Разработка системной модели технического объекта

УДК 517.4
Д.В. Багаев
РАЗРАБОТКА СИСТЕМНОЙ МОДЕЛИ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА
Важным классом задач, решаемых в информационных системах являются задачи
принятия решения. Методы и технологии на основаниях, которых решаются такие задачи
целесообразно применять для сложных технических систем. В таких системах обмен
информацией происходит на семантическом уровне.
Для организации информационного обмена между различными классами сложной
технической системы необходимо рассмотреть разработку информационной модели (ИМ)
технической системы. Процесс разработки ИМ состоит в получении системной модели
технического объекта (ТО) всесторонне вскрывающей все необходимые для
качественного проектирования аспекты. При разработке модели представим ТО в виде
двухуровневой системы включающей описание, анализ и синтез и состоящий из:
 системной модели, описывающей объект проектирования;
 системной модели, состоящей из необходимой информации для процесса
проектирования ТО.
Системная модель описания ОП как объекта включает структурно-параметрическое
(статическое –  ) и функциональное (динамическое – Ф) описания (рис. 1). Связь этих
описаний представляет собой однозначное соответствие f:   Ф .
Двухуровневую системную модель для описания ТО можно представить в виде
следующих соотношений:
{k Li , k = 0, 1; i = 1, nk };
 k i k k k * k k k k k k k k i
{  =< I, F, TO , A, G, U П, Z, C , W, Q > ,

TО П  
k = 0, 1; i = 1, nk };
 k i k
k
k+1
i
k
k
ф
k+1
ф k
{ Ф =< Wвх , Wвых , { Ф }, S ф , Z , { Z i } Z ф ,
 k Z , k R, T >i , k = 0, 1; i = 1, n }.
 0
k
(1)
где L – множество целей проектирования (ФМ) на k-ом иерархическом уровне; k = 0, 1 –
соответственно нулевой или первый уровни членения, представляющие ТО, как целое или
на уровне ее функциональных модулей (ФМ); i – 1-й ФМ, входящий в состав ОП на
первом уровне членения; nk – число ФМ на данном уровне членения (при k = 0 – nk = 1);
*
I – множество имен ФМ; F – множество функций ФМ; TO – множество известных ТО
на k-ом уровне членения ТО; A – множество абстрактных функциональных элементов;
G – множество геометрических элементов, однозначно соответствующих абстрактным;
U – множество отношений между элементами (следования, совместимости, включения и
т.д.); П – множество признаков, описывающих компоненты системной модели на
качественном уровне; Z – множество свойств; С – множество отношений связи ОП (ФМ) с
окружением; W – множество соответствий, определяющих уравнения проектирования,
конструирования и функционирования; Q – множество соответствий, оценивающих
эффективность проектируемого объекта; Wвх – входные действия окружения на ОП (ФМ);
Wвых – выходные действия системы (ФМ) на окружение; G – оператор выходов; S ф –
ф
структура процесса функционирования объекта; Z – множество свойств, характерных
k+1
ф
для процессов функционирования; { Z i } – множество состояний технических
1
подсистем; Z 0 – множество свойств окружающей среды эксплуатации; R – множество
условий существования и прекращения процесса; Т – время.
0 - й уровень
0
C
множество связей 0 - го уровня
АПГМ множество имен 0 - го уровня – 0 I
статическое описание 0 - го уровня - 0 
СТРУКТУРНОЕ
ОПИСАНИЕ
ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ
ОПИСАНИЕ
динамическое описание 0 - го уровня -
0
Ф
1 - й уровень
0
I
множество связей 1 - го уровня
1
1
I
Wвх
1
1
Cj
1
1
0
Ci
i
i
W iвх
1
1
1
Ôi
W iвых
1
W jвх
Ij
j
0
1
Фj
1
W
Wвых
j
вых
Рис. 1. Двухуровневая системная модель ОП
Перейти к формализации установленных отношений, используя широко известный
аппарат математического анализа, дискретной математики и математической логики, для
проведения структурно-параметрического синтеза конструкции ТО. Методика этого
процесса основана на детальном раскрытии и наполнении конкретным содержанием всех
компонентов системной модели, а также трансформации ее на этой основе в
соответствующую (в зависимости от поставленных целей) концептуальную модель ТО.
