений Александрович, 2014 год

Список ФЭ

Структуры ФПД

1

Модуль генерации графа

и 1 1 Параметры ФЭ и „1

У 1 Таблица переходов ФЭ 'и 1

И

Рисунок 3.3 - Диаграмма последовательности действий в нотации иМЬ

Основным языком программирования нами был выбран VB.NET

[105], поддерживающий возможности платформы .NET Framework [104] и реализующий все основные парадигмы объектно-ориентированного подхода программирования.

В качестве среды разработки автоматизированной системы нами использовался пакет Microsoft Visual Studio 2010 [103]. Инструментарий данной оболочки содержит широкий набор функций для разработки [59, 108], тестирования [7], а также оценки эффективности реализованных функций

[106]. За счет этого нам удалось упростить процесс разработки программы.

В качестве СУБД была выбрана Microsoft SQL Server 2008 [97, 99]. Microsoft SQL Server 2008 — это система анализа и управления реляционными базами данных в решениях электронной коммерции, производственных отраслей и хранилищ данных. Платформа NET Framework содержит набор интерфейсов и методов для осуществления взаимодействия с Microsoft SQL Server. Данная СУБД реализует надежную защиту данных благодаря методам авторизации и аутентификации пользователя.

Для взаимодействия с СУБД использовалась среда Microsoft SQL Server Management Studio - интегрированная среда для доступа, настройки, администрирования, разработки всех компонентов SQL Server и управления ими [109]. В SQL Server Management Studio большое число графических средств сочетается с набором полнофункциональных редакторов скриптов для доступа разработчиков и администраторов с любым уровнем знаний к SQL Server.

Для осуществления доступа к данным использовался язык MS SQL. Этот язык используется в Microsoft SQL Server и является расширением стандартного языка SQL. Язык запросов MS SQL широко используется программистами для работы с базами данных размером от персональных таблиц до крупных баз данных масштаба предприятия [97, 110].

3.2 Архитектура и функциональная схема автоматизированной системы «АССИСТЕНТ»

В ходе исследовательской работы нами была разработана автоматизированная система синтеза ФПД «АССИСТЕНТ», использующая в своей алгоритмической основе модели и методы, сформулированные в главе 2.

Общая архитектура полученной автоматизированной системы представлена на рисунке 3.4.

Модуль администрирования БД ФЭ

Модуль генерации графа переходов ФЭ

Интерфейс АС Модуль авторизации

Модуль синтеза структур ФПД

Рисунок 3.4 - Архитектура автоматизированной системы «АССИСТЕНТ»

Архитектура программы включает четыре основных модуля, отвечающих за полноценное функционирование системы:

1) Модуль авторизации;

2) Модуль администрирования БД ФЭ;

3) Модуль генерации графа переходов ФЭ;

4) Модуль синтеза структур ФПД.

Рассмотрим данные модули более подробно.

1) Модуль авторизации.

В связи с возможностью функционирования АС через сеть Интернет (с целью роста числа пользователей) актуализируется вопрос об усилении безопасности хранения данных. В результате, наличие модуля авторизации пользователя становится важным элементом повышения безопасности использования автоматизированной системы, так как делает невозможным доступ к программе неавторизованных сотрудников и разделяет права на использование возможностей АС в зависимости от выданных авторизированным работникам прав пользователей.

К основным функциям данного модуля относятся функции авторизации пользователей в автоматизированной системе. В случае успешной авторизации пользователь, в зависимости от предоставленных ему администратором прав, может проводить необходимые операции. Если сотрудник не прошел авторизацию, все остальные модули становятся для него недоступными.

2) Модуль администрирования БД ФЭ.

Постоянно расширяющееся информационное поле и необходимость

учета растущего числа источников информации при принятии технических

решений требует от АС возможности вносить изменения пользователем в

имеющиеся базы физических эффектов для поддержания их в актуальном

состоянии. Введение в программу модуля администрирования БД ФЭ, на наш

взгляд, будет способствовать облегченному механизму их наполнения, что

повысит области и объемы применения АС. Данный модуль предоставляет

возможность пользователям автоматизированной системы «АССИСТЕНТ»

85

добавлять и редактировать выходные и входные карты существующих ФЭ, а также удалять имеющиеся в базе данных физические эффекты. После любых вносимых изменений с помощью модуля администрирования базы данных ФЭ в обязательном порядке необходимо провести итерацию модуля генерации графа переходов ФЭ, чтобы получить обновленный перечень синтезируемых ФЭ с учетом введения новых физических данных.

К основным функциям данного модуля относятся функции администрирования БД ФЭ.В частности, для добавления пользователем нового ФЭ необходимо запустить функцию «Добавление нового ФЭ». Данная функция активирует функцию «Добавления выходной карты ФЭ» (название ФЭ; описание входных и выходных параметров ФЭ; объект исследуемого ФЭ; области применения ФЭ; список литературы) и функцию «Добавления входной карты ФЭ» (входное и выходное воздействие ФЭ; описание пространственной, временной и специальной характеристик ФЭ; а также информацию о структуре и фазах объекта).

Для редактирования пользователем существующего ФЭ в БД ФЭ поочередно запускаются функции «Редактирование выходной карты ФЭ» и «Редактирование входной карты ФЭ». Результатом работы функции «Редактирование выходной карты ФЭ» является изменение текстовой информации выбранного пользователем эффекта, а результатом работы функции «Редактирование входной карты ФЭ» является изменение входных и выходных воздействий ФЭ, а также свойств его объекта.

