Разработка САПР вакуумных систем на начальных этапах проектирования

Скачать работу - Разработка САПР вакуумных систем на начальных этапах проектирования

Широкое внедрение новых вакуумных технологий в различные отрасли промышленности предъявило к вакуумному оборудованию (ВО) разнообразный диапазон требований, который непрерывно расширяется и ужесточается.

Наряду с этим существенное повышение сложности ВО, значительный рост объемов научно-технической информации ставят конструктора в ситуацию, когда он становится не в состоянии традиционными методами прорабатывать конструкции с учетом последних достижений технического прогресса, что в конечном итоге приводит к несоответствию принимаемых им проектных решений уровню лучших мировых образцов. Эти противоречивые факторы заставляют применять новые методы и средства труда конструктора, позволяющие повысить не только производительность труда разработчика, но и качество принимаемых проектных решений.

Наиболее перспективным выходом из рассматриваемой ситуации представляется автоматизация процесса проектирования ВО на всех стадиях разработки: от технического предложения до выпуска рабочей документации. В настоящее время известен ряд работ в области САПР вакуумных систем (ВС). Но они малоэффективны при решении задач структурно-параметрического синтеза на начальных этапах проектиро- - 5 - вания, для которых характерны большая неопределенность исходных данных и знаний, необходимых для разработки ВС, а также слабая структуризация рассматриваемой предметной области. В связи с этим невозможна полная формализация основных процедур проектирования, которым на верхних уровнях абстракции иерархического описания объекта присущи интуитивно-логические рассуждения и представление ситуаций на естественном языке.

Решение поставленной проблемы осуществляется путем использования в разрабатываемой САПР ВС подсистемы экспертной поддержки, реализующей не поддающиеся формализации процедуры творческого процесса проектирования. При этом экспертная компонента САПР ВС позволяет автоматизировать процесс выявления знаний непосредственно из высококвалифицированных конструкторов с возможностью последующего использования полученных знаний при эксплуатации САПР пользователями невысокой квалификации.

Главная сложность здесь заключается в том, что конструирование ВС является слабоструктурированной проблемой. В связи с этим для ее решения необходима структуризация ВС и ее элементов, заключающаяся в определении классов их принадлежности и нахождении описывающих предметную область множеств признаков, свойств и их шкал.

Решение поставленной проблемы требует разработки системной модели ВС как объекта проектирования.

Введение такого высокого уровня абстракции модели связано с необходимостью предварительного структурирования предметной области с использованием системного подхода как метода, учитывающего многообразие сложных взаимных связей и всесторонне раскрывающего все аспекты ВС, рассмотрение которых является необходимым и достаточным для реализации процесса проектирования.

Изложенное определило цель настоящей работы, предусматриваю- - 6 - щей проработку научно обоснованной методологии автоматизированного проектирования ВС с использованием экспертных компонент поддержки, предусматривающих формирование базы знаний непосредственным извлечением знаний из экспертов вакуумного машиностроения.

Всесторонний анализ показал, что поставленные проблемы вызывают необходимость решения следующих исследовательских задач: - проведение концептуального анализа ВС; - разработка системной модели ВС как объекта проектирования; - выбор модели представления знаний о ВС, обеспечивающей эффективное формирование и манипулирование знаниями конструктора рассматриваемой предметной области; - выявление основных процедур начальных стадий проектирования ВС и необходимого состава знаний их экспертной поддержки; - разработка принципов и методики структурно-параметрического синтеза ВС с использованием экспертной компоненты; - построение концептуальной модели процесса выявления экспертных конструкторских знаний при формировании базы знаний интеллектуальной САПР ВС; - разработка математических моделей функционирования основных структурных элементов ВС; - создание комплекса программных средств автоматизации начальных этапов проектирования ВС, реализующих указанные принципы организации интеллектуальной САПР. На защиту выносятся: - системная модель ВС как объекта проектирования; - концептуальная модель процесса автоматизированного выявления конструкторских знаний при наполнении базы экспертной поддержки САПР; - методика структурно-параметрического синтеза конструкций - 7 - ВС верхних иерархических уровней описания; - концептуальная модель знаний в интеллектуальной САПР ВС; - математические модели функциональных элементов ВС; - структура интеллектуальной САПР ВС с системой экспертной поддержки основных процедур проектирования; - программные средства выявления знаний и экспертного сопровождения структурно-параметрического синтеза ВС на начальных этапах проектирования. . - 8 - 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАБОТ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ 1.1. Вакуумные системы в технологическом оборудовании.

Использование вакуума как технологической среды находит широкое применение практически во всех отраслях промышленности.

Трудно сейчас указать на какие-либо отрасли современной науки и техники, где бы не использовались достижения вакуумной техники и технологии, которые охватывают широкую номенклатуру различного по назначению оборудования, использующего вакуум в качестве технологической или рабочей среды (см. рис. 1.1). Основными элементами этого оборудования являются вакуумные средства откачки, коммутационно-регулирующая аппаратура, измерительная техника и ряд типовых функциональных устройств.

Наибольшее развитие вакуумное оборудование получило в технологическом, аналитическом и научном оборудовании производства электронной техники (ЭТ), что определяется высокой сложностью, прецизионностью и уникальностью используемого оборудования.

Повышение производительности, надежности, а также ужесточающиеся требования к качеству изделий и технологической среды обусловили эволюционное развитие вакуумного оборудования ЭТ в направлении от установок периодического действия, требующих напуска атмосферы и перезагрузки рабочей камеры каждый технологический цикл, к установкам полунепрерывного и непрерывного действия, обеспечивающих частичное или полное совмещение рабочих и вспомогательных операций основного технологического процесса [1,2]. Специфические особенности вакуумного оборудования позволяют обеспечить непрерывность технологического процесса лишь с использованием шлюзовых . - 9 - Вакуумное технологическое и научное оборудование Электронная техника 5 6 Химическая пром. Радио и связь 5 6 Металлургия Космическая техника 5 6 Авиация Материаловедение 5 6 Медицинская пром.

Атомная техника 5 6 Пищевая промышлен.

Физика эл. частиц 5 6 Легкая промышлен.

Ядерная физика 5 6 Приборостроение Оборона 5 6 Транспорт Рис. 1.1. Основные отрасли науки и техники, использующие вакуумное технологическое и научное оборудование. - 10 - загрузочных систем [1] и дополнительных рабочих камер для проведения вспомогательных операций, что влечет за собой существенное усложнение структуры, а следовательно количественного и качественного состава элементной базы вакуумных систем (ВС) [1,3,4]. Таким образом, динамика развития вакуумного оборудования предполагает дальнейшее увеличение количества вакуумных рабочих камер, усложнения ВС и как следствие - переход от однокамерных к двухи многокамерным ВС с различными системами шлюзования (см. табл. 1.1). Многокамерные установки, несмотря на высокую стоимость и сложность, обладают рядом существенных преимуществ, обуславливающих их широкое и повсеместное внедрение в производство [5]. Основными достоинствами являются: - высокая воспроизводимость технологического процесса, достигаемая установившимися условиями вакуумной среды и предварительной обработкой изделий во вспомогательных рабочих камерах; - высокая производительность процесса, обусловленная одновременным проведением различных технологических операций в отдельных камерах; - возможность использования различных физико-химических воздействий в вакуумно-изолированных камерах; - увеличение выхода годных изделий за счет снижения влияния привносимой дефектности из-за отсутствия контакта с атмосферой при транспортировке изделий из одной рабочей камеры в другую; - возможность автоматизации технологического процесса путем полного исключения ручных операций из технологического цикла обработки изделий; - стабильность и надежность работы аналитических приборов при отсутствии их контакта с технологической средой рабочей камеры.

Всесторонний анализ технологий и структурных схем различного . - 11 - Таблица 1.1. Структурная эволюция вакуумного технологического оборудования.

Группы Структурная схема оборудования Тип 5 6 Т К 5 6 ШК 5 6 Т К 5 6 ШК 1 5 6 Т К 5 6 ШК 2 5 6 6 ШК 1 6 Т К 6 ШК 2 6 6 ШК 1 6 ТК 1 6 .. 6 ТК n 6 ШК 2 6 ТК 1 .... ТК l ШК 1 ШК 1 . . ШК l ШК l Р К ШК m ШК m . . ШК n ШК n ТК m .... ТК n Условные обозначения: ТК i - технологическая камера; ШК i , ШК i - шлюзовые камеры; РК - распределительная вакуумная камера. - 12 - оборудования [6-21] выявил широкий спектр диапазонов рабочих давлений вакуумных процессов, что позволило выделить основные типы вакуумного оборудования и условно классифицировать его по ряду технологических признаков и назначению (см. рис. 1.2). Неотъемлемой частью вакуумного оборудования, во многом определяющей присущие ему свойства, является вакуумная система, основным функциональным назначением которой является обеспечение и поддержание на заданном уровне требуемых условий вакуумной среды.

Технологический процесс, структура и состав вакуумного оборудования определяют основные потребительские свойства (требования), предъявляемые к ВС в целом и отдельным технологическим камерам в частности.

Желаемое целевое состояние проектируемой ВС задается в виде требований технического задания (ТЗ) на разработку.

Правильность и степень оптимальности принимаемых проектных решений во многом зависят от полноты и непротиворечивости исходного ТЗ на проектирование ВС. Именно на этапе формирования ТЗ на разработку [22,23] закладывается качество будущих проектных решений - только правильное, корректное, обоснование требуемых выходных параметров ВС по основным целевым критериям позволит обеспечить эффективное и надежное функционирование системы. В связи с этим ТЗ на проектирование ВС, включая в себя целый комплекс функциональных, эксплуатационных, производственных и конструктивных требований, обязательно должно содержать [24,25]: - назначение, принцип работы и основные количественные характеристики реализуемого на ВС технологического процесса; - режим работы, временные характеристики подготовительных и рабочих циклов; - требуемое давление остаточного газа и его парциальный состав; - диапазон возможных вариаций парциальных давлений компонен- . - 13 - % Давление (Па) 10 -11 - - - - - - - - - - - - 10 -10 - - - - - - - - - - - - 10 -9 - - - - - - - - - 10 -8 - - - - - - 10 -7 - - - - - 10 -6 - - 10 -5 - 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 Тип оборудования 10 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Рис. 1.2. Диапазоны рабочих давлений основных типов вакуумного технологического оборудования. Тип оборудования (технологического процесса): 1 - сушка изоляционной бумаги; 2 - изготовление газоразрядных приборов; 3 - сублимационная сушка; 4 - исследование материалов; 5 - обезгаживание расплавленного метала; 6 - молекулярная дистилляция; 7 - исследования в области низких температур; 8 - отжиг и прокаливание металла; 9 - электроннолучевая плавка; 10 - зонная плавка и выращивание кристаллов; 11 - термоядерные реакции; 12 - вакуумные спектрографы; 13 - изготовление электровакуумных приборов; 14 - электронные микроскопы; 15 - масс-спектрометры; 16 - напыление тонких пленок; 17 - аппаратура по молекулярным пучкам; 18 - имитация космоса; 19 - ускорители частиц. - 14 - тов остаточных газов; - источники, величина, парциальный состав и кинетика газового потока в камере, требуемого для реализации технологического процесса; - возможные конструктивные материалы камеры, внутрикамерных устройств и элементной базы ВС; - характеристики тепловых и электромагнитных процессов; - интенсивность и пространственно-временное распределение потоков корпускулярного и электромагнитного излучений; - способы измерения и управления ВС; - требования автоматизации технологического процесса; - условия эксплуатации (климат, температура прогрева, ориентация в пространстве, вибрации, механические нагрузки); - стоимость, эксплуатационные расходы; - параметры надежности; - ограничения на отдельные типы элементной базы ВС; - допустимые массо-габаритные характеристики; - особые требования ('мягкая' откачка и т.п.). Анализируя состав требований к ВС со стороны технологического процесса и значения свойств существующего парка вакуумного оборудования можно выделить основные классификационные признаки разбиения ВС на типы [24,26]: А. Необходимая степень разрежения: - форвакуумные ВС (предельное остаточное давление > 0.1 Па); - высоковакуумные ВС (диапазон остаточных давлений 10 -5 _ 0.1 Па); - сверхвысоковакуумные ВС (остаточное давление - 15 - Б. Состав остаточной среды: - ВС с масляной остаточной средой; - ВС с безмасляной остаточной средой. В. Количество рабочих камер: - однокамерные ВС; - многокамерные ВС. Г. Тип газовой нагрузки: - ВС с сосредоточенными параметрами (по газовой нагрузке и средствам откачки); - ВС с распределенными параметрами. Д. Газокинетический режим: - статические ВС (создание разряжения и отключение ВС); - динамические ВС (непрерывная откачка ); Здесь также необходимо отметить некоторые структурные особенности, присущие ВС как системе. Это, во-первых, динамичное изменение структуры ВС при функционировании (результат коммутации вакуумной арматуры); и, во-вторых, дискретность свойств типового ряда основных структурных элементов ВС (элементной базы). Основными элементами любой ВС, определяющими принадлежность ВС к тому или иному типу, являются вакуумные средства откачки, к которым со стороны ВС предъявляются следующие основные требования [6,25]: быстрота действия по воздуху и газам; диапазон рабочих давлений; предельное остаточное и парциальные давления газов; наибольшее давление запуска насоса; длительность пускового периода; содержание в остаточной среде углеводородов, паров воды, кислорода и других активных газов; длительность работы без профилактики; масса и габариты; стоимость, простота и надежность в эксплуатации. Выбор типа откачного средства является весьма сложным и от- - 16 - ветственным этапом процесса проектирования ВС. Практика свидетельствует, что зачастую этот выбор осуществляется конструктором на основе использования метода аналогии, что не всегда обоснованно, и обусловлено наличием узко очерченных рамок стереотипного мышления конкретного проектировщика.

Анализ показал [27], что 90% вакуумных установок (как отечественных, так и зарубежных) содержат в качестве средств откачки диффузионный насос с высоковакуумной ловушкой и механический вращательный насос в форвакуумной магистрали. Лишь у 30% от общего числа установок предусмотрена возможность комплектации турбомолекулярными, криогенными или ионно-сорбционными насосами по индивидуальным заказам, а комбинация криогенного и цеолитового насосов используется лишь в небольшом числе вакуумных установок.

Широкое использование диффузионных насосов обусловлено их низкой стоимостью, небольшими массой и габаритами, простотой и надежностью работы, а также повышенной устойчивостью функционирования при быстро меняющихся газовых нагрузках [16,20,28]. Однако, обеспечить полностью безмасляную вакуумную среду возможно лишь с использованием турбомолекулярных, криогенных и гетероионных насосов, обладающих более высокими стоимостью, избирательностью по газам и сложностью в эксплуатации.

Правильный выбор откачных средств предполагает также комбинирование насосов различных типов [29]. Анализ типовых структурных схем ВС [1,6,7,9,10,15,17,19,21, 26,27,30-34] показал, что существуют функционально обусловленные устойчивые сочетания различных типов откачных средств и элементной базы ВС (например, диффузионный насос-ловушка; спаренные цеолитовые адсорбционные насосы; высоковакуумный-форвакуумный насосы; криогенный насос-защитные тепловые экраны и т.п.). Таким образом, структурный синтез ВС на качественном уровне может быть выполнен как комбинирование типовых последовательно-параллельных цепочек в - 17 - единую сетевую структуру ВС. Все выше сказанное позволяет сделать вывод о том, что сложность и многообразие возможных структур ВС, большое число жестких и порой противоречивых требований к ВС и ограничений, накладываемых технологическим процессом, возможность использования формальных представлений там, где заканчивается интуитивное мышление, проведение детального анализа как можно большего числа аналогов и прототипов ВС, стремление к повышению эффективности разработок и росту производительности труда конструктора требуют перехода к автоматизированному проектированию ВС. 1.2. Анализ работ по структурному синтезу.