Фунции ТО
Основным компонентом, являющимся ядром системной модели ТО и
характеризующим назначение технического объекта любого уровня иерархии, является
выполняемая ТО функция.
Понятие функции F объекта определяется, как потребительская – Fп и техническая –
FT функции ТО. Потребительская функция Fп – это производимое ТО действие,
приводящее к реализации интересующей человека потребности, т.е. назначение ТО.
2
Техническая функция FT – описывает внутрисистемные действия между элементами ТО,
приводящие к реализации его потребительской функции Fï путем преобразования
некоторого входного воздействия, т.е. однозначно описывается в виде оператора выходов:
ф
FT : T  Z  Wвх  Wвых .
Описание потребительской функции любого ТО, можно представить в виде четверки
множеств следующего вида:
Fп =< D, X, H, f П > ,
(2)
где D – множество действий, производимых и приводящих к желаемому результату; X –
множество объектов (операндов), на которые эти действия направлены; H – множество
особых условий и ограничений выполняемых действий; f П – множество
функциональных признаков, позволяющих конкретизировать и иерархически
структурировать описание функции (ФМ).
Практически на всех уровнях функциональной конкретизации ТО используются
следующие множества инвариантных признаков П d , П x , П h :
П d = {способ действия, место действия, степень действия, характер действия, режим
действия};
П x = {тип операнда, вид операнда, состояние операнда};
П h = {вид среды, температура среды, характеристика среды}.
Вводя
другие
значения
признаков
из
признакового
пространства
П d × П x × П h получают все множество конкретных описаний абстрактной функции, а
также множество соответствующих им ТО. Таким образом, можно генерировать
пространство возможных функциональных описаний ТО и анализировать соответствие
качественных описаний существующих ТО их виду.
Подобное разбиение признаками базовых рабочих функций позволяет сформировать
иерархическое дерево функций ТО, как необходимого средства для поиска и анализа
технических решений. Графически дерево функций представляет собой двудольный граф,
имеющий в своем составе вершины двух типов: вершины “И”, описывающие отношения
включения множества функций более низкого уровня в описание соответствующей
функции надуровня, а также вершины “ИЛИ”, характеризующие варианты
конкретизированного описания функции текущего уровня, например дерево для
гидравлического объекта (рис. 2).
В результате анализа различных ТО были выявлены следующие множества действий:
D = <удалять; сообщать; содержать; измерять; передавать; улавливать;
обеспечивать>;
X и H зависят от той области к которой относится рассматриваемый ТО.
Таким образом, формируется база знаний необходимая для качественной оценки
признаков технической системы.
Структура ТО. Процесс проектирования ТО на начальных стадиях формально
представляет собой создание, поиск и преобразование различных аспектов структур ТО. В
связи с этим актуальной является задача определения полного множества структур
различного вида на каждом уровне иерархии ТО, необходимого и достаточного для
отображения синтеза ТО как процесса поиска и выбора структуры, обладающей
качественной определенностью (функцией) и требуемым набором значений свойств.
В общем случае структуру ТО на верхних уровнях иерархического членения можно
описать следующим множеством видов структур:
3
*
S = < S ,U S >
где S – множество структур модулей ТО (структурных единиц); U S – множество
отношений связи (временных и/или пространственных).
*
КЛАССИФИКАЦИЯ ГИДРОМАШИН
Гидромашины
Роторные
Нероторные
с приводом
цилиндрового
блока
через
внутренний
вал
с двойным
несиловым
карданом
бескарданный с
шатунным
приводом
с приводом
через
внутренний вал
с наружным
приводом
с наружным
приводом
шатунный
механизм
распределительный
диск
плоский
сферический
блок
цилиндров
поршень
плунжер
вал
карданный
механизм
линзовый
Примечание: роторные - блок цилиндров вращается;
нероторные - блок цилиндров неподвижен
-И
- ИЛИ
Рис.2. Дерево графов ТО И-ИЛИ
Выделяют семь аспектов описания S :
*
*
S =< S d , Sф , S а , S м , Sв , S п , S г >
(3)
где S d – структура действий; S ф – структура функций; S а – абстрактная структура;
S м – морфологическая; S в – вариантная структура; Sп – пространственная структура;
S г – геометрическая структура.