Для удаления пользователем существующего ФЭ используется функция «Удаление существующего ФЭ», которая удаляет выбранный ФЭ из БД ФЭ.

3) Модуль генерации графа переходов ФЭ.

Данный модуль предполагает формирование графа переходов ФЭ на

основе условий совместимости, описанных в главе 2. Результатом работы

86

данного модуля является таблица, содержащая все возможные переходы из одного ФЭ в другой.

К основным функциям данного модуля относятся функции генерации графа переходов ФЭ. При генерации графа переходов ФЭ для проверки совместимости всех ФЭ в БД необходимым условием является последовательный запуск функций проверки совместимости ФЭ на качественном и на количественном уровне.

Для проверки совместимости ФЭ на качественном уровне запускается функция проверки совместимости ФЭ по воздействию. Если ФЭ совместимы по воздействию, запускается функция проверки совместимости по объекту, в состав которой входят функция проверки совместимости ФЭ по структуре объекта и функция проверки совместимости по фазам объекта (раздел 2.2.1).

Для проверки совместимости ФЭ на количественном уровне в зависимости от формы представления значений физических величин запускаются следующие функции проверки совместимости (раздел 2.2.2):

- если диапазоны физической величины представлены в числовой форме, запускается функция числовой проверки совместимости ФЭ;

- если значения физической величины представлены в лингвистической форме, запускается функция лингвистической проверки совместимости ФЭ.

Если все функции проверки совместимости завершились успешно, то ФЭ добавляются в граф переходов. В противном случае АС «АССИСТЕНТ» делает вывод о несовместимости ФЭ и переходит к следующему ФЭ для проверки совместимости с другими ФЭ.

4) Модуль синтеза структур ФПД.

Данный модуль является одним из основных модулей разработанной

нами автоматизированной системы. Результатом работы модуля является

87

построение синтезированных структур, которые непосредственно используются научными работниками и инженерами при решении научных и технических задач. Алгоритм построения модулем линейных и сетевых структур ФПД основан на разработанных нами и представленных в главе 2 моделях и методах.

На рисунке 3.5 представлена функциональная схема автоматизированной системы «АССИСТЕНТ».

Генерация структур ФПД технических систем

Авторизация

Авторизация пользователя в АС

Администрирование БД ФЭ

Добавление нового ФЭ

Добавление входной карты ФЭ

Добавление выходной карты ФЭ

Редактирование существующего ФЭ

Реда кти рова н ие входной карты ФЭ

Редактирование выходной карты ФЭ

Удаление сществующего ФЭ

Формирование графа переходов ФЭ

Проверка совместимости ФЭ на качественном уровне

Проверка совместимости ФЭ по воздействию

Проверка совместимости ФЭ по объекту

По структуре объекта

По фазам объекта

Проверка совместимости ФЭ на количественном уровне

Проверка совместимости значений физической величины (числовая форма)

Проверка совместимости значений физической величины (лингвист, форма)

Сохранение сформированного графа переходов ФЭ

Синтез структур ФПД

Формулирование входных/ выходных параметров _синтеза ФПД_

Формулирование параметров воздействий

Формулирование ограничений на синтез структур ФПД

Загрузка таблицы возможных переходов ФЭ

Построение сетевой структуры ФПД

Построение линейной структуры ФПД

Построение ПД

Сохранение ПД

Анализ линейной структуры ФПД на множественный вход

Сохранение сетевой структуры ФПД

Рисунок 3.5 - Функциональная схема автоматизированной системы

89

«АССИСТЕНТ»

3.3 Схема базы данных автоматизированной системы «АССИСТЕНТ»

В ходе работы была спроектирована и реализована схема БДФЭ, представленная на рисунке 3.6 [45].

Таблица «ФЭ» предназначена для хранения выходных карт всех имеющихся ФЭ [90]. В данной таблице хранятся: полнотекстовое название ФЭ; описание входных параметров ФЭ; описание выходных параметров ФЭ; объект исследуемого ФЭ; области, в которых может быть применен данный ФЭ; список литературы, в котором более детально изложена информация, рассматриваемого эффекта.

Таблица «Воздействие» предназначена для хранения входных карт каждого эффекта: входное и выходное воздействие ФЭ; тип входа или выхода ФЭ; описание пространственной характеристики ФЭ; описание временной характеристики ФЭ; описание специальной характеристики ФЭ; раздел физики, которой принадлежит ФЭ; единица измерения физической величины; диапазон изменения значения физической величины [70, 71].

Таблица «Структура объекта ФЭ» предназначена для хранения информации о структурных преобразованиях объекта. В таблице содержится информация о конечном и начальном состоянии объекта.

Таблица «Фаза объекта ФЭ» предназначена для хранения информации о каждой фазе объекта. В описание фазы объекта входят: номер фазы объекта физического эффекта; фазовое состояние объекта; химический состав объекта; магнитная структура объекта; электрическая проводимость объекта; механическое состояние объекта; оптическое состояние объекта; специальная характеристика [70, 71].