Задача синтеза структуры технического объекта - наиболее ответственная и сложная для формализации процедура, качество реализации которой во многом определяет качество будущего изделия.

Существующие САПР в большинстве случаев предполагают выполнение этапа синтеза человеком, а ЭВМ используется лишь для верификации предлагаемых вариантов структуры.

Однако, можно выделить несколько наработанных подходов к автоматизации задачи структурного синтеза технического объекта (ТО) [34]: перебор законченных структур (отсутствие синтеза как такового); наращивание базовой структуры ТО; выделение варианта из обобщенной структуры; трансформация описаний. В алгоритмах синтеза используются, как правило, комбинации нескольких подходов. При этом улучшение структуры-прототипа ТО подразумевает пять основных операций: - добавить новый элемент или отношение; - удалить элемент или отношение из структуры; - 18 - - заменить элемент или отношение; - объединить два и более элементов в один многофункциональный; - разбить полифункциональный элемент на множество монофункциональных.

Однако, применять процедуры объединения или разбиения необходимо чрезвычайно осторожно, поскольку совмещение функций элементов, машин и механизмов в одном рабочем узле дает огромный эффект лишь там, где это логически вытекает из структуры и назначения проектируемого изделия. Между тем, опыт проектирования показывает [36], что слепая погоня за модной идеей совмещения функций по принципу лишь бы выбросить дает отрицательный результат - нерациональные конструкции.

Анализ работ с точки зрения методологии структурного синтеза [35-51,55] позволил провести обобщенную классификацию основных методов синтеза структуры (рис. 1.3). Построенная классификация выделяет следующие основные принципиальные подходы к задаче структурного синтеза ТО: - полный перебор законченных структур-прототипов или вариантов структур, сгенерированных над множеством базовых структурных элементов.

Подобный подход для реальных технических объектов требует огромных вычислительных ресурсов и, как следствие, на начальных этапах проектирования не используются; - декомпозиция задачи на ряд более простых задач с целью уменьшения размерности необходимого полного перебора; - использование эвристических фактов и правил, позволяющих проектировщику интуитивно выбирать удачные или наиболее рациональные направления синтеза структуры без полного перебора всех альтернатив; - анализ обобщенной (интегральной) гипотетической структуры объекта и выделение на его основе структурных элементов, обеспечи- . - 19 - Методы синтеза структуры объекта Методы Эвристические перебора методы Методы Интегрально-гиподекомпозиции тетические методы Эволюционные методы Рис. 1.3. Основные методы структурного синтеза. - 20 - вающих оптимальное функционирование синтезируемой системы; - эволюционный синтез структуры путем коррекции исходного простейшего варианта эвристическими и/или оптимизационными методами.

Всесторонний анализ существующих разработок в области синтеза структур реальных технических объектов позволил выявить несколько основных направлений развития методологии синтеза структуры. Это, во-первых, методы поискового конструирования [35,37-42], основанные на качественном синтезе структуры на уровне совместимости сопрягаемых структурных элементов по входным и выходным воздействиям. Как правило, формализация данного метода предполагает представление вариантов технических решений в виде ориентированного графа [22], в котором узлам соответствуют возможные варианты элементной базы, а дугам - возможные соединения их между собой материальными связями (рис. 1.4). В данном случае задача структурного синтеза заключается в выделении на графе множества возможных путей из условия качественной и количественной совместимости взаимодействующих элементов, а также поиске оптимального варианта (пути на графе) технического решения среди выделенных, обеспечивающего минимум целевой функции проектирования.

Наличие лишь качественной совместимости элементов при отсутствии количественной предполагает решение этой проблемы оптимизационными методами расшивки узких мест структуры, т.е. увеличением количественного состава элементов соответствующего типа [43]. Разнообразные методы направленного поиска путей на графовой структуре (полный/направленный перебор, поиск в глубину и т.п.) широко известны и детально описаны в литературе [37,39,41,44]. Однако, реализация известных методов поиска для сложных структур с . - 21 - Тип 1 Тип 2 Тип 3 Тип m 1 1 6 2 1 6 3 1 6 . . . 6 m 1 1 2 6 2 2 6 3 2 6 . . . 6 m 2 . . . . . . . . . . . . . . . 1S 1 6 2S 2 6 3S 3 6 . . . 6 mS m Рис. 1.4. Граф вариантов технических решений: i j - структурный элемент технического объекта; i - тип элемента, j - вариант i-го типа; m - число типов функциональных элементов; S i - число возможных вариантов элемента i-го типа; n k - элементы возможного варианта структуры ТО. - 22 - большим числом элементов весьма затруднительна в силу большой размерности пространства поиска, что требует неприемлемо больших вычислительных ресурсов. Выход из этой ситуации может быть найден лишь путем перехода от поэлементного синтеза схем к групповому.

Структурные элементы здесь группируются в типовые блоки, а синтез выполняется на уровне этих неделимых функциональных модулей. Такой подход позволяет существенно снизить вычислительные затраты и облегчить стыковку элементов между собой [45,46]. Данный метод структурного синтеза достаточно прост для формализации и практической реализации, исключительно прозрачен и понятен проектировщику, но вместе с этим обладает следующими серьезными недостатками. Во-первых, из рассмотрения автоматически могут быть исключены потенциально лучшие структуры, элементы которой имеют наиболее приемлемые значения свойств, но оказались не совместимыми друг с другом по количественным или качественным признакам.

Подобное усечение множества возможных вариантов структур не всегда оправдано, поскольку посредством включения дополнительных согласующих узлов между несовместимыми элементами можно получить порой наиболее рациональную конструкцию ТО. И во-вторых, синтез объекта лишь на основе его одноуровневого представления не гарантирует физическую реализацию выбранного варианта структуры на нижних уровнях ее иерархии. Это говорит о необходимости использования системного подхода к структурному синтезу.

Широко известными являются также методы последовательного синтеза объектов, осуществляемые на основе двудольного графа, носящего название И-ИЛИ дерева [23,37]. На нем в виде вершин изображаются структурные элементы, в качестве которых в зависимости от иерархического уровня абстрагирования могут выступать функциональные модули, узлы, детали или элементы деталей. На этом же графе - 23 - присутствуют вершины другого типа - признаковые вершины И/ИЛИ. Дуги графа означают связи между структурными элементами. И-ИЛИ дерево - удобное средство представления всего множества технических решений и выбора на нем элементов, отвечающих требуемым значениям признаков.

Дерево технических решений имеет одну корневую вершину, расположенную на самом высоком иерархическом уровне членения объекта. Эта вершина обозначает всю общность заключенных в дереве технических решений: группу, вид, класс, род. Для построения общего дерева используется три метода [47]: - вначале по одному техническому решению строится дерево, а затем оно достраивается по другим техническим решениям; - строятся деревья по всем техническим решениям, а затем они объединяются; - множество технических решений разбивается на подмножества, внутри каждого из которых строится дерево, а затем они объединяются.

Каждая комбинация вершин дерева одного иерархического уровня (поддерево) представляет структуру определенного варианта технического решения, который может быть или уже известным, или новым, определенным на множестве вершин прадерева.

Углубленный анализ показывает, что данный метод представляет собой лишь иную формальную интерпретацию вышеописанных поисковых методов синтеза, и следовательно их использование приводит примерно к равноценным результатам. Еще один метод структурного синтеза, который является наиболее развитым и широко используемым, основан на оптимизационно-имитационном подходе [17,39,48-51], предполагающим нахождение глобально-оптимальной структуры проектируемого объекта и значений переменных на этой структуре, т.е. проведение структурно-параметри- - 24 - ческой оптимизации.

Задачи структурной оптимизации при проектировании имеют некоторые особенности [35], а именно: одновременное присутствие как дискретных, так и непрерывных переменных, которое предполагает решение смешанных задач математического программирования; структурные преобразования влекут за собой изменение числа и характера переменных, а следовательно функций ограничений и целей.

Постановка задачи структурной оптимизации начинается с определения набора рассматриваемых переменных по следующей методике [35]: выбор таких переменных, которые могли бы описать по возможности все множество рациональных структур; выбор и анализ методов преобразования структур, пополняя на их основе подмножествами вновь синтезированных структур рассматриваемое вариантное пространство, а следовательно - описывающий его набор переменных; выбор вектора независимых переменных, варьируемых при поиске оптимальных структур; разбиение вектора переменных на две составляющие, обеспечивающие соответственно изменение структуры и параметрическую оптимизацию в рамках заданной структуры. При условии возможного разбиения общей структуры объекта на определенные устойчивые неварьируемые участки, для оптимизации применима упрощенная схема динамического программирования, предполагающая в своей основе: - расчленение структуры на части, расположенные на разных ступенях иерархии; - локальная оптимизация в пределах каждой части, где применимы методы полного перебора; - взаимоувязка полученных локальных решений путем их согласования с общим критерием и системой ограничений.

Недостатки данного метода заключаются в необходимости полной формализации процесса по каждому выделяемому участку структуры, а - 25 - также в субъективности критериев оптимальности, определяемых на основе регрессионного анализа предыдущего опыта конструирования объектов данного класса. С другой стороны, выбор проектного решения не всегда осуществим чисто математическими методами, что вызывает необходимость использования экспертных эвристических приемов синтеза, основные причины использования которых заключаются в следующем [22,52,53]: - отсутствие в полном объеме требуемой исходной информации при проектировании; - отсутствие надежных единиц измерения для некоторых параметров свойств объектов проектирования (качественные признаки); - необходимость в обосновании некоторых критериев оценки качества проектирования и технологических ограничений; - необходимость в проверке проектных решений, принятых на основе аналитических методов; - отсутствие единой целевой функции при проектировании, что вызывает необходимость ранжирования проектных вариантов из конфликтного множества проектных решений.

Следовательно, актуальной является задача формальной реализации теории экспертного оценивания для ее большей однозначности и достоверности. На основании вышесказанного можно сделать вывод, что оптимизационный подход к структурному синтезу детально проработан и в связи с этим находит широкое применение, однако в его основе лежат требования полной определенности функций и их значений, что делает его практически не применимым на начальных этапах проектирования ТО, где всегда присутствует большая неопределенность. Таким образом, проведенный анализ различных подходов к задачам структурного синтеза и оптимизации показал практическое от- - 26 - сутствие приемлемых методов синтеза для начальных этапов проектирования ТО. Выход из сложившейся ситуации может быть найден на основе комплексного совмещения вышеописанных методов структурного синтеза.

Последовательная генерация структур, носящая итеррационный характер [54], должна осуществляться поисковыми методами на основе эвристических правил синтеза, учитывающих существующую неопределенность исходных данных, критериев, действий, функциональных и логических зависимостей, с последующим выбором рациональной структуры оптимизационными методами. При этом в проектных задачах, подразумевающих получение еще не существующего объекта, и с учетом особенностей ВС наиболее приемлемым подходом к структурному синтезу является выделение базовой структуры из обобщенной модели с дальнейшей ее трансформацией на основе определенных эвристических правил генерации структуры.

Следовательно, средства САПР, ориентированные на автоматизацию процедур структурного синтеза, в той или иной мере должны опираться на идеи и методы искусственного интеллекта [49,55]. Разнообразие систем искусственного интеллекта, используемых в САПР, в основном исчерпываются следующими основными типами: - информационно-поисковые системы с диалоговым интерфейсом на естественном языке; - интеллектуальные пакеты прикладных программ для инженерных расчетов; - интеллектуальные программно-методические комплексы для моделирования и анализа систем; - экспертные системы. В системах структурного синтеза на начальных этапах проектирования целесообразным и логически обоснованным является использование экспертных компонент в разрабатываемых САПР, формализация процедур которых осуществляется на основе формального представле- - 27 - ния коллективных знаний группы высококвалифицированных экспертов о предметной области, к которой принадлежат синтезируемые объекты, и в частности, вакуумные системы.

Следовательно, необходима разработка экспертной системы поддержки процедур синтеза проектируемого объекта, обеспечивающей эффективное формирование, хранение и обработку эвристических знаний конструкторов вакуумного машиностроения. 1.3. Анализ работ по автоматизации проектирования ВС. Изучение вопросов, связанных с автоматизацией проектно-конструкторской деятельности, и в частности, с созданием САПР, показало подробную проработку методических основ создания САПР, типовых структур подсистем САПР, правил построения и организации различных видов обеспечений САПР (математического, программного, информационного) и других теоретических аспектов автоматизированного проектирования [23,49,56-58]. Большое внимание уделено и аппаратным средствам САПР [57,59]. Однако, проблемы создания конкретных прикладных САПР достаточно полно решены лишь в областях электротехники и радиоэлектроники [60-62]. В разработке же САПР машиностроительных объектов, к которым относятся и вакуумные системы, основной упор делается на автоматизацию отдельных процедур, автоматизированное проектирование отдельных элементов [63], автоматизацию технологической подготовки производства и изготовления конструкторской документации [64,67]. При этом отмечается сложность выработки единого универсального принципа конструирования технических объектов машиностроения, основанного во многом на трудноформализуемом творческом подходе [23,68] и неизбежность, в связи с этим, модификации типовых структур их САПР. - 28 - Проблеме автоматизации проектирования ВС посвящено весьма незначительное число публикаций. Все они освещают лишь отдельные, хотя безусловно необходимые и важные аспекты этого процесса (параметрический синтез и оптимизация, моделирование течения газов по каналам различной конфигурации и распределения молекул в вакуумных объемах, вопросы графического отображения и документирования, выбор и анализ элементной базы ВС). К сожалению, этап структурного синтеза, от которого в наибольшей степени зависит качество будущего объекта практически полностью не проработан [69-81]. Достаточно полно наработаны и исследованы вопросы параметрического синтеза и оптимизации по стоимостному критерию принципиальных схем ВС [77-81]. Однако, в рассматриваемых работах проектирование принципиальных схем предлагается осуществлять на основе жесткой структуры-прототипа, состоящей из фиксированного числа функциональных элементов ВС. Множество различных структур в данном случае формируется лишь заменой типоразмеров составных элементов схемы в пределах систематизированного ряда элементов данного типа, либо исключением определенных элементов из структуры.

Подобный подход в большей степени относится к вопросам параметрического синтеза и синтезом структуры, как таковым, не является.

Следовательно, отсутствие возможности гибкого синтеза произвольной структуры проектируемой ВС позволяет говорить о ее оптимальности лишь с достаточной степенью условности, поскольку возможна только параметрическая оптимизация ее структурных элементов в рамках наперед заданной структурной схемы.

Однако, наиболее существенным недостатком существующих разработок является отсутствие системного подхода к проблеме проектирования ВС, что означает отсутствие комплексного анализа ВС как объекта, являющегося неотъемлемой функциональной частью конкретной технической системы, находящейся в непрерывном взаимодействии с - 29 - факторами внешнего окружения.

Необходимость проведения системного анализа подтверждается тем, что оптимизация структуры ВС лишь по стоимостному критерию, предлагаемая в ряде работ [77-81], в подавляющем большинстве случаев может привести к проектным ошибкам и, как следствие, разработке нерациональных с точки зрения экономической эффективности конструкций ВС. Это обусловлено тем, что учет, например, таких свойств технологического оборудования (содержащего ВС) как ресурс, надежность, производительность, выход годных и т.п. может привести к тому, что экономически выгодней разработать более дорогостоящий вакуумный агрегат, обладающий большими быстродействием и ресурсом. В данном случае рост производительности и надежности вакуумного технологического или научного оборудования могут привести к значительному росту экономической эффективности использования более дорогого агрегата, чем дешевого, но менее производительного и надежного.

Наиболее типично данный фактор проявляется в дорогостоящих технологиях микроэлектронного производства, где отказ в технологическом процессе может привести к многомиллионным убыткам, не соизмеримым со стоимостью вакуумной откачной системы. Таким образом, оптимизация при проектировании ВС должна осуществляться на основе комплексного критерия оптимальности, учитывающего как свойства ВС, так и показатели качества вакуумного оборудования в целом [82]. Наибольшее число публикаций по вопросу автоматизации проектирования ВС посвящено проблеме моделирования процесса функционирования ВС [69-73]. Однако и этот аспект полностью не проработан с точки зрения возможности эффективного использования в составе САПР. Здесь выделяются несколько различных подходов к проблеме моделирования.