Признаковое описание структурных элементов ТО, а также множество отношений
между этими элементами определяют конкретный вид структуры ТО, каждую из которых
можно представить следующим обобщенным выражением:
n
n
n
 × x × e (Λ PQ ( x, yi ) V PR ( yi , y j ))  e× μ ( PS ( x, μ )) ,
i=1 i=1
i=1
j=i+1
где PQ – предикат, означающий, что объект ”состоит из множества элементов
{yi , i = 1,n } ; PR – предикат, означающий, что между элементами yi и y j существует
отношение, имеющее в различных видах структур разную сущность; PS – предикат,
означающий, что объект ”имеет структуру S, описываемую матрицей смежности “  ”.
4
Таким образом, начальные стадии проектирования ТО подразумевают
последовательный синтез и преобразование структур S, т.е. конкретизацию
концептуальной модели.
Структура действий состоит из множества выполняемых ТО или откачным модулем
действий и отношений следования U d , указывающих на порядок действий. Структура S d
строится в том случае, когда конструктора не удовлетворяют известные функциональные
структуры и он ищет новые S ф .
Функциональная структура S ф может быть представлена в виде Sф =< F,U ф > , где F
– множество рабочих функций ТО; U ф – множество отношений следования S ф .
Абстрактная структура Sa =< A, U a > имеет множество взаимосвязанных родовых
элементов, исполняющих функции {Fi } , а также множество отношений связи U a .
Структура Sa является основой для построения морфологической структуры S м ТО,
которую, как отмечалось выше, на начальных этапах проектирования необходимо и
достаточно представить в виде двухуровнего дерева. Морфологическая структура
S м =< A B, U1 U 2 > имеет два подмножества вершин: A={Ai } – типы ФМ (вершины
“И”) и B ={Bi } – множество вариантов технического исполнения типов Ai (вершины
“ИЛИ”), а также два подмножества отношений: U 1 – отношения включения между
элементами Ai ; U 2 – родовидовые отношения между элементами множеств A и B.
Замена в структуре Sa на основе сформированного S м абстрактных элементов Ai
конкретными вариантами их исполнения B j образует вариантную структуру Sв = ( В, U в ) ,
где U в – конкретные отношения соединения между вариантами исполнения B j (в отличие
от абстрактных отношений связи U d , U ф , U a , U м .
Отличие структур S в и Sa состоит в том, что элементы S в имеют конкретные имена
вместо абстрактных в Sa , абстрактные отношения связи заменены на конкретные
отношения соединения.
Пространственная структура Sп представляет собой развитие вариантной структуры
S в , отражающая компоновку ТО в пространстве:
п
S п =< В,U > ,
где
п
U = 1U
п
2
U
п
3
U
п
–
множество
пространственных
отношений, представляющее собой объединение отношений трехтипов: взаимного
п
расположения 1U , принадлежности 2 U
п
п
и направления (ориентации) 3U .
Эти отношения имеют следующие множества значений:
U
п
1
= {параллельное, соосное, перпендикулярное, симметричное, сверху, снизу,
справа, слева, спереди, сзади};
2
3
U
U
п
= {внутреннее, внешнее};
п
= {по l x , по l y , по l z , против l x , против l y , против l z },
где l x , l y , l z – оси декартовых координат.
5
Таким образом, исходя из весьма абстрактных описаний структуры ТО получено ее
конкретное описание в виде некоторой понятийной (семантической) модели, в которой
каждый структурный элемент и отношения имеют конкретные имена в терминах,
понятных разработчику технического объекта (рис. 3).
Свойства и признаки ТО. Важным этапом построения концептуальной модели ТО
как объекта проектирования [1] является определение свойств Z. Свойства ТО
характеризуются параметрами и признаками z П , а также их значениями. Причем
значение признака – это качественная характеристика свойства объекта, в то время как
значение параметра имеет количественное выражение.
1
Формирование ТЗ на ТО
СИНТЕЗ ТО
нет
2
4
Анализ
возможности
коррекции
да
Поиск аналога
ТО
3
Поиск оптимального
варианта аналога
нет
6
да
Поиск
прототипа
>1
5
Коррекция ТЗ
7
Выбор оптимального
варианта прототипа
=1
8
Формирование потребительской
цели проектирования
9
Формирование алгоритма
функционирования
ЦИКЛ ПО S*
10
Синтез структуры действий Sd
11
Синтез функциональной структуры
Sф
12
Синтез абстрактной структуры Sа
13
Синтез вариантной структуры Sв
нет
нет
15
Отсутствие
недопустимых Sв
14
Множество
Sв пусто
да
да
16
Моделирование
Рис. 3. Алгоритм синтеза структуры
На основании того, что свойства ТО проявляются при ее взаимодействии с
окружением, возникает необходимость конкретизации свойств ТО путем анализа состава
окружения, т.е. всего не принадлежащего ТО множества технических систем, но
связанного с ней оказывающего на нее существенное влияние.