Воздействие

РК,РК1 РК РК РК № ФЭ Вход/Выход Внутренний

Внешний

Пространственная хар-ка Временная хар-ка Специальная хар-ка Физическая величина Раздел физики Изменение

Структура объекта ФЭ

РК,РК1 РК РК РК № ФЭ Количество Фаз

Структура Вид СТРУКТУРЫ

Вид контакта Смесь

ФЭ

РК

№ ФЭ

Заголовок ФЭ Текстовое описание ФЭ Входные параметры ФЭ Выходные параметры ФЭ Объект ФЭ Применение ФЭ Литература

Начальный ФЭ перехода

РК,РК1 Ю перехода

№ ФЭ (выход)

Конечный ФЭ перехода

РК,РК2 РК,РК1 Юперехода № ФЭ (вход)

Фаза объекта ФЭ

РК,РК1 РК № ФЭ Номер Фазы

Фазовое состояние Химический состав Магнитная структура Электрическая проводимость Механическое состояние Оптическое состояние Специальная характеристика

Рисунок 3.6 - Схема базы данных автоматизированной системы «АССИСТЕНТ»

Таблица «Начальный ФЭ перехода» предназначена для хранения всех исходных физических эффектов, из которых возможен переход одного эффекта в другой. В данной таблице содержится уникальный идентификатор перехода и номер эффекта, который является начальным при переходе из исходного ФЭ в конечный.

Таблица «Конечный ФЭ перехода» предназначена для хранения всех физических эффектов, в которые возможны переходы из начального эффекта. В этой таблице содержится уникальный идентификатор перехода и номер эффекта, который является конечным при переходе из одного ФЭ в другой.

Помимо функций администрирования данных [50, 60, 92] (добавление нового ФЭ, редактирование и/или удаление существующего ФЭ и его описания), нами были созданы конверторы, преобразующие описания уже существующих эффектов в новый, подходящий для нашей схемы базы данных, формат. Конверторы реализованы в модуле администрирования БД ФЭ и используются разработчиком по мере необходимости.

3.4 Алгоритмические основы функционирования модуля синтеза структур физического принципа действия

Задание критериев для синтеза структур физического принципа действия с указанными пользователем входными и выходными параметрами проходит в несколько этапов. На первой стадии необходимо выбрать входное воздействие физического эффекта и заполнить соответствующие качественные характеристики входа физического эффекта. Далее следует задать выходное воздействие физического эффекта и заполнить соответствующие качественные характеристики выхода физического эффекта. Затем требуется выбрать длину цепочки синтеза физического принципа действия. Длина цепочки синтеза физического принципа действия может принимать любое значение от 1 до 4. При этом длина цепочки синтеза

92

равная «1», является частным случаем поиска физических эффектов с заданными входными и выходными параметрами воздействий.

На следующем этапе задания критериев для синтеза структур физического принципа действия пользователь устанавливает ограничения на синтезируемые структуры:

- тип условий совместимости ФЭ. В зависимости от выбранного пользователем параметра (только качественные или качественные и количественные условия совместимости ФЭ) синтез структур ФПД будет осуществляться согласно выбранным условиям (раздел 2.2);

- стратегия совместимости ФЭ на количественном уровне. Если выбран параметр качественный и количественный тип условий совместимости ФЭ, то пользователь должен выбрать стратегию количественных условий совместимости ФЭ (полнота или точность синтезируемых структур). В зависимости от выбранной стратегии количество и качество синтезируемых структур будет разным (раздел 2.2.2);

- наличие одноименных воздействий. Если пользователь устанавливает параметр «Одноименные воздействия», то автоматизированная система «АССИСТЕНТ» может формировать структуры ФПД, воздействия в которых принимают одинаковые значения. Если же пользователь не устанавливает параметр «Одноименные воздействия», то автоматизированная система «АССИСТЕНТ» может формировать структуры ФПД, воздействия в которых принимают одинаковые значения;

- исключить ФЭ. Пользователь может указать некоторые ФЭ, которые не будут принимать участие в синтезе структур ФПД. Для этого необходимо выбрать параметр «Исключить ФЭ» и перечислить все ФЭ, которые не будут использоваться при синтезе структур ФПД. Будут выводиться только те структуры ФПД, в составе которых нет перечисленных ФЭ;

- использовать ФЭ. Пользователь может указать некоторые ФЭ,

которые обязательны при синтезе структур ФПД. Для этого необходимо

93

выбрать параметр «Использовать ФЭ» и перечислить все ФЭ, которые необходимо использовать при синтезе структур ФПД. Будут выводиться только те структуры ФПД, в составе которых есть указанные ФЭ;

При формировании задания на синтез структур ФПД пользователю также необходимо указать тип синтезируемых структур ФПД. Автоматизированная система «АССИСТЕНТ» различает два типа синтезируемых структур:

1) Линейная структура ФПД;

2) Сетевая структура ФПД.

Задание критериев для синтеза структур физического принципа действия изображено на рисунке 3.7.

С п

Система синтеза стр>р физического принципа действия

Рисунок 3.7 - Задание параметров синтеза структур ФПД

1) Если пользователь выбрал синтез линейных структур ФПД, то в случае успешного синтеза с заданными пользователем входными и выходными характеристиками, автоматизированная система «АССИСТЕНТ»

отобразит полученные результаты на экране в виде, представленном на

рисунке 3.8.

Система линейного синтеза структур физического принципа действия Рез\-ь~г' лт-е.мого сИ"-езз стру-ту» фгд

с # I.