Первым и наиболее типичным является алгоритмизация и программная реализация вакуумных расчетов по известным инженерным - 30 - методикам [83,84]. Данный подход весьма прост, прозрачен для пользователя (проектировщика вакуумного оборудования), требует минимального объема исходной информации, но к сожалению, абсолютно не приемлем в САПР в силу своей структурной ограниченности.

Наиболее точными методами, позволяющими моделировать газовые процессы в системах любой конфигурации, являются имитационное моделирование методом Монте-Карло различных режимов течения газов по каналам произвольной формы [69,70,73], а также различные методы двухи трехмерного моделирования распределения молекул газовых компонентов в вакуумной системе [74]. Использование данных методов позволяет получить результаты моделирования, наиболее адекватные реальному эксперименту.

Однако, их прямое использование в действующих САПР весьма ограничено по ряду причин. Это, во-первых, необходимость создания сложнейших математических моделей геометрии вакуумного объема для каждой конкретной компоновочной схемы и режима работы вакуумного оборудования, что требует постоянного вмешательства высококвалифицированного инженера-математика на каждый случай использования САПР. Вторым, и не менее существенным недостатком данного подхода к моделированию, является неприемлемо большие время получения результата (до нескольких суток в сложных системах) и требуемые вычислительные ресурсы, на что в диалоговых САПР накладываются особо жесткие ограничения. К тому же, трудоемкость учета столкновений между молекулами газов не позволяет расчитывать на современных ЭВМ реальные вакуумные системы (изучению поддаются лишь упрощенные случаи). С другой стороны, данные методы моделирования необходимо использовать в качестве вспомогательных подсистем, что позволит осуществлять имитационное моделирование функционирования различных типовых и вновь появляющихся элементов ВС, результаты которого способствуют исследованию и созданию адекватных эмпирических функ- - 31 - циональных моделей элементной базы ВС, пригодных для использования в интерактивных САПР. Не менее интересными методами моделирования вакуумных процессов в системах произвольной структуры, обладающими приемлемой эффективностью с точки зрения трудоемкости и времени получения результата, являются [71,72]. В их основу положена аналогия процессов, протекающих в вакуумных и электрических системах.

Данный подход получил свое логическое завершение и практическую реализацию.

Однако, получаемые на их основе результаты моделирования приемлемы лишь как первое приближение, поскольку основаны на большом числе условных допущений и упрощений.

Причиной этому является тот факт, что данные методы не позволяют учесть множество факторов, являющихся специфическими для реальных вакуумных систем, а именно: газовыделение и поглощение газов всеми стенками вакуумного объема; память многих материалов по газам, существенно влияющая на вид математической модели элемента; напуск реакционных технологических газов, локальный нагрев и охлаждение отдельных частей ВС, а следовательно - неоднородность газового состава по рабочему объему ВС. Существенным недостатком также является возможность получения с помощью электрической модели лишь частных решений дифференциальных уравнений, что накладывает свои ограничения на множество приемлемых для рассмотрения структурных схем ВС. Существенной особенностью, затрудняющей создание САПР ВС, является отсутствие многих количественных зависимостей между показателями качества ВС и проектными параметрами, а также слабая структуризация и формализация процессов проектирования, для которых характерны логические рассуждения и описания ситуаций или объектов на естественном языке.

Сложность создания подобных зависимостей заключается в необходимости проведения больших серий дорогостоящих - 32 - экспериментов, а также невозможности обработки эмпирических данных вследствие малых серий, а иногда уникальности, выпускаемого вакуумного оборудования.

Следовательно, решение проблемы автоматизации начальных этапов проектирования ВС в большей степени базируются на интуитивно-эмпирическом подходе. Таким образом, детальный анализ накопленного опыта в области автоматизации проектирования ВС позволил сделать вывод, что устранить недостатки, препятствующие созданию эффективной САПР ВС, обеспечить структурно-параметрический синтез и моделирование ВС произвольной структуры с высокой степенью достоверности и оптимальности, возможно лишь создав высокоинтеллектуальную САПР, содержащую в своем составе экспертные компоненты, которые позволяют формально представить и программно реализовать эмпирические знания, а также эвристические правила и приемы, используемые высококвалифицированными специалистами при разработке вакуумного оборудования в традиционном ручном проектировании. 1.4. Анализ способов представления конструкторских знаний.

Эффективная экспертная поддержка разрабатываемой интеллектуальной САПР ВС невозможна без выбора рационального способа представления инженерных знаний конструктора данной предметной области. Можно сформулировать две группы требований к системе представления инженерных знаний [85]. Требования первой группы предполагают: универсальность, целостность и открытость системы представления знаний. Эта группа требований способствует повышению эффективности и высоким эксплуатационным характеристикам разрабатываемой системы.

Вторая группа требований регламентирует функциональные возможности системы и является определяющей при практическом использовании САПР. Требования второй группы подразумевают - 33 - обеспечение следующих факторов: - адекватности отображения предметной области, т.е. такого описания, при котором возможно моделирование любых процессов, происходящих в данной предметной области и существенных для выделенного класса задач; - естественной формы описания предметной области в системе знаний, позволяющей создать удобный для человека интерфейс с вычислительной системой в процессе постановки и решения задач; - многоуровневости описания предметной области, обеспечивающего решение сложных задач проектирования, характеризуемых динамическим изменением системы знаний; - сочетания процедурных и декларативных методов в одной системе знаний, позволяющей, с одной стороны, достаточно просто описать основные понятия и терминологию предметной области, а с другой стороны, задать функциональные зависимости и конструкторские действия при принятии решений, характерных для данной области.

Различают два типа инженерных знаний, определяющих способы их формального представления (декларативные и процедурные знания). Декларативный подход к описанию знаний более понимаем экспертами в конкретной предметной области, но вместе с тем требует создания процедур поиска решений в зависимости от поставленных целей.

Процедурный подход к представлению знаний позволяет достаточно просто получить требуемое решение, но вызывает необходимость дополнительной работы эксперта по соответствующей интерпретации предметной области. Он также менее нагляден по сравнению с декларативным. К декларативному способу представления знаний можно отнести логический метод и семантические сети.

Типичным представителем процедурного способа являются продукционные системы.

Фреймовый - 34 - способ представления знаний определенным образом сочетает в себе декларативный и процедурный подходы.

Следовательно, выбор того или иного способа представления знаний во многом определяется информационной спецификой описываемой предметной области и того класса задач, которые предстоит решать с использованием создаваемой базы знаний.

Анализ литературных источников позволил выделить минимальный состав знаний, необходимых конструктору при проектировании технических объектов практически любой предметной области: - свойства объектов конструирования, окружения и пространственно-временные соотношения между ними; - условия синтеза объектов конструирования, содержащих описания структурных элементов, образующих синтезируемый объект, их окружения, а также пространственно-временные отношения между ними и порядок этих отношений; - зависимости между свойствами объектов конструирования всех уровней иерархии; - зависимости между свойствами, объектами и пространственно-временными отношениями объектов. Среди основных форм традиционного представления конструкторских знаний можно выделить следующие: текст, графическое изображение, формулы и таблицы. Более подробный семантический анализ основных форм представления знаний выделяет конкретные виды конструкторских знаний (таблица 1.2). При углубленном рассмотрении основных видов и форм традиционного представления инженерных знаний можно выделить следующие их особенности: - отсутствие универсальной теории, адекватно описывающей процессы конструирования, не позволяет сформулировать знания о предметной области в виде единой строгой математической модели и форме . - 35 - Таблица 1.2. Основные формы традиционного представления конструкторских знаний. N Формы Виды Содержание п/п знаний знаний 1 Текст Описание Наиболее распространенный вид знаний, используемый для задания объектов, их свойств и отношений между свойствами.

УтверждеЯвляется результатом анализа ние существующих закономерностей и содержит, как правило, условия синтеза объектов.

Пример Описание отношений между объектами с конкретными числовыми значениями 2 ГрафиЧертеж Отражает геометрические свойства ческое (схема, объектов и/или пространственные изобрарисунок) отношения между ними. жение График Содержит сведения об изменении свойств объектов в процессе пространственных и временных отношений ФотограЯвляется иллюстративным материалом фия в конструировании. 3 Формула ТеоретиДает количественную оценку свойств ческая и отношений, а также отражает зависиобъективные закономерности взаимомость действия объектов.

ЭмпириПолучается статистической обработческая кой имеющихся экспериментальных завис. данных. 4 Таблица Наиболее естественная форма хранения эмпирических знаний об объектах, их свойствах и отношениях - 36 - наиболее подходящей для машинной обработки; - эмпирический характер большинства конструкторских знаний ограничивает возможность их обобщения, снижает степень их достоверности и тем самым приводит к нечеткости знаний; - зависимость количественных знаний от конкретных производственных условий существенно влияет на проектное решение для различных производств; - отсутствие научно-обоснованной систематизации и структуризации при изложении знаний конструирования в учебниках и монографиях; - описание объектов и ситуаций на качественном языке, т.е. с использованием смысловой информации, которая не может быть представлена количественно; - большой объем инженерных знаний, которые в различных источниках зачастую неодинаковы, дублируют, дополняют, а иногда и противоречат друг другу; - существование постоянного процесса эволюции конструкторских знаний; - преобладание декларативного характера описания знаний над процедурным; - многозначность и многообразие терминов и отсутствие единства по терминологическим вопросам.

Многообразие и особенности видов и форм знаний конструирования таковы, что невозможно указать единого способа представления знаний, эффективного для всех видов и форм знаний.

Следовательно, наиболее целесообразным является смешанный способ представления знаний, в котором одновременно присутствует декларативная и процедурная информации.

Наиболее логичным с этой точки зрения представляется способ организации знаний о предметной области в виде фрей- - 37 - мовых моделей, построенных над семантическими сетями, что позволяет эффективно сочетать в модели знаний следующие преимущества различных систем представления. - высокий уровень структуризации знаний, позволяющий достаточно просто описывать знания, содержащиеся в виде классификаторов, иерархических структур и древообразных схем; - естественность формы иерархического представления и наглядность знаний, соответствующих семантике предметной области; - высокие адаптационные свойства и гибкость базы знаний; - объединение декларативного и процедурного способов представления знаний; - возможность представления обобщенных знаний; - возможность представления нечетких знаний о предметной области. Таким образом, актуальным является создание оригинальной системы представления и манипулирования конструкторскими знаниями, позволяющая реализовать в себе все вышеописанные принципы построения системы знаний с учетом особенностей, присущих различным типам инженерных знаний. ВЫВОДЫ 1. Проанализированы характерные области и условия применения ВС в различных типах оборудования.

Установлено, что в большинстве случаев конструктивная реализация ВС определяет основные функциональные свойства технологического оборудования в целом. 2. Обоснована необходимость автоматизации начальных этапов проектирования ВС, во многом определяющих качество будущих проектных решений (см. приложение 1). 3. Проведен анализ и классификация различных подходов к - 38 - проблеме структурного синтеза.

Установлено, что в условиях неопределенности функций практическое их использование на начальных этапах проектирования затруднено. 4. Определено, что с учетом особенностей ВС целесообразным является разработка интеллектуальной САПР ВС с экспертной системой поддержки основных процедур синтеза, предусматривающих выделение базовой структуры из обобщенной модели с последующей ее трансформацией на основе определенных эвристических правил генерации. 5. Осуществлен анализ работ по автоматизации проектирования ВС. Вскрыты недостатки существующих разработок, заключающиеся в отсутствии системного подхода к проблеме проектирования ВС и комплексного анализа ВС как неотъемлемой функциональной части конкретной технической системы. 6. Определены особенности автоматизации проектирования ВС, заключающиеся в слабой структуризации и формализации предметной области и основных проектных процедур. 7. Вскрыты особенности представления инженерных знаний, заклячающиеся в эмпирическом характере большинства знаний и невозможности представления конструкторских знаний о предметной области в виде единой строгой математической модели. 8. Проведен анализ способов представления конструкторских знаний, показавший, что для вакуумного оборудования наиболее приемлемым является фреймовая модель представления знаний, построенная над семантической сетью. . - 39 - 2. КОНЦЕПТУАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ 2.1. Системная модель ВС. Проведение целенаправленного рационального синтеза ВС, являющейся сложной многоуровневой иерархической системой, требует системного подхода к анализу ВС при проектировании, что позволяет учесть все многообразие взаимозависимых и часто противоречивых факторов [86]. Проведение концептуального анализа объекта проектирования предполагает разрешение ряда проблем, а именно: - декомпозиция ВС на типовые функциональные элементы и модули (ФМ); - выявление свойств выделенных элементов, а также параметров и признаков их характеризующих; - нахождение всех взаимосвязей свойств ВС и ее структурных элементов; - построение на основе найденных зависимостей свойств математических моделей функционирования ВС в целом и ее ФМ в частности, существенных целей и критериев; - выявление существенных для процесса извлечения знаний признаков и свойств описания объекта.

Необходимость решения поставленных задач требует создания четко структурированного описания ВС в виде системной модели, всесторонне вскрывающей все необходимые для качественного проектирования аспекты ВС. Задача структурно-параметрического синтеза ВС относится к начальным этапам процесса проектирования, на 70-80 % формирующим облик будущего изделия [37]. Работа на начальных этапах ведется на - 40 - уровне технического предложения, не предусматривающего детальной проработки проектируемого объекта.

Следовательно, достаточно рассматривать ВС в виде двухуровневой системы 'ВС - функциональные модули'. Системная модель ВС, необходимая для выявления и раскрытия ее системных характеристик, а также отношений между ними, в зависимости от поставленной цели (описание, анализ или синтез объекта) на начальных этапах проектирования может быть двух видов [87]: - системная модель, описывающая ВС как объект проектирования (ВС о ); - системная модель ВС, как необходимая информация для процесса проектирования (ВС п ); Системная модель описания ВС как объекта проектирования совмещает структурно-параметрическое (статическоеS ) и функциональное (динамическоеF ) описания.

Причем, функциональное описание ( F ) ВС полностью определяется ее структурно-параметрическим описанием ( S ), поскольку функциональные свойства любого объекта напрямую зависят от структуры ТО, а также от значений свойств его структурных составляющих. И наоборот, функциональное описание объекта неоднозначно определяет его структурное описание, что является основой развивающегося в конструировании функционального подхода.

Следовательно, связь этих описаний представляет собой однозначное соответствие f: S 6 F . Формально двухуровневую системную модель для описания ВС можно представить в виде следующих соотношений [87]: ( 2 { k S i = i , k=0,1; i=1,n k } ВС о = * (2.1) 2 { k F i = i , k=0,1; i=1,n k } 9 - 41 - где индексы k = 0,1 - соответственно нулевой или первый уровни членения, представляющие ВС как целое или на уровне ее функциональных модулей (ФМ); i - i-й ФМ, входящий в ВС на первом уровне членения; n k - число ФМ на данном уровне членения (при k=0 - n k =1); I - множество имен ФМ; F - множество функций ФМ; S - множество структур; П - множество признаков, описывающих компоненты системной модели на качественном уровне; Z - множество свойств; С - множество отношений связи ВС (ФМ) с окружением; W вх - входные действия окружения на ВС (ФМ); W вых - выходные действия системы (ФМ) на окружение; Z ф - состояние ВС (ФМ), описывающее значения свойств объекта в данный момент времени; G - оператор выходов; Н - оператор перехода; Т - время.

Первая строка системы отношений (2.1) описывает ВС и ФМ как целое, вторая строка дает системное описание функционирования ВС и ФМ как целостной структуры и как структурных составляющих.