Окружение ТО описывается следующим набором компонент:
6
k
k
k
k
O =< O1 ,..., Oi ,..., On > ,
где соответственно: k – рассматриваемый уровень иерархического членения ТО;
управляющие объекты (человек, робот, ЭВМ);
существования ТО;
k
k
k
k
O1 –
O2 – эксплуатация на всех стадиях
O3 – взаимодействующие (сопряженные) ТО;
O5 – технологический процесс, которому способствует ТО;
посредством технологического процесса в ТО изделие;
k
k
k
O4 – производство;
O6 – изготавливаемое
O7 – источник энергии;
k
O8 –
k
режимы функционирования; O9 – окружающая среда эксплуатации.
k
Взаимодействие ТО с окружением порождает множество связей C , определяющих в
свою очередь то или иное свойство ТО:
k
9
C=
9
i 1
k
ТO  O ;
i
k
k
C = { Ci , i = 1,n} .
Описание свойств ТО любого уровня иерархии представляет собой множество троек
вида:
i
i
i
i
i
– имя свойства Z ; P  {Pj } ,
Z = ( I , P , z П ) , i = 1,n
где n – общее число свойств ТО; I
i
i
i
zП
i
= {z П j} –
i
множества параметров и признаков, характеризующих свойство Z .
С точки зрения проектирования наиболее важным является признак “класс”,
отражающий взаимодействия ТО с окружением, в которых проявляется рассматриваемое
свойство. Разбиение свойств данным признаком позволяет сгруппировать их по
следующим основным классам: функциональные, эксплуатационные, производственные и
0
0
0
0
конструктивные свойства ТО ( f Z, h Z, p Z, k Z соответственно).
0
Основными функциональными свойствами f Z ТО являются: производительность,
быстродействие.
Основными свойствами
0
Z
h
ТО являются: надежность, ремонтопригодность,
сохраняемость и эргономичность.
Производственные
свойства
0
Z
p
ТО
проявляются
во
взаимодействии
с
производством. С точки зрения конструирования к ним относятся технические и
экономические
свойства,
основными
из
которых
являются
трудоемкость,
материалоемкость, энергоемкость.
0
Конструктивные свойства k Z ТО проявляются при взаимодействии структурных
составляющих ТО и во многом определяются конструктором.
7
0
Свойства ТО ( Z ) определяются свойствами ее структурных составляющих (ФМ)
1
первого уровня членения ( Z ), во многом отличающимися от свойств, присущих ТО в
целом, что обусловлено изменением состава окружения ФМi по сравнению с ТО. При
этом свойства ФМi ТО описываются аналогичным образом:
1 i
1 i 1 i 1 i 1 i
Z =< f Z , h Z , p Z , k Z > ,
1 i 1 i 1 i 1 i
1 i
где Z – множество свойств i - го ФМ; f Z , h Z , p Z , k Z – соответственно множества
функциональных, эксплуатационных, производственных и конструктивных свойств i-го
ФМ; i = 1, n – индекс принадлежности соответствующему ФМ ТО.
Цели проектирования ТО. Важной системной характеристикой, описывающей
процесс проектирования ТО, является цель проектирования (компонент L в выражении.
Желаемое целевое состояние ТО, которым должна обладать синтезируемая
конструкция, задается техническими требованиями в ТЗ. Однако самой цели как
движущей силы процесса конструирования ТО в ТЗ не содержится, т.к. среди
существующих конструктивных воплощений ТО.
Конкретную конструкцию, реализующую заданную функцию F и имеющую
фиксированную структуру S, опишем определенным набором параметров:
Tk =< I,P,h >k ,
где I – множество имен свойств ТО; P – множество параметров свойств ТО; h –множество
значений параметров свойств ТО; k = 1, n – номер рассматриваемой конструкции; n –
число существующих конструкций ТО.