Назад ло<£1иигь т^-ут^г*"

Ко ИМРС1НО

Э; е-арпиеисе юль

П/т0 V

К' личесьо ПД на 'рк/ирл г*/т/ 1

- Вхсз

Силовое (^ечаи <чр<-><ое в_ядеис"5ие)

Учзугие ^а*к~и-1есхие) вог«ы

ТЕПГЕРАТ> РА

26 Зфу-и фу!^ 1 к»*

Зчек^р ^ ес^ -й

Бьход

Рисунок 3.8 - Результат работы модуля синтеза линейных структур ФПД

2) Если пользователь выбрал синтез сетевых структур ФПД, то в случае успешного решения этой задачи, автоматизированная система «АССИСТЕНТ» отобразит полученные результаты на экране в формате, изображенном на рисунке 3.9.

■■в ■ ■

Результат «проса

О V/ 1оса|-Ю51

[о,^ Щ I

► о- *■■

Система сетевого синтеза физического принципа действия

Регупьтат сетевого синтеза

Количество путей 7 Путь №

количество ПД на главной пути 45

Потоь тепла

232

{*) Гидроразрь в горнь л '

Силовое (механическое воздействие)

ш

Закон Пуазеиля

Пото!- вещества

ш и

Разрушение горных пор ** Разрушение горнь х пор -

П^лмеьные ионно-звуковые Магнитное поле волны \

ж

(*} Влнян! е '•>'.< нитного

Путь № 6

ш

Интерференция поляри

з - По-ок вещества

£4 Триболюминесценция

Электромагнитное излучение

за

Интерференция поляри

Поток вещества

Интерференция поляри

Интенсификация процес •

Ппазпенные Плазменные ионно-звуювые ионно-явуковые

волны

волны

Плененные иснно-свуюьые есгны

1 Назад .

Рисунок 3.9 - Результат работы модуля синтеза сетевых структур ФПД

Автоматизированная система отображает общее количество путей, с помощью которых можно преобразовать заданное входное воздействие в заданное выходное воздействие, текущий путь и его номер, а также количество ПД на текущем пути.

ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ

1) На основе анализа современных тенденций программного обеспечения были сформулированы основные требования к разрабатываемой автоматизированной системе синтеза структур ФПД, а также выбраны средства реализации автоматизированной системы.

2) На этапе проектирования автоматизированной системы синтеза структур ФПД были разработаны диаграммы в нотации ИМЬ.

3) Разработана общая архитектура и функциональная структура автоматизированной системы «АССИСТЕНТ» с описанием модулей и функций системы.

4) Разработана схема базы данных автоматизированной системы «АССИСТЕНТ» с пояснением входящих в нее таблиц. Для заполнения таблиц баз данных были созданы конверторы, преобразующие представления уже существующих эффектов в новый, подходящий для предлагаемой схемы базы данных, формат.

5) Сформулированы алгоритмические основы функционирования модуля синтеза структур физического принципа действия. Представлено описание функционирования модулей синтеза линейных и сетевых структур ФПД.

ГЛАВА 4. ТЕСТОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ВНЕДРЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ «АССИСТЕНТ».

Разработана автоматизированная система синтеза структур ФПД «АССИСТЕНТ» позволяющая повысить качество синтезируемых структур за счет уменьшения количества физически нереализуемых структур. Для проверки работоспособности и эффективности автоматизированной системы «АССИСТЕНТ» проведены тестовые испытания и представлены примеры ее практического использования, а также выполнена апробация системы при решении практических задач.

4.1 Оценка эффективности автоматизированной системы «АССИСТЕНТ»

Сформулированные в данной работе модифицированные условия совместимости ФЭ (глава 2) позволяют выполнить синтез структур ФПД с учетом проверки совместимости ФЭ по характеру изменения физической величины, структурных преобразований объектов ФЭ, а также количественных условиях совместимости ФЭ. Для проверки эффективности реализованных условий совместимости ФЭ были проведены тестовые испытания автоматизированной системы «АССИСТЕНТ».

Для оценки эффективности разработанных условий совместимости ФЭ был проведен сравнительный анализ количества синтезируемых структур ФПД, полученных в результате работы автоматизированной системы «САПФИТ» и «АССИСТЕНТ». Следует отметить, что автоматизированная система «САПФИТ» не позволяет синтезировать сетевые структуры ФПД, поэтому эффективность автоматизированной системы «АССИСТЕНТ» будет осуществляться путем сравнительного анализа количества линейный структур ФПД.

Тестовые испытания заключались в запуске автоматизированных систем «САПФИТ» и «АССИСТЕНТ» с одинаковыми входными и выходными параметрами и сравнении полученных результатов. Тесты проводились 30 раз с различными заданиями на синтез структур ФПД.

В таблице 4.1 приведены результаты тестирования. Под количеством синтезируемых структур понимается среднеарифметическое количество синтезируемых структур, полученное за 30 тестов.

Таблица 4.1

Сравнительный анализ количества синтезируемых структур ФПД.

Автоматизированная система Количество синтезируемых структур ФПД, шт.

Длина цепочки синтеза = 2 Длина цепочки синтеза = 3 Длина цепочки синтеза = 4

«САПФИТ» 214 672 1640

«АССИСТЕНТ» 11 64 310

Результаты таблицы 4.1 показывают, то автоматизированная система «АССИСТЕНТ» позволяет уменьшить количество физически нереализуемых структур ФПД. В графическом виде результаты тестирования автоматизированной системы «АССИСТЕНТ» представлены на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Результаты тестирования автоматизированных систем

Рассмотрим более подробно один из примеров тестового испытания оценки эффективности автоматизированной системы «АССИСТЕНТ». Запрос на естественном языке (техническая потребность): как улучшить рабочие характеристики катодолюминесцентных источников света?