Множество признаков П представляет собой объединение следующих подмножеств: П = f П u s П u z П u c П , где f П - множество функциональных признаков; s П - множество структурных признаков, характеризующих отношения; z П - множество признаков свойств объекта; c П - множество признаков связей.

Оператор выходов определяется следующим образом: G: T & Z ф & W вх 6 W вых , т.е. он позволяет определить параметры выходных процессов по параметрам начального состояния и входных действий.

Оператор переходов представляет собой отображение: Н: T & Z ф & W вх 6 Z ф , tо t т.е. определяет состояние ВС (подсистемы) в момент времени t по параметрам начального состояния (t o ) и входных воздействий. - 42 - Таким образом, с помощью этих операторов можно построить различные уравнения функционирования, зная содержание компонентов Z ф , W вх , W вых и отношения между ними.

Графическое представление двухуровневой системной модели, объединяющей статическое (структурное) и функциональное описания ВС как объекта проектирования приведено на рис. 2.1. Системная модель, представляющая информацию о ВС, необходимую для процессов проектирования и конструирования (ВС п ) имеет несколько иной вид. Это связано с тем, что установить функциональные зависимости (операторы выходов и перехода) для еще не существующего объекта не представляется возможным, поскольку предполагается вообще говоря, что структура объекта не известна.

Однако, существуют необходимые ресурсы (известные прототипы, типовые структурные элементы), которые служат основой для модернизации и синтеза новых решений при проектировании ВС. Следовательно, существует возможность раскрытия неизвестных операторов выходов и переходов через функциональные элементы ВС на основе информации из системной модели, описывающей ВС как объект (модель ВС о ). Таким образом, для формирования требуемых зависимостей системная модель проектирования должна содержать еще компоненты, характеризующие структуру процесса функционирования ВС (S ф ), а также все взаимосвязи между элементами, их свойствами и свойствами окружения, что позволяет построить уравнения проектирования и функционирования, на основе которых осуществляется синтез проектируемой системы. Для выбора наилучшей структуры из множества синтезированных или прототипа ВС необходимо введение в модель критериев, позволяющих оценить эффективность принимаемых проектных решений. На основе вышесказанного системная модель ВС, как необходимая информация для процессов проектирования и конструирования ВС, . - 43 - 0-й уровень 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 o o O 7 % 7 o C 7 ^ 7 7 o I (ВС) 7 7 7 7 o S 7 7 Структурно-параметрическое 7 описание 7 7 Функциональное 7 описание 7 7 7 o F 7 1-й уровень 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 o o 7 7 1 O i % 1 O j % 7 7 ^ 1 C i ^ 1 C j 7 7 7 7 1 I i 1 I j 7 7 7 7 7 7 1 S i 1 S j 7 7 7 7 o 1 i 1 i 1 j o W вх W вх W вых W вых W вых 6 6 1 F i 6 777 6 1 F j 6 6 1 W j 7 7 вх 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 Рис. 2.1. Двухуровневая системная модель ВС. - 44 - должна иметь следующий вид [87]: ( { k L i , k=0,1; i=1,n k } 2 2 { k S i = i , 2 ВС п = * k=0,1; i=1,n k } (2.2) 2 2 { k F i = 2 i 9 k Z о , k R,T > i , k=0,1; i=1,n k } где L - множество целей проектирования ВС (ФМ) на k-ом иерархическом уровне; ТО * - множество известных ТО на k-ом уровне членения ВС; A - множество абстрактных функциональных элементов; G - множество геометрических элементов, однозначно соответствующих абстрактным; U - множество отношений между элементами (следования, совместимости, включения и т.д.); W - множество соответствий, определяющих уравнения проектирования, конструирования и функционирования; Q - множество соответствий, оценивающих эффективность проектируемого объекта; { k+1 F i }- множество системных моделей функционирования на следующем (k+1 - ом) уровне членения ВС (ФМ); S ф - структура процесса функционирования объекта; { k+1 Z ф } - множество состояний технических подсистем; Z ф - множество свойств, характерных для процессов функционирования; Z o - множество свойств окружающей среды эксплуатации; R - множество условий существования и прекращения процесса; смысл других обозначений был раскрыт ранее.

Проблема структурирования и формализации описания ВС выдвигает в качестве основной задачи выявление логических, регрессионных или функциональных зависимостей между свойствами ВС и его функциональных элементов, а также взаимосвязей их параметров и требований с условиями внешнего окружения.

Построенная системная модель позволяет перейти к формализации - 45 - установленных отношений, используя широко известный аппарат математического анализа, дискретной математики и математической логики, для проведения структурно-параметрического синтеза конструкции ВС. 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 ВС [88]. Поскольку концептуальная модель (КМ), являясь обобщением множества математических моделей, описывает целые классы ТО, то формирование КМ должно осуществляться коллективом независимых экспертов, взаимно дополняющих и уточняющих друг друга. Т.е. КМ - это абстрактное обобщение частных КМ различных разработчиков одной предметной области [89]. Разработанная таким образом КМ в дальнейшем должна являться общей для всех специалистов, которые на основе экспертных знаний настраивают ее на конкретные условия данного окружения. 2.2. Функции и структуры ВС. 2.2.1. Функции ВС. Основным компонентом, являющимся ядром системной модели ВС (см. выражение (2.1)) и характеризующим назначение технического объекта любого уровня иерархии, является выполняемая ТО функция.

Понятие функции F объекта определяется двояким образом, как потребительская - F п и техническая - F т функции ТО [35,87]. Потребительская функция F п - это производимое ТО действие, приводящее к реализации интересующей человека потребности, т.е. назначение ТО. Техническая функция F т - описывает внутрисистемные действия - 46 - между элементами ТО, приводящие к реализации его потребительской функции F п путем преобразования некоторого входного воздействия, т.е. однозначно описывается в виде оператора выходов: F т : T & Z ф & W вх 6 W вых . Развивая работу [35], описание потребительской функции любого ТО, и в частности ВС, можно представить в виде четверки множеств следующего вида: F = (2.3) где D - множество действий, производимых ВС 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 структуризовать описание функции ВС (ФМ). В конкретном описании функции ТО любого уровня могут отсутствовать компоненты H и f П при условии, что их значения не лимитированы или информация о них очевидна и однозначно вытекает из значений D и X. Реализация обобщенной потребительской функции ВС о F - 'формировать вакуумную среду определенного состава' - через ее техническую функцию позволила на основе признака 'сложность функции' и всестороннего анализа опыта конструирования разработчиков ВС различных отраслей выделить множества действий - D = { D i , i=1,9 }, операндов - X = { X i , i=1,9 } и окружения - H = { H i , i=1,9 } (таблица 2.1), характеризующих девять рабочих функций первого иерархического уровня: o F = { 1 F i , i=1,9 }. Дальнейшее разбиение понятия функции ВС признаком 'значимость' формирует два подмножества рабочих функций - основные 1 F o и i вспомогательные 1 F в : 1 F = 1 F о u 1 F в , где 1 F о = { 1 F о , i=1,5 }, . - 47 - Таблица 2.1. Описание обобщенной функции ВС. К о м п о н е н т ы ТО N п/п D X H П 1 Удалять Газы и пары Из вакуумного f П: объема - значимость; - важность. 2 Разобщать Полости элеВакуумно-герП d : и сообщать ментов ВС метично - способ действия; 3 Напускать Газы и пары В/из вакуум- - место дейи ной среды ствия; выпускать дозированным - степень потоком действия; - характер ВС 4 Сообщать Полости элеВакуумно-гердействия; ментов ВС метично - режим действия. 5 Содержать ТехнологичесВакуумно-герП x : кие элементы метично - тип операнда; 6 Улавливать Газы и пары Между эле- - вид операнментами ВС да; - состояние 7 Измерять Газы и пары Давление в операнда. вакуум. среде П h : - вид среды; 8 Передавать Энергию В вакуумную - температура среду среды; - характерис- 9 Удалять Газы и пары Из материала тика среды. в вак. объем - 48 - i 1 F в = { 1 F в , i=6,9 } (таблица 2.2). Множество основных функций 1 F о первого уровня иерархии задает принцип функционирования и общую структуру ВС. Вспомогательные функции 1 F в способствуют улучшению качества реализации основных и подключаются в функциональную структуру ВС только по мере необходимости. Таким образом, глобальные функциональные признаки 'сложность' и 'значимость' позволяют осуществить декомпозицию обобщенной потребительской функции ВС по уровням иерархии описания.

Конкретизация описательной формулировки функции любого уровня членения, а также составление подробного словаря функций ВС и ее ФМ осуществляются на основе анализа эволюционного развития ВС (см. п. 1.1) путем разбиения понятия функции признаками действия - П d , операнда - П x и объектов окружения, характеризующих условия выполняемых действий - П h . Конкретное описание функции на данном уровне ее иерархии определяется вектором значений указанных признаков в пространстве П d & П x & П h . Практически на всех уровнях функциональной конкретизации ВС используются следующие множества инвариантных признаков П d , П x , П h : П d = рактер действия, режим действия >; (2.4) П x = ; П h = . Конкретные множества признаков, используемых для функционального описания, сформированы на базе инвариантных и представляют собой модификацию множеств (2.4). Множества существенных признаков П d , П x , П h и их значений для функций первого уровня функциональной иерархии ВС { 1 F i , i=1,9 } представлены в таблице П.2 приложения 2. Большая мощность множества конкретных функциональных формули- . - 49 - Таблица 2.2. Рабочие функции первого уровня иерархии ВС. Функция N Соподчиненные функции Соответствующий п/п класс ТО - (ФМ) _Основные . 1 1 F 1 - удалять газы и пары из Насосы о вакуумного объема 2 1 F 2 - разобщать и сообщать герВакууумная o метично полости элеметов ВС коммутационная аппаратура 3 1 F 3 - напускать и выпускать газы o и пары в/из вакуумной среды Натекатели дозированным потоком 4 1 F 4 - сообщать полости элементов Коммуникации o ВС o F 5 1 F 5 - содержать вакуумно-гермеРабочие o тично элементы технологикамеры ческого процесса _Вспомогательные . 6 1 F 6 - улавливать газы и пары Ловушки в между элементами ВС 7 1 F 7 - измерять давление газов и Вакууметры в паров в вакуумной среде 8 1 F 8 - передавать энергию в Вводы в вакуумную среду 9 1 F 9 - удалять газы и пары из Нагреватели в материала в вакуумный объем - 50 - ровок в пространстве признаков f П & П d & П x & П h даже для первого иерархического уровня членения ВС вызывает необходимость использования методов комбинаторного анализа и, как следствие, не позволяет привести в работе полный перечень функций этого этапа. В качестве примера формирования представим детализацию основной функции 1 F 1 ' удалять газы и пары из вакуумного объема ', о конкретизируя ее формулировку следующим набором значений признаков (см. табл. П.2 приложения 2): 1 П d (Способ действия) = { механический, химический, физико-химический, электрофизический }; 2 П d (Место действия) = { непосредственного действия, удаленное от объекта }; 3 П d (Степень действия) = { низкий вакуум, высокий вакуум, сверхвысокий вакуум }; 4 П d (Характер действия) = { удалять, связывать }; 5 П d (Режим действия) = { непрерывный, кратковременный, повторно-кратковременный }; 1 П x (Тип операнда) = { газы, пары, газо-паровая смесь }; 2 П x (Вид операнда) = { химически активный, инертный, агрессивный }; 3 П x (Состояние операнда) = { вязкостный режим, молекулярно-вязкостный режим, молекулярный режим }; 4 П x (Характеристика операнда) = { масляный, безмасляный }; 1 П h (Температура среды) = { прогреваемая, непрогреваемая, охлаждаемая }; 2 П h (Электромагнитные возмущения) = { есть, нет }; 3 П h (Вибрации) = { есть, нет }. 1 1 Подставляя значения признаков в абстрактную функцию F o 'удалять газы и пары из вакуумного объема', имеем одно из описаний следующего вида 'непрерывно удалять механическим способом удален- - 51 - ную химически активную газо-паровую смесь в молекулярном режиме течения до достижения в непрогреваемом объеме безмасляного высокого вакуума при отсутствии электромагнитных возмущений и допустимости небольшой вибрации', что соответствует ТО 'турбомолекулярный высоковакуумный насос'. Вводя другие значения признаков из признакового пространства П d & П x & П h получают все множество конкретных описаний абстракт- 1 1 ной функции F o , а также множество соответствующих им ТО (существующих или еще не созданных). 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 ВС, как необходимого средства для поиска и анализа технических решений.

Графически дерево функций представляет собой двудольный граф, имеющий в своем составе вершины двух типов (рис. 2.2): вершины 'И', описывающие отношения включения множества функций более низкого уровня { i+1 F j , j = 1,n l } в описание соответствующей функции надуровня i F l , где n l - общее число соподчиненных функций рабочей функции i F l , а также вершины 'ИЛИ', характеризующие варианты конкретизированного описания функции текущего уровня (родо-видовые отношения) i F l : i l { j F , j = 1,k li }, где k li - число конкретных описаний функции, полученных разбиением функции i F l признаками f П, П d , П x , П h . При этом, путь по графу от вершины 'И' до терминальной вершины типа 'ИЛИ' на данном уровне определяет конкретный ТО воплощения функции i F l . В свою очередь, свойство функции соответствовать определенным объектам используется при поиске семейств и классов ВС (ФМ), которые различаются присваиваемыми им именами; т.е. существует однозначное соответствие между классом, описываемым именем объектов . - 52 - 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 0-й уровень 7 7 7 Обобщенная функция ВС о o F 7 7 7 7 'сложность' 6 5 7 1-й уровень 7 7 -------------------------- ------- 7 1 2 1 2 1 2 1 2 1 1 1 6 1 7 7 1x F o 1n F o 11 F o 1 F o F o F в 1 F в 7 7 .. o ... o ... o o o o o ... 7 7 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 7 1 7 7 1y F o 1m F o 12 F o 2 F o F o F в 2 F в 7 7 .. o ... o ... o o o o o ... 7 7 ... ... ... 7 7 1 2 1 5 1 9 7 ... k F o F o F в 7 7 o o o 7 -------------------------- -------- 7 1 1 2 1 1 7 .. П h ... П x ... П d П d П d ... 7 -------------------------- -------- 7 7 7 Основные (базовые) Вспомогательные 7 функции функции 7 7 7 7 Начальные этапы проектирования 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 2-й уровень ... 2 1 o o 2 1 ... F o F в ... о Рис. 2.2. Фрагмент функционального дерева ВС: ' о ' - вершины типа 'И'; ' о ' - вершины типа 'ИЛИ'. - 53 - I (см. выражения (2.1),(2.2)) и его функцией F (см. таблицу 2.2). Таким образом, построенное дерево функций позволяет выделить конкретные группы из классов ФМ ВС, соответствующие уточненным значениям функций 1 F i (при двухуровневом анализе ВС). Следовательно, функциональный подход к проблеме проектирования ВС позволяет абстрагироваться от мыслительных стереотипов, связанных с конкретным объектным воплощением ФМ, определить необходимые объекты и их свойства для формирования модели функционирования ТО, а также проводить поиск технических решений на функционально-логическом уровне, придавая конкретное объектное содержание функциям лишь на заключительных этапах процесса синтеза ВС. 2.2.2. Структуры ВС. Процесс проектирования ВС на начальных стадиях формально представляет собой создание, поиск и преобразование различных аспектов структур ВС [87]. В связи с этим актуальной является задача определения полного множества структур различного вида на каждом уровне иерархии ВС (см. выражения (2.1), (2.2)), необходимого и достаточного для отображения синтеза ВС как процесса поиска и выбора структуры, обладающей качественной определенностью (функцией) и требуемым набором значений свойств. В общем случае структуру ВС на верхних уровнях иерархического членения можно описать следующим множеством видов структур: S = , где S * - множество структур откачных модулей ВС (структурных единиц), представляющих собой устойчивую совокупность вакуумного средства откачки и необходимого набора ФМ, обеспечивающих достижение и поддержание требуемых вакуумных условий (форвакуумные, высоковакуумные модули и их комбинации); U s - множество отношений свя- - 54 - зи (временных и/или пространственных) откачных модулей.