ТЗ, в свою очередь, есть ни что иное, как подобное описание требуемой конструкции:
*
*
*
TЗ =< I ,P ,h > ,
*
*
*
где I ,P ,h – соответственно требуемые имена свойств ТО, параметры свойств и их
значения.
Поиск аналогов осуществляется сравнением характеристик свойств выражения для
*
различных ”с соответствующими значениям выражения. Эквивалентность имен ( I k и I ) и
*
*
параметров свойств ( P и P ), а также выполнение условия hk  h (  – отношение “не
k
хуже”) означает, что конструкция под номером k является аналогом для данного ТЗ. В
противном случае, когда ни одна из известных конструкций ТО не удовлетворяет ТЗ по
одному или нескольким параметрам свойств, можно говорить о возникновении
потребительских целей проектирования, как необходимости изменения значений
параметров ТО или ее структурных составляющих, которые в общем случае представимы
в виде:
L1  T,И  ,
где T – множество параметров ТО, не удовлетворяющих требованиям ТЗ; И – множество
отношений типа “изменить”. Рассматриваемая исходная конструкция в данном случае
является прототипом.
8
Наличие взаимосвязей свойств ТО со свойствами ее структурных составляющих
обуславливает возможность достижения требуемых значений параметров ТО за счет
изменения свойств ее ФМ, приводящего к изменению структуры ТО, и определяет
проектную цель в виде:
L2  S,И  .
Анализ литературных источников, отражающих случаи конкретного проектирования
ТО, позволил выделить основные компоненты множества И: И1 – “уменьшить
(понизить)”; И 2 – “увеличить (повысить)”; И 3 – “расширить”; И 4 – “создать”;
И – “изменить”.
5
Цель проектирования L, сформулированная на основе требований ТЗ как
0
необходимость изменения соответствующих параметров свойств ( Z ) выбранной
конструкции-прототипа ТО, позволяет на базе связей параметров свойств сформировать
дерево целей
Таким образом, отношения между подцелью и головной целью порождают
множество функций, способствующих ее реализации, и позволяя сформировать
уточненную S ф , являются основой получения оригинальных проектных решений.
1
Формирование цели проектирования
А
Б
В
Г
3
2
Синтез объектов
Анализ и выбор
объектов
Д
4
Д
Моделирование
Ж
5
З
И
Оптимизация
К
14/15
СУБЗ / СУБД
16
Метазнания о
процессе
проектирования
i
17
База знаний экспертного
сопровождения
проектных процедур
18
Ба
База данных
- функции системы управления
Рис. 4. Информационные взаимосвязи подсистем при синтезе и анализе
9
Заключение:
1. На основе системного подхода к анализу ТО с позиций решаемых задач
разработаны инвариантные относительно введенных уровней членения системные модели
ТО как объекта конструирования и проектирования, являющиеся основой создания
методики извлечения знаний, синтеза и моделирования ТО.
2. Сформировано множество базовых и вспомогательных функций ТО, отмечена
необходимость функционального анализа для эволюции ТО. Рассмотрена взаимосвязь
функции и структуры ТО, определено множество структур ТО, необходимое и
достаточное для отображения процесса функционального и схемотехнического
проектирования.
3. Исследованы взаимосвязи ТО и ее структурных составляющих с окружением и
произведена структуризация выявленных свойств. На основе исследования взаимосвязей
параметров свойств ТО и ее структурных составляющих сформированы соответствующие
таблицы связей.
4. Введено понятие цели проектирования ТО и показана связь целей
проектирования с генерацией вспомогательных функций и структурой ТО, определена
структура дерева целей проектирования ТО.
5. На основе системной модели ТО разработана концептуальная модель знаний ТО,
которая представляет собой фреймовую организацию предложенной структурированной
информации о ТО, позволяющую подсистеме экспертной поддержки эффективно
формировать и манипулировать знаниями конструктора данной предметной области.
6. Проведенный системный анализ ТО позволяет перейти к разработке методик и
формализации основных этапов функционального и схемотехнического проектирования
ТО рис. 4.
ЛИТЕРАТУРА
1. Арменский Е.В., Львов Б.Г., Митрофанов С.А. Стратегия построения концептуальной модели
технического объекта: Сб. науч. трудов. – М., 1989.
10