Люминесцентные источники света работают на принципе возбуждения люминофоров электронным пучком. В соответствии с этим задание на синтез физического принципа действия будет иметь следующий вид (рисунок 4.1):

вход: электрическое поле;

выход: электромагнитное излучение, видимое;

ограничения: длина цепочки = 2.

Результат работы автоматизированных систем «САПФИТ» и «АССИСТЕНТ» представлен на рисунках 4.2 и 4.3 соответственно.

C:\DOCUME-1\80BF-1W016-1

НЯИНИН'ЯИЧДЯ!

КОЛИЧЕСТВО 1ШЕ

КОЛИЧЕСТВО ПД НЙ ТЕКУЩЕМ ГШИ: 12?

_ П' X

ФЭ N

ВСЕГО 14

ФО N 103 ВСЕГО 91

вшод<

>| Электрическое поле Получение тормозного рентгеновского излучения.

> Электромагнитное излучение Полное внутреннее отражение.

>1 Электромагнитное излучение

1

ПУТЬ N

5

<Р1-НЕЬР>

Рисунок 4.2 - Результат работы автоматизированной системы «САПФИТ»

Р"' Результат запросе

«г СИ кха^юй

Система линейного синтеза структур физического принципа действия

--—__I

Результат линейного синтеза структур ФПД:

I Назад | Сохранить структуры ФПД

Количество путей :5 Путь № ?

Количество ПД на текушеи пути: 7

Электрическое поле

Поток микрочастиц

- Вход

Ю-К' Адти.пектрпннпя (полевая! »миссия м-леролнър:

Н-1Ж>1]'\ 'НЖ

Применение перодные шнотр\ оы! явгякч.я

перспективным мптерп.по*! т СП 1ЛЛ1ГИЯ ЯПТ11ЧЛ

Электромагнитное излучение

Предыдущий ФЭ | , , , , Следующий ФЭ '—- - Применение Нрхшемга^г ся в илкччмнни 'лектрш-пгке -—-

ПОЯиЛЛПО Б ЧНОЕЛ с О : ДЛНТ1Я ЛАЗСрОВ. В

Выход

Рисунок 4.3 - Результат работы автоматизированной системы

«АССИСТЕНТ» 101

Результатом работы автоматизированной системы «САПФИТ» с заданными параметрами на синтез являются 17 структур ФПД с общим количеством принципов действия - 279. Результатом работы автоматизированной системы «АССИСТЕНТ» с заданными параметрами на синтез являются 5 структур ФПД с общим количеством принципов действия - 18. Однако более детальный анализ структур ФПД, синтезируемых автоматизированной системой «САПФИТ» показал, что большинство из них являются физически нереализуемыми. Так, например, в одной из структур, полученных с помощью автоматизированной системы «САПФИТ» возможен переход из ФЭ № 2 «Искровой разряд» в ФЭ № 600 «Зависимость интенсивности рекомбинационного излучения от тока возбуждения». Анализ данного перехода из одного ФЭ в другой ФЭ показал, что объекты этих эффектов не совместимы по структуре (объект ФЭ № 2 - газ, например, аргон, неон, атмосферный газ; объект ФЭ № 600 - полупроводник). Автоматизированная система «АССИСТЕНТ», оперируя

четырехкомпонентной моделью описания ФЭ, считает такой переход невозможным с точки зрения структурного преобразования объекта и не сохраняет данную структуры как одну из возможных переходов из начального воздействия в конечное.

Дальнейшее рассмотрение структур ФПД, полученных с помощью автоматизированной системой «САПФИТ» показало, что возможен переход из ФЭ № 15 «Тлеющий разряд» в ФЭ № 728 «Инжекционный лазер». Однако исследование данного перехода позволило сделать вывод, что объекты этих эффектов не совместимы по фазе (фазовое состояние объекта ФЭ № 15 - газ; фазовое состояние объекта ФЭ № 728 - твердое тело, кристаллическое твердое тело). В связи с этим автоматизированная система «АССИСТЕНТ», использующая четырехкомпонентную модель описания ФЭ, такой переход считает физически нереализуемым и он не будет сохранен как возможная структура ФПД.

Далее, проводя анализ синтезируемых структур автоматизированной системой «САПФИТ», было выяснено, что возможен переход из ФЭ № 266 «Излучение электромагнитных волн контактом Джозефсона» в ФЭ № 381 «Сдвиг спектра Фарадеевского вращения в ферромагнитном полупроводнике под действием мощного импульсного излучения». Оценка данного перехода показала, что в эффекте № 266 физическая величина уменьшается со временем, а в эффекте № 381 - увеличивается. Так как в автоматизированной системе синтеза «АССИСТЕНТ» происходит учет характера изменения физической величины, то данный переход из одного ФЭ в другой ФЭ считается неосуществимым.

Исследование структур ФПД полученных автоматизированной системой «САПФИТ» показало, что возможен переход из ФЭ № 581 «Явление самостоятельного прямого перехода тлеющего разряда в дуговой разряд» в ФЭ № 476 «Зависимость мощности излучения газовой плазмы от силы разрядного тока». Однако сравнивая количественные значения

3 5

физических величин обоих эффектов (ФЭ № 581 — от 10 до 10 А; ФЭ № 476 - до 300А), мы сделали вывод, что эти эффекты не совместимы на количественном уровне, так как они не имеют общего интервала. Автоматизированная система «АССИСТЕНТ», оперируя количественными условиями совместимости ФЭ, считает такой переход невозможным и не сохраняет данную структуры как одну из возможных переходов из начального воздействия в конечное.