Причем, S * имеет семь аспектов описания: S * = , (2.5) где S d , S ф , S а , S м , S в , S п , S г - соответственно структура действий, функциональная, абстрактная, морфологическая, вариантная, пространственная, и геометрическая структуры.

Признаковое описание структурных элементов ВС, а также множество отношений между этими элементами определяют конкретный вид структуры ВС, каждую из которых можно представить следующим обобщенным выражением: n n n а x е y i ( L PQ (x,y i ) V PR (y i ,y j )) 6 е m (PS(x, m )) (2.6) i=1 i=1 i=1 j=i+1 где PQ - предикат, означающий, что объект 'x' состоит из множества элементов { y i , i=1,n }; PR - предикат, означающий, что между элементами y i и y j существует отношение, имеющее в различных видах структур разную сущность; PS - предикат, означающий, что объект 'x' имеет структуру S, описываемую матрицей смежности ' m '. В общем случае структуры различного вида характеризуются также определенными типами, которые в порядке возрастания сложности разделяются на: последовательные, параллельные, параллельно-последовательные, последовательно-параллельные, иерархические, сетевые и смешанные. Как отмечалось в главе 1, ВС может иметь любой из перечисленных типов структур, причем более жестким и разнообразным требованиям, предъявляемым к ВС, соответствует как правило более сложный тип структуры. Таким образом, начальные стадии проектирования ВС подразумевают последовательный синтез и преобразование структур S, т.е. конкретизацию концептуальной модели ВС (см. выражения (2.1),(2.5)) первых двух иерархических уровней членения: - 55 - { k S d 6 k S ф 6 k S а 6 k S м 6 k S в 6 k S п 6 k S г , k=0,1 }. Структура действий S d = состоит из множества выполняемых ВС 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 . На рис. 2.3 представлен мультиграф множества базовых типовых * структур откачного модуля ВС S d , где D i , i=1,9 - действия, реализующие обобщенную функцию ВС (см. табл. 2.1). Причем, реальная структура S d ВС, характеризующая типовой алгоритм функционирования данного класса технологического оборудования, как правило, включает в себя несколько взаимосвязанных фрагментов из множества типо- * вых структур S d (данное замечание справедливо и для всех остальных видов структур). Предпосылкой генерации всевозможных функциональных структур S ф из структуры S d является отсутствие в последней какой-либо информации о входах, выходах и операндах.

Функциональная структура S ф может быть представлена в виде S ф = , где F - множество рабочих функций ВС; U ф - множество отношений следования. S ф , как правило, строится исходя из дерева функций ВС, представленного * на рис. 2.2. Сформированное множество базовых структур S ф типового модуля откачки, граф которого топологически совпадает с графом * структур S d , представлен на рис. 2.3. Здесь 1 F i , i=1,9 - множество рабочих функций первого уровня членения ВС (см. табл. 2.2). Поскольку в общем случае ВС имеет сложную структуру смешанного типа, включающую в себя на функциональном уровне множество ти- * повых структурных фрагментов S ф откачных модулей, то построение обобщенного мультиграфа всевозможных структур S ф для ВС в целом (рис. 2.5) представляется возможным лишь с использованием средств . - 56 - D 1 ( 1 F 1 ) о o D 2 ( 1 F 2 ) D 9 ( 1 F 9 ) о o в о D 3 ( 1 F 3 ) D 8 ( 1 F 8 ) о о o в о о D 7 ( 1 F 7 ) D 4 ( 1 F 4 ) в o о о D 6 ( 1 F 6 ) D 5 ( 1 F 5 ) в o * * Рис. 2.3. Множество типовых базовых структур S d (S ф ) откачного модуля ВС. * f 1 7 S фв U 5 о F в 1 6 1 2 1 1 f F в f F о f 1 8 F o о _____U 1 _____ о ______U 2 _____ о ____U 3 ______ о _______ о F в f 1 5 f U 6 F о U 4 1 4 F о о f f U 8 U 7 1 2 1 4 F о о F о о f U 9 f 1 4 U 10 F о о f U 11 1 4 1 2 f / f F о f F о o ___U 12 __ о ________U 13 ________ o ________U 14 ________ о 1 3 1 1 F o F о * S фф Рис. 2.4. Граф функциональной структуры (S ф ) типовой ВС [26]: * * S фв , S фф - соответственно, функциональные структуры высоковакуумного и форвакуумного откачных модулей. - 57 - вычислительной техники. В качестве примера на рис. 2.4 представлен граф S ф реальной структуры типового варианта ВС оборудования нанесения тонких пленок методом термического испарения [26]. Данный граф является подмножеством обобщенного мультиграфа функциональных структур ВС (см. рис. 2.5). В свою очередь, каждой рабочей функции F i структуры S ф можно поставить в соответствие некий реализующий ее обобщенный родовой элемент - функциональный модуль, являющийся абстрактным объектом A i , который обладает неким набором общих свойств и имеет множество вариантов своего исполнения, наследующих общие свойства данного ФМ и отличающихся от него оригинальными свойствами. Таким образом, абстрактная структура S a = имеет множество взаимосвязанных родовых элементов A = { A i }(см. выражение (2.2)), исполняющих функции { F i }, а также множество отношений связи U a . Установим требуемое взаимнооднозначное соответствие F i 5 6 A i (см. табл. 2.2): 1 F 1 - функция вакуумного средства откачки; o 1 A 1 - множество типов вакуумных насосов; 1 F 2 - функция вакуумной o коммутационной аппаратуры; 1 A 2 - множество типов ВКА; 1 F 3 - функo ция вакуумного натекателя; 1 A 3 - множество типов натекателей; 1 F 4 - функция вакуумной коммуникации; 1 A 4 - множество типов коммуo никаций (трубопроводов, распределительных камер ); 1 F 5 - функция o рабочей камеры; 1 A 5 - множество типов вакуумных рабочих камер; 1 F 6 - функция вакуумной ловушки; 1 A 6 - множество типов вакуумных в ловушек; 1 F 7 - функция вакууметра; 1 A 7 - множество типов вакууметв ров; 1 F 8 - функция вакуумного ввода; 1 A 8 - множество типов вакуумв ных вводов; 1 F 9 - функция нагревателя; 1 A 9 - множество типов нагв ревателей. На рис. 2.6 показан граф структуры S a приведенного выше примера S ф (см. рис. 2.4). Структура S a является основой для построения морфологической структуры S м ВС, которую, как отмечалось выше (см. п. 2.1), на . - 58 - 7 7 F 1 F 9 o F 2 7 o o 7 s U 12 F 8 o o F 3 o o 7 F 7 F 4 7 7 7 o o F 6 F 5 * F 1 S ф2 F 9 o F 2 7 7 7 o o 7 % . s F 8 o o F 3 . U 2n . o o 7 F 7 F 4 7 ^ o o 7 7 F 6 F 5 * S ф1 F 1 7 7 F 9 o F 2 7 о о 7 . . . F 8 o o F 3 s U 1n o o 7 F 7 F 4 7 o o F 6 F 5 * S фn 7 7 Рис. 2.5. Обобщенный мультиграф функциональных структур (S ф ) ВС в целом. - 59 - начальных этапах проектирования необходимо и достаточно представить в виде двухуровнего дерева.

Морфологическая структура S м = имеет два подмножества вершин: A = { A i } - типы ФМ (вершины 'И') и B = { B i }- множество вариантов технического исполнения типов A i (вершины 'ИЛИ'), а также два подмножества отношений: U 1 - отношения включения между элементами A i ; U 2 - родовидовые отношения между элементами множеств A и B. Структура S м ВС в виде двудольного дерева представлена на рис. 2.7, где Н - вакуумный насос; ВКА - вакуумная коммутационная аппаратура; Нт - вакуумный натекатель; Ком - вакуумная коммуникация; К - рабочая камера; Л - ловушка; В - вакууметр; Вв - вакуумный ввод; Нг - нагреватель; ' о ' - вершины 'И'; ' о ' - вершины 1 i 1 i 'ИЛИ'; s П j - значения структурных признаков s П , характеризующих j-е варианты исполнения i-го типа абстрактных элементов на первом иерархическом уровне членения.

Замена в структуре S a на основе сформированного S м абстрактi ных элементов A i конкретными вариантами их исполнения B j образует вариантную структуру S в = , где U в - конкретные отношения i соединения между вариантами исполнения B j (в отличие от абстрактных отношений связи U d , U ф , U a , U м . При этом декартово произвеi дение 2 S в 2 = П B j определяет множество всевозможных вариантов реi,j шений при проектировании ВС. Мощность множества всевозможных вариантных структур S в ВС велико и не поддается оценке, поэтому в качестве иллюстрации на рис. 2.8 приведен граф возможного варианта структуры S в , где вершины: 1 B 1 - 'диффузионный высоковакуумный насос'; 1 B 1 - 'механический 1 2 вращательный насос'; 1 B 2 - 'высоковакуумный шиберный затвор'; 1 1 B 2 , 1 B 2 - 'электромеханический вакуумный клапан'; 1 B 3 - 'натека- 2 3 1 тель с ручным приводом'; 1 B 5 - 'вакуумная камера'; 1 B 4 _ 1 B 4 - 1 1 4 . - 60 - * a о1 7 S ав 1 6 1 2 U 5 A a A a A a 1 8 1 1 о _____U 1 _____ о ______U 2 _____ о ____U 3 ______ о _______ о A A a 1 5 a U 6 A U 4 1 4 A о a a U 8 U 7 1 2 1 4 A о A о a U 9 1 4 о a a A U 11 1 4 1 2 U 10 a / a A a A o ___U 12 __ о ________U 13 ________ o ________U 14 ________ о 1 3 1 1 * A A S аф Рис. 2.6. Граф абстрактной структуры (S а ) типовой ВС [26]. Уровень 0 о ВС 1 i 1 i s П s П j Уровень 1 о о B 11 Множество вариантов о Н о о B 1k насосов о о B 21 Множество вариантов о ВКА о о B 2l ВКА о о B 31 Множество вариантов о Нт о о B 3m натекателей о о B 41 Множество вариантов о Ком о о B 4n коммуникаций о о B 51 Множество вариантов о К о о B 5p рабочих камер о о B 61 Множество вариантов о Л о о B 6q ловушек о о B 71 Множество вариантов о В о о B 7r вакууметров о о B 81 Множество вариантов о Вв о о B 8s вводов о о B 91 Множество вариантов о Нг о о B 9t нагревателей Рис. 2.7. Морфологическая структура (S м ) ВС. - 61 - различные виды вакуумных трубопроводов; 1 B 6 - 'азотная вакуумная 1 ловушка'; 1 B 7 - 'тепловой вакууметр'; 1 B 8 - 'контактный ввод дви- 1 1 жения'. Отличие структур S в и S a (см. рис. 2.6) состоит в том, что элементы в S в имеют конкретные имена вместо абстрактных в S а , а абстрактные отношения связи заменены на конкретные отношения соединения.

Пространственная структура S п представляет собой развитие вариантной структуры S в , отражающая компоновку ВС в пространстве: S п = U п >, где U п = 1 U п u 2 U п u 3 U п - множество пространственных отношений, представляющее собой объединение отношений трех типов: взаимного расположения 1 U п , принадлежности 2 U п и направления (ориентации) 3 U п . Эти отношения имеют следующие множества значений: 1 U п = { параллельное, соосное, перпендикулярное, симметричное, сверху, снизу, справа, слева, спереди, сзади }; 2 U п = { внутреннее, внешнее }; 3 U 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.

Множество структур S п для выбранного варианта S в определяется множеством значений U п . Конкретное описание пространственных отношений между элементами множества B определяется вектором значений отношений из пространства 1 U п & 2 U п & 3 U п . Причем множество конкретных пространственных отношений, характеризующих структуру S п , должно быть не противоречивым с точки зрения физической реализации данной структуры (отсутствие возможных пересечений в пространстве графических образов элементов ВС, ограничения на пространственное расположение отдельных элементов). Граф одного из вариантов пространственной структуры рассматриваемого примера ВС (см. рис. 2.8) представлен на рис 2.9, где . - 62 - * в 1 7 S вв U 5 о B 1 1 6 1 2 1 1 в B 1 в B 1 в 1 8 B 1 о _____U 1 _____ о ______U 2 _____ о ____U 3 ______ о _______ о B 1 в 1 5 в U 6 B 1 U 4 1 4 B 1 о в в U 8 U 7 1 2 1 4 B 2 о B 3 о в U 9 в 1 4 U 10 B 2 о в U 11 1 4 1 2 в / в B 4 в B 3 o ___U 12 __ о ________U 13 ________ o ________U 14 ________ о 1 3 1 1 B 1 B 2 * S вф Рис. 2.8. Граф вариантной структуры (S в ) типовой ВС [26]: * п 1 7 S пв U 5 о B 1 1 6 1 2 1 1 п B 1 п B 1 п 1 8 B 1 о _____U 1 _____ о ______U 2 _____ о ____U 3 ______ о _______ о B 1 п 1 5 п U 6 B 1 U 4 1 4 B 1 о п п U 8 U 7 1 2 1 4 B 2 о B 3 о п U 9 п 1 4 U 10 B 2 о п U 11 1 4 1 2 п / п B 4 п B 3 o ___U 12 __ о ________U 13 ________ o ________U 14 ________ о 1 3 1 1 B 1 B 2 * S пф Рис. 2.9. Граф пространственной структуры (S п ) типовой ВС [26]. - 63 - множество пространственных отношений между элементами описывается тройками следующего вида: { U п ={соосно, внешняя, по l z }, i=1,5 }; i U п = { соосно, внешняя, против l z }; U п = {сверху, внешняя, по l z }; 6 7 U п = { справа, внешняя, по l x }; { U п = {соосно, внешняя, по l x }, 8 i i=9,11,12,14,18 }; { U п = {соосно, внешняя, против l x }, i=10,13 }. i Таким образом, исходя из весьма абстрактных описаний структуры ВС получено ее конкретное описание в виде некоторой понятийной (семантической) модели, в которой каждый структурный элемент и отношения имеют конкретные имена в терминах, понятных разработчику вакуумного оборудования.

Дальнейшая задача состоит в преобразовании этой модели в графическую структуру ВС на основе функции соответствия понятия элемента его графическому образу (компонент G в выражении (2.2)). Любой реальный объект ВС отождествляется конструктором с некоторым концептом, который описывается графической структурой.

Графический образ ВС как целостного ТО получают компоновкой структур ФМ на базе S в и S п . Геометрическая структура S г введена для реализации на ЭВМ разработанных моделей структур в виде схем или чертежей и явно конструктором не описывается.

Следующим этапом концептуального анализа ВС как объекта проектирования является определение состава и взаимосвязей ее свойств, проявляющихся при взаимодействии ВС с окружением. 2.3. Свойства и признаки ВС и ее структурных составляющих.

Важным этапом построения концептуальной модели ВС как объекта проектирования [87] является определение свойств Z (см. выражения (2.1), (2.2)). - 64 - Свойства ВС 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. На основании того, что свойства ВС проявляются при ее взаимодействии с окружением, возникает необходимость конкретизации свойств ВС путем анализа состава окружения, т.е. всего не принадлежащего ВС множества технических систем, но связанного с ней и оказывающего на нее существенное влияние.

Окружение ВС описывается следующим набором компонент: k O = , (2.7) где соответственно: k - рассматриваемый уровень иерархического членения ВС; k O 1 - управляющие объекты (человек, робот, ЭВМ); k O 2 - эксплуатация на всех стадиях существования ВС; k O 3 - взаимодействующие (сопряженные) ТО; k O 4 - производство; k O 5 - технологический процесс, которому способствует ВС; k O 6 - изготавливаемое посредством технологического процесса в ВС изделие; k O 7 - источник энергии; k O 8 - режимы функционирования; k O 9 - окружающая среда эксплуатации.

Взаимодействие ВС с окружением порождает множество связей k C, определяющих в свою очередь то или иное свойство ВС: 9 k C = u k ВС & k O i ; k C = { k C i , i=1,9 }. i=1 На рис. 2.10 показан мультиграф связей ВС с окружением, позволяющий выявить множество соответствующих свойств ВС. Описание свойств ВС любого уровня иерархии представляет собой множество троек вида: Z i = , i=1,n, (2.8) где n - общее число свойств ТО; I i - имя свойства Z i ; i P i = { P i }, z П = { z П j }- множества параметров и признаков, хаj рактеризующих свойство Z i . . - 65 - k O 1 о k O 9 k O 2 o k C 1 o k C 9 k C 2 k C 8 k ВС k O 8 о / о k O 3 o k C 3 k C 7 k C 4 k O 7 о о k O 4 k C 6 k C 5 o о k O 6 k O 5 Рис. 2.10. Мультиграф связей ВС с окружением. f Z о о h Z k Z o о p Z Рис. 2.11. Мультиграф связей между классами свойств ВС. - 66 - С точки зрения проектирования наиболее важным является признак 'класс', отражающий взаимодействия ВС с окружением, в которых проявляется рассматриваемое свойство.

Разбиение свойств данным признаком позволяет сгруппировать их по следующим основным классам: функциональные, эксплуатационные, производственные и консo o o o труктивные свойства ВС ( f Z, h Z, p Z, k Z соответственно). o Основными функциональными свойствами f Z ВС являются производительность, предельный вакуум и состав остаточной среды. o Основными свойствами h Z являются: надежность, ремонтопригодность, сохраняемость и эргономичность. o Производственные свойства p Z ВС проявляются во взаимодействии с производством. С точки зрения конструирования к ним относятся технические и экономические свойства, основными из которых являются трудоемкость, материалоемкость, энергоемкость. o Конструктивные свойства k Z ВС проявляются при взаимодействии структурных составляющих ВС и во многом определяются конструктором.

Мультиграф связей между классами свойств ВС представлен на рис. 2.11. Количественно все классы свойств ВС описываются значениями соответствующих наборов параметров (функциональных, эксплуатационных, производственных или конструктивных), приведенных в таблице П.2 приложения.

Свойства ВС ( o Z) определяются свойствами ее структурных составляющих (ФМ) первого уровня членения ( 1 Z), во многом отличающимися от свойств, присущих ВС в целом, что обусловлено изменением состава окружения ФМ i по сравнению с ВС. При этом свойства ФМ i ВС описываются аналогичным образом: 1 Z i = , (2.9) f h p k - 67 - где 1 Z i - множество свойств i-го ФМ; 1 Z i , 1 Z i , 1 Z i , 1 Z i - соf h p k ответственно множества функциональных, эксплуатационных, производственных и конструктивных свойств i-го ФМ; i = 1,9 - индекс принадлежности соответствующему ФМ ВС (см. табл. 2.2). Основные параметры свойств структурных составляющих ВС представлены в таблице П.3 приложения 2. Взаимосвязи существенных параметров ВС и ее структурных элементов представлены в виде графов (рис. П.1-П.10) и таблицы П.4 приложения 2. Инвариантные значения признаков z П, описывающие параметры свойств ВС и ее функциональных модулей приведены в таблице П.3. 2.4. Цели проектирования ВС. Важной системной характеристикой, описывающей процесс проектирования ВС, является цель проектирования (компонент L в выражении (2.2)). Желаемое целевое состояние ВС, которым должна обладать синтезируемая конструкция, задается техническими требованиями в ТЗ. Однако самой цели как движущей силы процесса конструирования ВС в ТЗ не содержится, т.к. среди существующих конструктивных воплощений ВС (ТО * в выражении (2.2)) возможно наличие аналога, отвечающего заданным техническим требованиям.

Исходя из выражения (2.1), конкретную конструкцию, реализующую заданную функцию F и имеющую фиксированную структуру S, опишем определенным набором параметров: T k = k (2.10) где I - множество имен свойств ВС; P - множество параметров свойств ВС; h - множество значений параметров свойств ВС; k = 1,n - номер рассматриваемой конструкции; n - число существующих конструкций ВС. - 68 - ТЗ, в свою очередь, есть ни что иное, как подобное описание требуемой конструкции: ТЗ = (2.11) где I * , P * , h * - соответственно требуемые имена свойств ВC , параметры свойств и их значения (см. табл. П.4 приложения 2). Поиск аналогов осуществляется сравнением характеристик свойств выражения (2.10) для различных 'k' с соответствующими значениям выражения (2.11). Эквивалентность имен (I k и I * ) и параметров свойств ( P k и P * ), а также выполнение условия h k . h * ( . - отношение 'не хуже') означает, что конструкция под номером 'k' является аналогом для данного ТЗ. В противном случае, когда ни одна из известных конструкций ВC не удовлетворяет ТЗ по одному или нескольким параметрам свойств, можно говорить о возникновении потребительских целей проектирования, как необходимости изменения значений параметров ВC или ее структурных составляющих, которые в общем случае представимы в виде: L 1 = (2.12) где T - множество параметров ВC, не удовлетворяющих требованиям ТЗ; И - множество отношений типа 'изменить'. Рассматриваемая исходная конструкция в данном случае является прототипом.

Наличие взаимосвязей свойств ВC со свойствами ее структурных составляющих (см. п. 2.3) обуславливает возможность достижения требуемых значений параметров ВC за счет изменения свойств ее ФМ, приводящего к изменению структуры ВC, и определяет проектную цель в виде: L 2 = > (2.13) Очевидно, что для достижения необходимых значений соответствующих параметров свойств ВC - целей, необходимо выявить связанные с ними ФМ ВC и параметры их свойств, которые, в свою очередь, становятся целями (подцелями) и требуют выявления связан- - 69 - ных с ними параметров подсистем нижнего уровня.

Выявленная иерархия образует дерево целей проектирования, для построения которого используется таблица связей параметров свойств (см. табл. П.4). Анализ литературных источников , отражающих случаи конкретного проектирования ВС [1-35], позволил выделить основные компоненты множества И : И 1 - 'уменьшить (понизить)'; И 2 - 'увеличить (повысить)'; И 3 - 'расширить'; И 4 - 'создать'; И 5 - 'изменить'. Цель проектирования L , сформулированная на основе требований ТЗ как необходимость изменения соответствующих параметров свойств ( o Z) выбранной конструкции-прототипа ВС, позволяет на базе связей параметров свойств (таблица П.4, рис. П.1 - П.10) сформировать дерево целей, инвариантный фрагмент которого представлен на рис. 2.12 , где o Z - свойства ВС в целом; 1 Z i , i = 1,9 - свойства соответствующих ФМ ВС; o S - структура ВС в целом; 1 S * , i = 1,n - i структуры откачных модулей ВС; 1 S i , i = 1,9 - структуры (типы) ФМ ВС. Сложность структуры, а также взаимосвязей свойств ВС и свойств ее ФМ затрудняют построение обобщенного дерева целей. Его целеообразно формировать для каждой конкретной ситуации с использованием возможностей вычислительной техники.

Построенное дерево целей позволяет выявить существенные относительно поставленной цели L параметры, являющиеся ее подцелями: L = { L i }. При этом путь на дереве до выбранной подцели условно можно считать задачей проектирования.

Реализация подцелей часто приводит к возникновению вспомогательных функций F в . Причем вспомогательных функций может быть несколько, выполняемых совместно или в определенной последовательности. Цель может порождать и несколько альтернативных вспомогательных функций, каждая из которых, в свою очередь, может быть исполнена различными способами действий.

Появление вспомогательных . - 70 - L (цель проектирования) o Проектные цели (L 2 ) Потребительские цели (L 1 ) 0-й уровень o S o o o Z 1-й уровень 1 * 1 * S 1 S n o . . . o o 1 Z 1 o 1 Z 2 . . . o 1 Z 9 o 1 S 1 o 1 S 2 . . . o 1 S 9 2-й уровень o 2 S 1 o 2 S 2 . . . o 2 S k o 2 Z 1 o 2 Z 2 . . . o 2 Z k Рис. 2.12. Инвариантный фрагмент дерева целей проектирования ВС. - 71 - функций, которым могут быть поставлены в соответствие определенные ФМ ( F в 56 A ), приводит к изменениям в структуре ВС. 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 [90,91]. 2.5. Концептуальная модель знаний ВС. Необходимость создания эффективно функционирующей высокоинтеллектуальной САПР ВС выдвигает на первый план решение задач формирования и представления знаний о предметной области в виде концептуальной модели. В данном аспекте формирование инженерных знаний представляет собой преобразование информации, полученной от экспертов в виде фактов и правил их использования, в форму, приемлемую для машинной обработки. С этой целью к настоящему времени созданы и используются в действующих системах различные модели представления знаний.

Наиболее широкое распространение получили модели представления знаний в виде семантических сетей, систем продукций, фреймовых и логических моделей [92]. Выбор рационального способа представления знаний о предметной области является центральной проблемой построения любой интеллектуальной САПР. Представление знаний в интеллектуальной САПР ВС подразумевает четкое разграничение экспертных конструкторских знаний об объекте проектирования (модели предметной области) и эвристических знаний (правил и методов), используемых проектировщиком при выполнении им основных проектных процедур над моделями предметной области.

Модель представления знаний о предметной области для процес- - 72 - сов пректирования и конструирования ВС формируется на основе анализа системной модели ВС (см. п. 2.1), иерархически структурирующей предметную область.

Основой построения системы знаний служит функциональное дерево ВС [93], уточняемое признаковым разбиением до конкретного функционального описания на различных уровнях иерархического членения объекта (см. табл. П2, рис. 2.2). Сопоставление элементов функционального дерева с видовым множеством структур ВС позволяет построить концептуальную модель базы знаний, наиболее полно представляющую все множество имеющихся знаний об объекте проектирования, его структуре, свойствах, а также отношениях их характеризующих.

Укрупненная структурная схема организации конструкторских знаний о ВС показана на рис. 2.13. Данная система с точки зрения теории построения баз знаний представляет собой фреймовую модель, построенную над семантической сетью. При этом все взаимосвязи между фреймами (слотами) организованы в отдельном фрейме связей, позволяя тем самым использовать механизм присоединенных процедур для обработки различных типов связей (таблицы, формулы и т.п.) на базе возможностей известных аппаратов обработки фреймов и баз данных (язык FRL, CLIPPER и т.п.). Формируемая модель предусматривает инвариантность представления и обработки знаний на всех уровнях иерархии, что обеспечивает операционную гибкость и высокие адаптационные свойства системы.

Нулевой иерархический уровень базы знаний представляет информацию о свойствах и поведении объекта в целом.

Следующий уровень иерархии характеризует свойства его структурных составляющих (см. рис. 2.7). Каждый уровень декомпозиции объекта в свою очередь разделен на четыре горизонтальных подуровня (плоскости) детализации описания ранжированным множеством признаков (см. табл. П2), которые организуются в локальные признаковые фреймы.

Введенные четыре . - 73 - - 74 - плоскости конкретизации описания ТО определяют объект проектирования на данном иерархическом уровне в терминах соответственно функций ТО, его типов, конструктивных вариантов и геометрических образов им соответствующих.

Причем признаковое разбиение функции порождает множество типов родовых элементов, данную функцию выполняющих, а декомпозиция типов - множество конструктивных воплощений устройств данного типа.

Конкретному конструктиву ТО однозначно соответствует его геометрический образ.

Описание любого ТО (структурного элемента) вне зависимости от положения в структуре знаний представляется в виде фрейма свойств его характеризующих.

Пример подобного фрейма представлен на рис. 2.14. Фрейм свойств должен содержать информацию о свойствах объекта (параметры, признаки) и их значениях (см. табл. П3), а также об алгоритме функционирования данного объекта (устройства). Данный подход воплощает в себе принцип необходимости сочетания структурно-параметрического и функционального описаний объекта (см. рис. 2.1). Все фреймы свойств объектов (устройств) в модели знаний о ВС имеют инвариантную структуру. Связи объектов в рамках горизонтального иерархического уровня устанавливаются автоматическим наследованием свойств между подуровнями, присущим фреймовой организации информации и, следовательно, в дополнительном определении не нуждаются.

Иерархические же связи между объектами разных уровней можно разделить на две группы: - структурные связи, описывающие отношения включения объектов различных горизонтальных уровней; - взаимосвязи их свойств. При этом, структурные связи в различных плоскостях детализа- . - 75 - Т И П В С Свойства Параметры (признаки) Значения 1 ... ... ... ... ... 2 ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... N ... ... ... ... ... Алгоритм функПараметры действия Значения ционирования 1 ... ... ... ... ... 2 ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... M ... ... ... ... ... Рис 2.14. Фрейм свойств типа ВС. ции уровня (функция, тип, конструктив, геометрия) характеризуют соответствующие типы структур объекта на рассматриваемом уровне иерархии - S ф, S а, S в, S п, S г, детально описанные в п. 2.2.2. Межуровневые связи свойств объектов могут иметь весьма различный вид представления (формулы, таблицы, семантичесие и логические утверждения и т.п.). Это требует формирования взаимосвязей свойств в виде отдельного фрейма, что предусматривает при необходимости возможность подключения процедур обработки соответствующего типа отношений. Фрейм отношений свойств объектов в общем случае имеет вид, представленный на рис. 2.15. В множестве отношений связей свойств выделены две группы: - подмножество взаимосвязей свойств для одного объекта; - подмножество межуровневых взаимосвязей свойств объектов в вертикальных плоскостях иерархического членения объектов на рис. 2.13. . - 76 - Взаимосвязи свойств объектов Отношения свойств, характеОтношения свойств объектов ризующих один объект различных уровней иерархии ... ... ... 1-й уровень 0-й уровень ... ... ... Уровень типов ... Уровень функций 1 Объект 1 Объект 1 2 Объект 2 1 Отношение 1 процедура ... ... ... 2 Отношение 2 процедура ... ... ... процедура Рис. 2.15. Структура фрейма взаимосвязей свойств объектов. - 77 - Взаимоотношения свойств каждого объекта организуются в виде фреймов связей для соответствующего иерархического уровня.

Каждому объекту сопоставляются соответствующие множества взаимосвязей его свойств и типовых процедур обработки требуемых типов отношений. При этом подмножество отношений связи проектных свойств объекта с фазовыми функциональными переменными (выходными параметрами действия) характеризуют модель функционирования описываемого объекта.

Организация фреймов для межуровневых взаимосвязей свойств различных объектов для всех уровней одинакова. Здесь ведущим является объект более высокого уровня, для которого определяются связи его свойств со свойствами структурных элементов нижнего уровня.

Различным видам отношений соответствуют процедуры их обработки (табличных, аналитических, логических, графических и т.п.). Все фреймы отношений наполняются конкретным содержанием в процессе извлечения знаний из экспертов, интерпретируя соответствующие абстрактные взаимосвязи свойств, представленные в виде графов на рис. П1-П10 и табл. П4 приложения 2. Взаимодействие ВС (ФМ) с окружением, описанное в п. 2.3, представляется в модели знаний отдельным фреймом, слоты которого определяют процедуры обработки воздействий на объекты соответствующих компонентов окружения k О i (см. рис. 2.10). ВЫВОДЫ. 1. На основе системного подхода к анализу ВС с позиций решаемых задач разработаны инвариантные относительно введенных уровней членения системные модели ВС как объекта конструирования и проектирования, являющиеся основой создания методики извлечения знаний, синтеза и моделирования ВС. - 78 - 2. Сформировано множество базовых и вспомогательных функций ВС, отмечена необходимость функционального анализа для эволюции ВС. Рассмотрена взаимосвязь функции и структуры ВС, определено множество структур ВС, необходимое и достаточное для отображения процесса функционального и схемотехнического проектирования. 3. Исследованы взаимосвязи ВС и ее структурных составляющих с окружением и произведена структуризация выявленных свойств. На основе исследования взаимосвязей параметров свойств ВС и ее структурных составляющих сформированы соответствующие таблицы связей (см. приложение 2). 4. Введено понятие цели проектирования ВС и показана связь целей проектирования с генерацией вспомогательных функций и структурой ВС. На основе анализа разработанных таблиц связей параметров свойств ВС определена структура дерева целей проектирования ВС. 5. На основе системной модели ВС разработана концептуальная модель знаний ВС, которая представляет собой фреймовую организацию предложенной структурированной информации о ВС, позволяющую подсистеме экспертной поддержки эффективно формировать и манипулировать знаниями конструктора данной предметной области.