Сравнивая синтезируемые структуры, полученные в результате работы автоматизированных систем «САПФИТ» и «АССИСТЕНТ» мы пришли к выводу о том, что качество структур ФПД синтезируемых с помощью автоматизированной системы «АССИСТЕНТ» увеличилось за счет уменьшения количества физически нереализуемых структур ФПД.

4.2 Внедрение автоматизированной системы «АССИСТЕНТ»

Можно выделить следующие направления использования разработанной автоматизированной системой «АССИСТЕНТ»:

- в научно-техническом творчестве, т. е. при решении изобретательских задач (применение системы расширяет знания специалиста, позволяет сгенерировать новые идеи, использование при решении задачи нового ФПД, нетрадиционного ФЭ может привести к созданию оригинальных технических решений);

- в научно-техническом прогнозировании развития конкретного класса объектов техники, при выявлении перспективных ФПД, планировании НИР и ОКР, для проверки реализации новых ФПД;

- в системах автоматизированного проектирования: применение здесь системы синтеза ФПД как системы САПР целесообразно в случае отсутствия прототипа, удовлетворяющего требованиям технического задания и невозможности конструирования объекта на основе известных ФПД.

Также система может быть полезной в преподавании научных дисциплин, связанных с физикой, проектированием и методами инженерного творчества, и служить средством помощи при выполнении студентами лабораторных и курсовых работ по соответствующим дисциплинам.

Результаты работы использовались при выполнении

Государственного контракта Министерства образования и науки РФ №

16.647.11.1025 от 2011 года «Создание базы физико-технических знаний и

прогнозирование на ее основе появления новых нанотехнических систем» в

рамках федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры

наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2011 годы». В рамках

данной работы необходимо было повысить эффективности использования

физико-технических знаний при решении задач прогнозирования появления

новых нанотехнических систем. В процессе работы проводились

104

исследования моделей представления физических знаний в форме физических эффектов, методов извлечения информации из электронных источников и пополнения базы знаний, а также поиска, извлечения и обработки информации в базах физико-технических знаний по физическим эффектам и разработке автоматизированных систем на их основе. Степень внедрения - программный комплекс накопления, обработки и использования базы физико-технических знаний внедрен в РУДН, участнике национальной нанотехнической сети (акт сдачи-приемки программного комплекса представлен в Приложении 1).

Автоматизированная система «АССИСТЕНТ» зарегистрирована в отраслевом фонде алгоритмов и программ ФГБУ «Федеральный институт промышленной собственности» Федеральной службы по интеллектуальной собственности РФ. Выдано свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014612904 от 12 марта 2014 года [75] (свидетельство представлено в Приложении 2).

Работа по созданию автоматизированной системы «АССИСТЕНТ» выполнена при поддержке гранта РФФИ № 13-01-00302А «Интеграция формализованных способов представления, хранения и обработки структурированных физических знаний в виде физических эффектов». Целью данного исследования является фундаментальное исследование идей и методов синтеза новых технических решений, извлечения структурированных знаний из текстов, методов интеллектуального поиска информации, в результате которого предполагается разработка комплекса моделей и методов представления и обработки информации в базе знаний по физическим эффектам. Это дает возможность создавать не имеющие аналогов справочные системы, значительно повышающие объем активно используемых знаний по физике при выполнении различных научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ. Разрабатываемые методы синтеза физических принципов действия изделий и технологий позволят решать задачу прогнозирования новых технических систем.

Работа по созданию автоматизированной системы «АССИСТЕНТ» выполнена при поддержке гранда РФФИ № 13-07-97032 «Разработка моделей и методов для извлечения структурированных физических знаний из текстов электронных источников информации». Целью данного проекта является разработка моделей и методов для извлечения структурированных физических знаний из текстов электронных источников информации как русскоязычных, так и англоязычных.

В ходе разработки автоматизированной системы «АССИСТЕНТ» были созданы методические указания к учебно-исследовательской работе «Автоматизированная система синтеза линейных структур физического принципа действия» в соответствии с рабочей программой по курсу «Концептуальное проектирование систем». Методические указания содержат необходимый теоретический материал (понятие физического эффекта и физического принципа действия, алгоритм формирования линейных структур физического принципа действия), приведены варианты заданий лабораторных работ и контрольные вопросы (титульный лист методического указания представлен в Приложении 3).

Автоматизированная система «АССИСТЕНТ» прошла апробацию и была внедрена в ЛИК № 3 ОАО «РСК «МиГ» в рамках исследовательского проекта создания новых и модернизация существующих технических решений, что подтверждается соответствующим актом внедрения. Также, система была внедрена в процесс обучения студентов Волгоградского государственного технического университета по дисциплине «Концептуальное проектирование систем» и в процесс обучения студентов Московского авиационного института факультета «Радиоэлектронные и вычислительные системы летательных аппаратов» по дисциплине «Основы проектирования и моделирования радиоэлектронных систем», что отражено в соответствующем акте (акты внедрения представлены в Приложении 4).

4.3 Практическое применение автоматизированной системы «АССИСТЕНТ»

В целях тестирования разработанной нами автоматизированной системы синтеза «АССИСТЕНТ» нами была решена тестовая техническая задача: как улучшить рабочие характеристики источников рентгеновского излучения.