Проведенный системный анализ ВС позволяет перейти к разработке методик и формализации основных этапов функционального и схемотехнического проектирования ВС. . - 79 - 3. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИНТЕЗА ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ 3.1. Структура основных проектных процедур САПР ВС. Логическая структура предлагаемой САПР ВС основана на широко известных принципах теории управления [94]. Она достаточно инвариантна и может быть использована практически в любой предметной области.

Укрупненная структурная схема (рис. 3.1) включает в себя следующие основные функциональные блоки: подсистема синтеза ВС (СВС); подсистема моделирования функционирования ВС произвольной структуры (МФВС); модуль формирования исходных данных ТЗ (ФИД); модуль формирования и модификации базы знаний (ФБЗ); подсистема обработки и управления знаниями (ОУБЗ); база знаний и база данных (БЗ/БД) [95]. В основе системы лежит следующий итерационный алгоритм ее функционирования.

Начальным этапом является формирование полного и непротиворечивого ТЗ на разработку ВС (блок ФИД). На основе сформированных требований ТЗ и имеющихся в базе типовых алгоритмов функционирования и принципиальных схем данного класса вакуумного оборудования формируется прототип структуры проектируемой ВС (блок СВС). Результаты проведенного моделирования функционирования заданной структурной схемы ВС (блок МФВС) позволяют на основе имеющихся эвристических знаний о предметной области (БЗ/БД) выработать определенные порождающие правила и управляющие воздействия (ОУБЗ), способствующие корректировке текущей структуры ВС (блок СВС) и получению следующего приближения синтезируемой структуры.

Итерационный процесс направленного синтеза заканчивается при достижении приемлемого варианта структуры ВС, имеющего наибольшее соответствие свойств ВС с требованиями, лимитируемыми ТЗ, . - 80 - 5 6 Обработка 6 Синтез ВС базы 5 знаний % % ^ Формирование исходных 5 6 База знаний/данных данных % % ^ ^ ^ Моделирование 5 Формирование функционирои модификация вания ВС 6 базы знаний ^ Документирование Рис. 3.1. Укрупненная структурная схема интеллектуальной САПР ВС. - 81 - а также экстремальное значение комплексного технико-экономического критерия качества, учитывающего факторы внесистемного окружения. Выбор и параметрическая оптимизация элементной базы ВС, а также их структурных связей являются функцией подсистемы СВС. Модуль формирования и модификации знаний (ФБЗ) позволяет решить ряд необходимых задач. Это, во-первых, возможность разрешения возникающих в процессе функционирования системы критических ситуаций, реакция на которые не предусмотрена в имеющейся базе знаний. В данном случае управление передается модулю ФБЗ и проектировщику предлагается выступить в качестве эксперта для пополнения базы недостающими знаниями. Таким образом, блок ФБЗ полностью реализует в себе возможности СУБЗ и СУБД, а также интеллектуальный интерфейс извлечения экспертных знаний и интеллектуальной поддержки информационных банков.

Данный концептуальный подход к проблеме автоматизированного синтеза ВС позволяет не только устранить все вышеуказанные объективные трудности в этой области, но и формально представить и практически реализовать основные трудноформализуемые процедуры творческого процесса проектирования путем использования экспертных компонент в САПР ВС. Практическая реализация разрабатываемой интеллектуальной САПР ВС подразумевает углубленную теоретическую, методологическую и формальную проработку основных проектных процедур синтеза, формирования/обработки базы знаний и моделирования (см. рис.3.1), обеспечивающих возможность эффективного функционирования системы. - 82 - 3.2. Методика синтеза ВС. Процесс синтеза ВС на начальных этапах проектирования формально является последовательным поиском, созданием и преобразованием различных структур ВС (см. п. 2.2.2), что в общем случае может быть представлено в виде, показанном на рис. 3.2. Здесь три различных пути синтеза соответствуют ситуациям, возникающим при решении конкретной задачи проектирования, а именно: - требованиям ТЗ отвечает известный аналог ВС; - требованиям ТЗ частично отвечает известный прототип ВС с возможностью его дальнейшей модификации; - известные технические решения не удовлетворяют предъявленным требованиям и необходим синтез оригинального ТО. Необходимо отметить, что структура S d строится лишь в том случае, когда конструктора не удовлетворяет ни одна из известных функциональных структур и необходим синтез принципиально нового технического решения.

Укрупненный алгоритм, представляющий собой детализацию структуры модуля синтеза ВС (см. рис. 3.1) и описывающий основные этапы и информационные связи подсистемы синтеза, представлен на рис. 3.3. Начальный этап синтеза подразумевает формирование ТЗ на основе данных о процессах в вакуумном технологическом или научном оборудовании, являющимся для ВС объектом более высокого уровня (блок 1, рис. 3.3). Исходная информация об оборудовании должна содержать данные о количестве и структурных связях технологических камер (рабочих и вспомогательных), шлюзовых загрузочных устройств, а также диапазоны значений параметров требуемых свойств, характеризующих вакуумную технологическую среду в каждом вакуумном объеме.

Первым этапом собственно синтеза ВС является поиск аналогов на основе сформированных требований ТЗ на ВС (блок 2, рис. 3.3). . - 83 - АНАЛОГ 5 Найден аналог / E / / E L П 4 П 5 ТЗ 6 ПРОТОТИП 6 S в 6 S п 6 S г 5 Найден прототип L L П 1 П 2 П 3 П 4 П 5 S d 6 S ф 6 S a 6 S в 6 S п 6 S г 5 Новое решение Рис. 3.2. Процесс синтеза ВС на начальных стадиях проектирования. где E - процедура выбора аналогов и прототипов; L - правила формирования соответствующих типов структур на основе целей проектирования; П i , i=1,5 - правила соответствующих преобразований. . - 84 - 1 Формирование ТЗ на ВС Вакуумный тех. процесс, окружение Синтез 2 ВС нет Поиск есть аналога ВС 3 4 Поиск оптимального Анализ нет варианта аналога возможности коррекции 6 ТЗ Поиск > 1 прототипа да 7 Выбор оптимального 5 = 1 варианта прототипа Коррекция ТЗ 8 Формирование потребительской цели проектирования 9 Формирование алгоритма функционирования ВС Цикл по 10 S * Синтез структуры действий ВС 11 Синтез функциональной структуры ВС 12 Синтез абстрактной структуры ВС 13 Синтез вариантной структуры ВС 14 нет Множество да S в пусто 15 нет Отсутствие да недопустимых S в 16 Моделирование ВС . . . Рис. 3.3. Алгоритм синтеза структуры ВС. - 85 - Наличие данного этапа объясняется нецелесообразностью разработки новой конструкции ВС при наличии среди существующих вариантов ВС конструкции, полностью удовлетворяющей предъявленным требованиям. При этом условие существования аналога формально записывается в следующем виде: n m l n m l е x е I i е P ij е h ijk ( L Pr 1 (x,I i ) L Pr 1 (x,P ij ) L Pr 1 (x,h ijk ) & ТО * i=1 j=1 k=1 i=1 j=1 k=1 (3.1) n * m * l * & L Eq(I i ,I ) L Eq(P ij ,P j ) L Pr 2 (h ijk ,h k ) 6 Pr 3 (x) ) i=1 j=1 k=1 где ТО * - множество существующих конструкций ВС; I,P,h - соответственно: множества имен свойств ВС, параметров свойств и их значений; I * ,P * ,h * - соответственно имена, параметры и значения параметров свойств, регламентируемых ТЗ; Pr 1 - предикат, означающий отношение принадлежности; Eq - предикат, означающий отношение эквивалентности; Pr 2 - предикат, означающий отношение 'не хуже'; Pr 3 - предикат, означающий, что конструкция 'х' является аналогом. При нахождении множества возможных аналогов ВС процесс проектирования завершается процедурой оптимизации для выбора рационального варианта конструкции ВС (блок 3, рис. 3.3) на основе экспертного критерия качества, формируемого в блоке создания и модификации базы знаний (см. рис. 3.1) посредством системы предпочтений лица, принимающего решение [96]. Отсутствие аналогов вызывает необходимость более детального анализа ТЗ для выявления возможности смягчения лимитирующих требований (блоки 4,5, рис. 3.3). Если данная процедура не приводит в конечном итоге к нахождению аналога (ложность Pr 2 ,Pr 3 в выражении (3.1)), то переходят к поиску прототипа - конструкции (или класса) ВС, наиболее полно соответствующих требованиям ТЗ (блоки 6,7, рис. 3.3). - 86 - Анализ соответствия параметрических свойств выбранного прототипа с требованиями ТЗ позволяет сформулировать потребительские цели проектирования (L) ВС (блок 8, рис. 3.3) в виде необходимости изменения соответствующих значений параметров ВС (I i , P ij , h ijk в выражении (3.1)) или структурных составляющих.

Данная информация выводится с помощью правил на основе знаний об объекте проектирования, хранящихся в базе знаний системы.

Найденный прототип проектируемой ВС однозначно определяет типовой алгоритм ее функционирования, характерный для данного класса оборудования и включающий в себя минимальное необходимое число операционных воздействий.

Типовой алгоритм функционирования на основе циклограммы технологических операций (задана в ТЗ), целей проектирования L, а также порождающих эвристических правил синтеза, связывающих технологические процессы в оборудовании с функциональными действиями ВС, преобразуется в требуемый алгоритм функционирования создаваемой конструкции ВС (блок 9, рис. 3.3). Выделяя действия (D) и отношения следования между ними, из сформированного алгоритма функционирования синтезируется структура действий S d (см. п.2.2.2) проектируемой системы (блок 10, рис.3.3). Причем на начальном этапе синтеза в качестве первого приближения принимается одномодульная конфигурация ВС, т.е. анализируется возможность реализации ВС в виде одного откачного модуля со структурой S * (см. выражение (2.5)). Анализ выявленных рабочих функций ВС (см. п. 2.2.1) позволяет преобразовать сформированную структуру действий S d в функциональную структуру S ф , включающую в себя минимально необходимый состав рабочих функций ВС, а на ее основе, используя однозначное соответствие функции обобщенному родовому элементу - абстрактную структуру S a ВС (блоки 11,12, рис. 3.3). - 87 - Правила, реализующие данные преобразования ( П 1 и П 2 ) на языке логики предикатов выглядят следующим образом: n n n n П 1 : а S d е D i е F j ( L Pr(S d ,D i ) L ( PQ 1 (D i ,F j )&(i=j) ) 6 S i=1 j=1 i=1 i,j=1 n (3.2) 6 е S ф ( L Pr(S ф ,F j ) ); S j=1 n n n n П 2 : а S ф е F i е A j ( L Pr(S ф ,F i ) L ( PQ 2 (F i ,A j )&(i=j) ) 6 S i=1 j=1 i=1 i,j=1 n (3.3) 6 е S a ( L Pr(S a ,A j ) ), S j=1 где n - общее число элементов в структурах S d , S ф , S a ; Pr - предикат, означающий отношение включения; PQ 1 (PQ 2 ) - предикаты, описывающие взаимнооднозначные соответствия D 5 6 F (F 5 6 A); D - множество действий; F - множество функций; A - множество родовых элементов; D = { D i }; F = { F i }; A = { A i }. Формирование вариантной структуры S в проектируемой ВС (блок 13, рис. 3.3) подразумевает параметрический выбор вариантов исполнения структурных составляющих (ФМ), что влечет за собой проведение необходимых проектных расчетов для выработки частных технических заданий на ФМ первого уровня иерархии ВС. Формализация выбора вариантов структурных составляющих ВС [97-101] выполнена на основе разработанных с учетом морфологии ВС (S м ) таблиц соответствия (см. табл. П5 приложения 2) и представляет собой по существу широко используемую в теории экспертных систем задачу распознавания образа объекта по значениям его свойств и признаков (правило П 3 ): k n m n k m k П 3 : а B l е m i е m j ( L П(B l , m i ) L ( P(B l , m j ) ) 6 B k i=1 j=1 i=1 j=1 (3.4) k k 6 е A k ( По(B l ,A ) ), A где n (m) - число параметров (признаков), характеризующих - 88 - множество вариантов воплощения B k ; П (P) - предикаты, означающие, k что конкретный вариант B l рассматриваемого ФМ имеет значение признака (параметра) m i ( m j ); По - предикат, означающий принадлежность k B l классу ТО A k ; B k - множество вариантов исполнения ФМ класса A k ; A - множество классов абстрактных родовых элементов ФМ ВС. При синтезе множества S в возможно получение пустого множества, что означает невозможность осуществления требуемых ТЗ вакуумных условий одним откачным модулем со структурой S * . В данном случае формируется частное техническое задание на дополнительный модуль. При этом требования к первому модулю смягчаются соответствующим образом.

Данный процесс предполагает анализ критичных параметров ТЗ (не удовлетворенных в конечном итоге) и выработку на их основе локальных потребительских целей, что влечет за собой необходимость коррекции общей структуры действий S d ВС, состоящей из i структур S d откачных модулей, а также повторение на этой основе этапов (8-14, рис.3.3) алгоритма синтеза уже для большего числа откачных модулей.

Данная процедура предусматривает использование экспертных знаний в виде порождающих правил реакции на соответствующую проектную ситуацию.

Формируемое на основе правила П 3 множество всевозможных вариантов структур S в подвергается анализу на совместимость элементов и оптимизации для ранжирования структур S в по признаку 'рациональность'. Наиболее рациональной считается структура, обладающая максимальным значением критерия оптимальности и полной совместимостью (качественной и количественной) элементов.

Качественная совместимость элементов в конкретном варианте i структуры S в формально на языке предикатов проверяется в соответствии с правилом: - 89 - n n n n а x i е x j е П k е П l ( a (x i ,x j ) L b (x i ,П k ) L b (x j ,П l ) & B i B j k=1 l=1 k=1 l=1 (3.5) n & L ( Eq 1 (П k ,П l )&(k=l) ) 6 g 1 (x i ,x j ) ), k,l=1 где П k , П l (k,l = 1,n) - множества качественных признаков, описывающих входные и выходные свойства сопрягаемых ФМ; a - предикат, означающий отношение следования между ФМ; b - предикат, означающий отношение принадлежности признаков к ФМ; Eq 1 - предикат, означающий отношение эквивалентности между признаками; g 1 - предикат, означающий качественную совместимость сопрягаемых ФМ. Параметрическая (количественная) совместимость структурных i элементов в структуре S в формально представляется следующим образом: n k n l n k n l а x i е x j е W вых е W вх ( a (x i ,x j ) L b (x i ,W вых ) L b (x j ,W вх )& B i B j k=1 l=1 k=1 l=1 (3.6) n k l & L ( Eq 2 (W вых ,W вх )&(k=l) ) 6 g 2 (x i ,x j ) ), k,l=1 где W вх , W вых - соответственно значения параметров входных и выходных свойств ФМ ВС; Eq 2 - предикат, означающий отношение '=' между значениями параметров; g 2 - предикат, означающий количественную совместимость сопрягаемых ФМ. Причем отношения совместимости образуют следующее множество: l g = { m g t (B i ,B j ) }, где l=1,4 - индекс, означающий соответственно отношение функциональной, параметрической, эксплуатационной и технологической совместимости; m=1,n - номер сопряжения в структуре; t=1,2 - индекс, означающий, соответственно: качественную или количественную совместимость.