Полученные результаты представлены ниже.

Запрос на естественном языке (техническая потребность): как улучшить рабочие характеристики источников рентгеновского излучения?

Источники рентгеновского излучения работают на принципе торможения электронов при взаимодействии с атомами металлической мишени. В соответствии с этим задание на синтез физического принципа действия будет иметь следующий вид (рисунок 4.4): вход: электрическое поле;

выход: электромагнитное излучение, рентгеновское; ограничения: длина цепочки = 2.

С А 1оса1Ь-Ы в • '

Система синтеза структур физического принципа действия

Синтез структур ФПД ^на гпэ&ную

_С '5''' Кг-с I •

_ С—Ж С —" 1С

^ "St.-i.ii- I -Ч-Л. й,.«!-- Ф и Ьи.'КЧКа

ВыОернтз параметр * Выверите параметр Выверит« параметр V Вьбарите параметр

- г <• .-.¿I

1-3.-1, (Т.»1 113.4 -ГС.Ч с

^ ' г г « у•"Ч'- ' и "и а г«. £ —'»ч -уе-ч-га» ь - «'•чн** Фл уз-ад

Выберите параме р V Выберите параметр «г рентгеновское ^ Вьварите параметр

Рисунок 4.4 - Задание на синтез автоматизированной системы

«АССИСТЕНТ»

107

Из синтезированных цепочек отобран вариант, изображенный на

рисунке 4.5.

Рв5упывт мпсоса

С Л localhost

Система линейного синтеза структур физического принципа

действия ...................................—.............................................................................................'

Результат линеиного синтеза структур ФПД:

(НазааЗ Сохранить структуры ФПД j

Количество путей :3 Путь №

Количество ПД на текущем пути: 9

Электрическое поле

Вход

Поток микрочастиц

Предьдущии ФЭ i

Прш!снснц< л !V ди>.,1'- H-SHWIp) ч.И V 'l/üv ;ж

нсрспе! ШШГЬШ М Hq E'-fiíU Д Г? tet ДИИ1Л ТТ s»1

ч*

Электромагнитное излучение

JTOpMO ТНОГЛ 1'ентгенпж.ког" 1Ш1\~ЧСННЯ

lípliMtHCHJIt Пр ЕН1ППТ I'.í¡I ¡ b!l¿ pCHITCHOBcK f\ TpVUOb

[ Следующий ФЭ |

Выход

Рисунок 4.5 - Вариант цепочки ФЭ, синтезированный по заданию к системе

«АССИСТЕНТ»

Описание структуры ФПД: замена обычных термоионных катодов на холодные полевые эмиттеры позволяет получать достаточно высокий ток эмиссии при комнатной температуре и ускоряющем напряжении на уровне нескольких десятков киловольт (см. ниже выходную карту ФЭ№ 1049). Такая замена приводит к существенному увеличению срока службы катодов, уменьшению их габаритных и весовых показателей, что означает существенное снижение стоимости прибора.

Результат принятого технического решения: использование катодов на основе УНТ открывает возможность получения остро фокусированных источников рентгеновского излучения, недостижимую при использовании термоионных катодов. Быстрое время установления и выключения эмиссионного тока также является важным преимуществом катодов на

основе УНТ. Эта особенность позволяет создавать программируемые во времени источники рентгеновского излучения с временным разрешением на уровне наносекунд, что открывает новые возможности для медицинских и технологических приложений приборов описанного типа.

Выходная карта ФЭ № 1049.

Название ФЭ: автоэлектронная (полевая) эмиссия углеродных нанотрубок

Вход: электрическое поле; переменное (импульсное); напряжение (В); порядка 1 кВ;увеличение.

Выход: поток микрочастиц; электроны; плотность потока частиц (с-1 *м-2); увеличение.

Объект: индивидуальные углеродные нанотрубки (УНТ) или массив вертикально ориентированных УНТ на подложке (кремний, медь, нержавеющая сталь и др.). Углеродные нанотрубки представляют собой протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких микрометров, которые состоят из одного или нескольких гексогональных графитовых слоев, свернутых в трубку. Обычно нанотрубка заканчивается полусферическим наконечником, который может рассматриваться как половина молекулы фуллерена.

Сущность: автоэлектронная эмиссия (холодная полевая) - испускание электронов проводящими телами под действием внешнего электрического поля. Явление холодной полевой эмиссии основано на эффекте квантового туннелирования электронов, находящихся внутри проводника, через барьер, формируемый ионной решеткой проводника и внешним электрическим полем. Результаты многочисленных экспериментов показывают, что эмиссионные свойства индивидуальных УНТ достаточно хорошо описываются формулой Фаулера-Нордтейма (ФН):

1=С1*Е2*ехр(-С2/Е), где (4.1)

109

] - плотность тока эмиссии;

Е - напряженность электрического поля;

С1 и С2 - параметры, выражающиеся через работу выхода электронов рассматриваемого проводника и мировые постоянные (заряд и масса электрона, постоянная Планка).

На эмиссионные характеристики влияют дефекты, нарушающие структуру УНТ, а также адсорбаты (сорбированные на поверхности нанотрубки молекулы и радикалы). Максимально достижимый ток эмиссии индивидуальной УНТ ограничен тепловыми эффектами и составляет порядка 1 мкА. Превышение этого порога вызывает неограниченный нагрев эмиттера, сопровождаемый его термическим разрушением. Наиболее важной особенностью УНТ с точки зрения их эмиссионных свойств является их высокое аспектное отношение (отношение длины (высоты) к диаметру). Благодаря этой особенности величина напряженности электрического поля вблизи наконечника индивидуальной УНТ во много раз превышает среднее значение напряженности, определяемого как отношение приложенного напряжения к расстоянию между наконечником нанотрубки и анодом. Способность эмиттера к усилению электрического поля характеризуется коэффициентом полевого усиления. Поскольку аспектное отношение для УНТ может достигать значений порядка 103 и выше, полевая эмиссия нанотрубок наблюдается при гораздо более низких приложенных напряжениях, чем в случае традиционных холодных полевых эмиттеров.

Эмиссионные характеристики массива УНТ сочетают в себе вольтамперные характеристики индивидуальных УНТ, однако могут существенно отличаться от зависимости ФН. Помимо этого, электрическое поле в окрестности индивидуальной УНТ, входящей в состав массива, может существенно искажаться из-за экранируещего воздействия окружающих соседей. В результате такого воздействия коэффициент усиления нанотрубки должен зависеть не только от её аспектного отношения и межэлектродного

расстояния, но также от геометрии и плотности УНТ в массиве.

110

Максимальная плотность тока эмиссии (порядка нескольких А/см2) достигается при среднем расстоянии между нанотрубками порядка высота индивидуальных УНТ, составляющих массив.

Применение: углеродные нанотрубки являются перспективным материалом для создания автоэлектронных эмиттеров в холодных катодах. Катоды на основе УНТ позволяют существенно улучшить рабочие характеристики таких приборов как плоские мониторы, катодолюминесцентные источники света, рентгеновские трубки и т.п. Электронные приборы с катодами на основе УНТ отличаются высокой степенью временной стабильности, пониженными габаритом и весом, а также пониженным уровнем потребления энергии.

Литература:

1) Елецкий А. В. Холодные полевые эмиттеры на основе углеродных нанотрубок. //УФН, 2010, т. 180, №9, с. 897-930.

2) Суздалев И. П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. - М.: Ком. Книга, 2006. - 592 с.

3) Пул Ч., Оуэне Ф. Нанотехнологии. - М.: Техносфера, 2005. - 336

е..

Выходная карта ФЭ № 52.

Название ФЭ: получение тормозного рентгеновского излучения

Вход 1: поток электронов; кинетическая энергия частицы (Дж).

Вход 2: электрическое поле; постоянное; разность потенциалов (В).

Выход: электромагнитное излучение; рентгеновское (сплошной спектр); длина волны (м); длина волны равна и больше коротковолновой границы спектра.

Объект: металл.

Сущность: электромагнитное излучение сплошного спектра в рентгеновском диапазоне, испускаемое быстрыми заряженными частицами (электронами), в результате их торможения при взаимодействии с атомами

ill

металлической мишени. Интенсивность излучения распределена по всем длинам волн до некоторой коротковолновой границы, на которой энергия рентгеновского фото на равна энергии бомбардирующих электронов.

Применение: принцип действия рентгеновских трубок.

Литература:

1.Уманский Я.С. Рентгенография металлов и полупроводников.-М. Металлургия, 1969.-496с.

2.Косолапов Г.Ф. Рентгенография.-М.:Высшая школа,1962.332с.

3.Гинье А. Рентгенография кристаллов. Теория и практика Пер.с фр.-М.:Изд.Физико-математической литературы, 1961.-604с

4.Физический энциклопедический словарь.-М.-.Советская энциклопедия, 1983.-928с. Отчет ВолгПИ, 1984 г.

ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ

В данной главе представлены результаты тестовых испытаний и практического применения разработанной автоматизированной системы синтеза структур ФПД, а также выполнена апробация системы при решении практических задач.

Проведенный сравнительный анализ количества синтезируемых структур ФПД, полученных в результате работы автоматизированной системы «САПФИТ» и «АССИСТЕНТ» позволили сделать вывод, что качество синтезируемых структур, полученных с помощью автоматизированной системой «АССИСТЕНТ» увеличилось, за счет уменьшения количества физически нереализуемых структур ФПД.

Результаты работы использовались при выполнении Государственного контракта Министерства образования и науки РФ № 16.647.11.1025 от 2011 года «Создание базы физико-технических знаний и прогнозирование на ее основе появления новых нанотехнических систем» в рамках федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2011 годы».

Автоматизированная система «АССИСТЕНТ» зарегистрирована в отраслевом фонде алгоритмов и программ ФГБУ «Федеральный институт промышленной собственности» Федеральной службы по интеллектуальной собственности РФ.

Автоматизированная система «АССИСТЕНТ» была выполнена при поддержке грантов РФФИ № 13-01-00302А «Интеграция формализованных способов представления, хранения и обработки структурированных физических знаний в виде физических эффектов» и № 13-07-97032 «Разработка моделей и методов для извлечения структурированных физических знаний из текстов электронных источников информации».

Автоматизированная система «АССИСТЕНТ» прошла апробацию и была внедрена в ЛИК № 3 ОАО «РСК «МиГ» в рамках исследовательского проекта создания новых и модернизация существующих технических решений. Также система была внедрена в процесс обучения студентов Волгоградского государственного технического университета по дисциплине «Концептуальное проектирование систем» и Московского авиационного института филиала «Взлет» факультета «Радиоэлектронные и вычислительные системы летательных аппаратов» по дисциплине «Основы проектирования и моделирования радиоэлектронных систем».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