Структуры с несовместимыми элементами требуют введения допол- - 90 - нительных функций в структуру S ф (т.е. согласующих элементов) для устранения несовместимости (блок 14, рис. 3.3), что решается с использованием экспертных знаний о предметной области из базы данных системы. При возникновении ситуации, когда по формулам (3.5) и (3.6) выявляется несовместимость входных и выходных параметров свойств сопрягаемых структурных элементов ВС, необходимо включение вспомогательного функционального элемента, согласующего эти параметры, что формально записывается следующим образом: n l n m n p n q а x i а x j е x k е W вх е W вых е W вх е W вых B i B j B k l=1 j m=1 i p=1 k q=1 k n m n l n p ( a (x i ,x j ) L b (x i ,W вых ) L b (x j ,W вх ) L b (x k ,W вх ) & m=1 i l=1 j p=1 k n q n m l & L b (x k ,W вых ) & V ( Eq 2 (W вых ,W вх )&(m=l) ) & q=1 k m,l=1 i j n m p n q l & L ( Eq 2 (W вых ,W вх )&(m=p) ) & L ( Eq 2 (W вых ,W вх )& m,p=1 i k l,q=1 k j 4 r 4 r &(q=l) ) 6 L g 2 (x i ,x k ) L g 2 (x k ,x j ) & a (x i ,x k ) & a (x k ,x j ) ) r=1 r=1 рац Критерий оптимальности для выбора рациональной структуры S в i из множества сформированных структур { S в }формируется пользователем по каждому классу технологического оборудования в отдельности в блоке создания и модификации базы знаний (см. рис. 3.1) на основе системы предпочтений.

Процесс ранжирования структур и выбор рац из них наиболее рациональной ( S в ) завершается (блок 15, рис.3.3) при отсутствии во множестве S в недопустимых структур (имеющих нерац совместимые элементы). Окончательный выбор структуры S в выполняется пользователем с учетом экспертных правил (П 4 ,П 5 ) формирования структур S п , S г , а на их основе из базы данных системы произ- - 91 - водится выбор конкретных типоразмеров для каждого структурного рац элемента S в . Причем, процедура выбора конкретных конструктивных вариантов исполнения ФМ полностью аналогична соответствующей процедуре для этапа выбора типа вариантной структуры (см. выраж. (3.4)) и подразумевает анализ параметрической совместимости элементов и оптимизацию по комплексному стоимостному критерию, формируемому экспертами при наполнении базы знаний.

Данный этап является заключительным для синтеза ВС на первом иерархическом уровне членения проектируемого объекта.

Следующим шагом функционирования системы является имитационное моделирование работоспособности синтезируемого варианта ВС (блок 16, рис. 3.3). Анализ результатов моделирования может поставить новые локальные потребительские цели (при неверном функционировании), что влечет за собой требования изменения структуры действий (добавление новых функций и соответствующих им функциональных модулей), либо коррекцию ТЗ при недопустимости изменения структуры. Все вышеизложенное позволяет сделать вывод о наличие большого числа экспертных процедур на каждом этапе синтеза, а также необходимости гибкого изменения содержания базы знаний под каждое конкретное окружение пользователем, абсолютно не знакомым с теорией экспертных систем и методами представления знаний. Этим обусловлена необходимость включения в структуру разрабатываемой САПР специализированного модуля формирования и извлечения знаний из экспертов, функционирующего исключительно в терминах предметной области проектировщика вакуумного оборудования. - 92 - 3.3. Экспертная поддержка основных проектных процедур.

Экспертные конструкторские знания о процессе проектирования ВС (процедурные знания) формируются в соответствии с поставленными потребительскими целями на основе концептуальной модели знаний о предметной области (декларативных знаний конструктора). Данная операция предусматривает динамическое формирование дерева целей (см. п. 2.4), на базе которого формулируются основные эвристические правила и приемы требуемых управляющих воздействий конструктора при соответствующих видоизменениях описания формируемого проектного решения.

Множество сформированных правил (процедурных знаний) включаются в библиотеку эвристических приемов основных проектных процедур.

Проектные процедуры составляют алгоритмически жесткое ядро САПР, настраиваемое соответствующими знаниями экспертов.

Состав необходимых экспертных знаний поддержки определяется функциональным назначением конкретной процедуры САПР. Основные проектные процедуры начальных стадий проектирования любого объекта описываются фреймом следующих инвариантных задач: - выработка потребительской цели проектирования; - структурно-параметрический синтез; - анализ и оптимально-компромиссный выбор; - пространственная компоновка объекта; - моделирование функционирования ТО. Каждая задача проектирования распадается на множество частных подзадач, которые в свою очередь, определяют соответствующий состав необходимых для ее функционирования экспертных знаний.

Состав подзадач основных процедур проектирования и экспертных знаний их поддержки представлены в таблице 3.1. Информационный интерфейс между инвариантными задачами (блока- . - 93 - Таблица 3.1. Основные проектные процедуры и экспертные знания их поддержки.

Проектная процедура /подзадачи/ Экспертные знания поддержки 1.Выработка потребительских целей и подцелей (дерева целей) 1.1. Формирование потребительПравила формирования целей ской цели на основе сопопроектирования. ставления реальных свойств ТО с требованиями ТЗ. 1.2. Определение множеств суПравила и процедуры выдещественных свойств и призления существенных свойств. наков. 1.3. Формирование ТЗ/ЧТЗ на Правила формирования ТЗ/ЧТЗ основе поставленной цели. по поставленной цели. 2. Структурно-параметрический синтез 2.1. Синтез алгоритма функци- - Правила формирования мноонирования объекта. жеств структурных элементов. 2.2. Синтез S d . - Правила синтеза структур. - Правила преобразования 2.3. Синтез S ф . структур при реализации потребительских целей. 2.4. Синтез S a . 2.5. Синтез S в . 3. Анализ и выбор. 3.1. Поиск аналогов и прототи- - Правила поиска и формиропов. вания множеств аналогов и прототипов. - База данных существующих конструктивных вариантов. - Таблицы решений. 3.2. Структурно-параметрическая - Методы оптимизации. оптимизация и выбор рацио- - Правила формирования кринального варианта. териев оптимальности - Правила выявления противоречивых критериев. - Правила формирования диапазонов варьирования. . - 94 - Продолжение таблицы 3.1. Проектная процедура /подзадачи/ Экспертные знания поддержки 4. Пространственная компоновка. 4.1. Формирование S г . - Геометрическая база данных ТО (ФМ). - Геометрические образы структурных элементов. - Правила синтеза пространственных структур. - Правила анализа на прост- 4.2. Формирование S п . ранственную совместимость. - Правила преобразования структур. - Правила формирования множеств элементов пространственных структур. 5. Моделирование функционирования. 5.1. Формирование математичес- - Правила формирования функких моделей функциональных циональных, табличных, элементов. графических и др. зависимостей, связывающих фазовые и проектные переменные. 5.2. Формирование математичес- - Методы формирования общей кой модели ВС на основе математической модели ВС частных макромоделей элеиз макромоделей элементов. ментов и данных о структуре ВС. 5.3. Решение общей математичес- - База численных методов кой модели объекта в ререшения систем уравнений. альном масштабе времени. - 95 - ми САПР) и поддерживающими их экспертными компонентами обеспечивает оперативный доступ к необходимым знаниям на любом шаге выполняемого алгоритма проектирования ВС. Наполнение процедурных экспертных знаний конкретным содержанием можно осуществить автоматически или с участием эксперта на основе сформированных концептуальных знаний о конкретной предметной области инженерной деятельности. Если данный процесс невозможен (при недостаточной полноте сформированных концептуальных знаний), то знания извлекаются из конструктора непосредственно в процедурной форме (в виде готовых экспертных правил). 3.4. Методика извлечения знаний.

Решение проблемы приобретения знаний, необходимых для наполнения и обогащения экспертной системы, является одним из узких мест при разработке любой интеллектуальной системы. В настоящее время для этого практически не существует автоматизированных методов.

Известные попытки [102] создания систем извлечения экспертных знаний ориентированы в основном на решение задач, структура проблем которых (множества свойств, признаков и решений) считается известной и поэтому, к задачам проектирования, где присутствует большая неопределенность знаний, исходных данных и функций объектов, практически не приемлемы.

Важным недостатком существующих систем является также то, что методы их построения не гарантируют полной классификации каждого исследуемого объекта, а чаще всего подобная задача вообще не ставится.

Очевидно, что постановка задачи классификации не возможна без проведения предварительной структуризации предметной области на основе системной модели (см. главу 2). - 96 - В существующих экспертных системах (MYSIN, TEIRESIAS, ROGET, SEEK, RULEMASTER, TIMM и т.п.) формирование базы знаний осуществляется на основе заранее сформулированных цепочек логических рассуждений эксперта [103] или на конкретных практических примерах. Такие системы требуют использования либо инженера по знаниям между специалистом и программистом, либо эксперту приходится решать не свойственные для него задачи синтеза своих знаний и представления их в виде логических правил, лексика и аксиоматика которых не всегда ему понятны.

Известно также, что способность эксперта представлять свои знания в виде четких правил (процедурных знаний) всегда ограничена.

Следовательно, для достижения большей психологической и эргономической совместимости конструктора и автоматизированной системы для выявления знаний необходим диалог с пользователем в привычных для него категориях предметной области, с последующей возможностью автоматического формирования системой требующихся экспертных правил. В данном случае, с целью исключения возможности дублирования, противоречивости или незамкнутости формируемой базы знаний, диалог эксперта с системой должен быть пассивным, принуждающим его отвечать на конкретные вопросы. При этом, алгоритм опроса эксперта определен логикой декомпозиции объекта проектирования по уровням иерархии, а также множествами классов объектов, их свойств и взаимосвязями свойств. На основании вышеизложенного логично заключить, что извлечение экспертных знаний из конструктора предпочтительно (хотя и не обязательно) выполнять в декларативной форме в терминах его предметной области с возможностью последующей автоматической трансформации системой полученных знаний к процедурному виду, необходимому для функционирования интеллектуальной системы. - 97 - Процесс извлечения декларативных знаний предполагает, во-первых, формирование концептуальной модели знаний объекта проектирования и, во-вторых, наполнение ее экспертом конкретным содержанием на основе анализа предъявляемой ему информации. При этом необходимо помнить, что запрашиваемая информация должна быть дозированной (обозримой по объему) и функционально ориентированной (направленной на решение конкретной задачи). Подобная постановка проблемы требует проведения декомпозиции задачи формирования знаний, структуризации необходимой информации и определения порядка ее предъявления.

Данный подход на любом уровне иерархического членения объекта проектирования подразумевает выполнение следующих основных этапов при диалоге с экспертом. А. Определение множеств структурных элементов объекта рассматриваемого уровня иерархии. Б. Определение состава свойств каждого структурного элемента и его окружения. В. Формирование множеств отношений между свойствами и выявление истинных отношений. Этап А - формирование множеств структурных элементов различных уровней (морфологического дерева) - осуществляется на основе иерархии предлагаемых эксперту классификационных признаков.

Данная процедура предусматривает выбор конструктором признаков разбиения рассматриваемого уровня описания объекта из множества, предложенного системой (табл. П2 приложения 2), установление их иерархии (признаки действия 6 операнда 6 среды окружения 6 и т.п.), а также определение множеств возможных значений каждого признака.

Морфологическое дерево ВС, как основа построения концептуальной модели знаний, формируется признаковым разбиением описания каждого - 98 - структурного элемента (см. п. 2.3), что в свою очередь определяет фреймовую структуру формируемой базы знаний. Этап Б - определение состава свойств структурных элементов и его окружения - распадается по группам параметров окружения в общем случае на четыре подэтапа: определение, соответственно, функциональных, эксплуатационных, производственных и конструктивных свойств объектов. В зависимости от уровня абстракции (типа структуры) множество групп свойств описания объекта соответствующим образом усекается.

Подобное разбиение продиктовано логикой восприятия конструктором предметной области, а также требованиями уменьшения размерности предъявляемой эксперту информации.

Исходными данными здесь являются множества свойств описания объектов различных уровней иерархии, которые предъявляются эксперту системой для анализа (см. табл. П3 приложения 2). При этом, порядок предоставления информации эксперту определяется отношением частичного порядка групп свойств объекта.

Следующим шагом конструктор обязан выделить подмножества существенных свойств в каждой группе. При возникновении затруднений эксперт имеет возможность воспользоваться средствами соответствующей служебной процедурой и с ее помощью ранжировать множества свойств и признаков объекта, а также шкалы их значений.

Сформированная информационная база является основой наполнения фреймов свойств объектов и окружения принятой модели знаний ВС. Этап В - формирование множеств отношений между свойствами - осуществляется на основе синтеза экспертом соответствующих таблиц связей свойств объектов различных уровней иерархии.

Каждая взаимосвязь в дальнейшем конкретизируется конструктором до реальной зависимости (при условии ее наличия) - аналитической, логической, табличной.

Причем, реальная зависимость может описывать отношения - 99 - двух и более параметров одновременно. На данном этапе определяются фреймы взаимосвязей свойств объектов и окружения формируемой модели знаний ВС (см. рис. 2.13). Процесс диалога конструктора с системой для каждого вышеописанного этапа формирования декларативной базы знаний зависит от уровня абстракции объекта и определяется системной моделью процесса выявления экспертных знаний.

Модель, детально описывающая конкретную последовательность операций взаимодействия системы с проектировщиком, представляет собой сложную и достаточно объемную информационную структуру, включающую в себя множество устойчивых инвариантных блоков.

Типовой фрагмент модели, который используется практически на всех уровнях иерархии ВС, легко проиллюстрировать на примере описания процесса диалогового взаимодействия эксперта с системой при наполнении базы знаний типов вакуумных средств откачки - ФМ 1 (см. рис. 2.13). Реальный диалог в данном случае подразумевает следующую последовательность действий эксперта. а). Выбор и ранжирование классификационных признаков объекта по следующим основным группам (см. табл. П2 приложения 2): - признаки действия (П d ): способ действия; место действия; степень действия; характер действия; режим действия. - признаки операнда (П x ): тип операнда; вид операнда; состояние операнда; характеристика операнда. - признаки окружения (П h ): температура среды; электромагнитные возмущения; вибрации. б). Определение множеств возможных значений по каждому признаку, например (см. табл. П2 приложения 2): - способ действия: механический; химический; физико-химичес- - 100 - кий; электрофизический и т.п. в). Автоматическая генерация полного пространства значений признаковых описаний (П d & П x & П h ), характеризующих формируемые типы рассматриваемого функционального модуля.

Элементы пространства составляют множество описательных формулировок, например следующего вида: 'Непрерывно удалять механическим способом удаленную химически активную газо-паровую смесь в молекулярном режиме течения до достижения в непрогреваемом объеме безмасляного высокого вакуума при отсутствии электромагнитных возмущений и допустимости невысокой вибрации'. г). Анализ соответствия сформированных качественных описаний типов и существующей традиционной классификации конструктивных вариантов ТО. Выявление и формулировка типов, ранее не охваченных классификацией. д). Выделение основных групп свойств описания типа ФМ, характеризующих различные аспекты его окружения (см. п. 2.3): функциональные ( f Z), эксплуатационные( h Z), производственные ( p Z), конструктивные свойства ( k Z). е). Определение состава групп свойств, рассматриваемого типа ФМ, например (см. табл. П3, приложения 2): - функциональные свойства: быстрота действия по газовым составляющим; предельное остаточное давление; наибольшее рабочее давление; наибольшее давление запуска; время запуска; устойчивость к перегрузкам. - эксплуатационные свойства: необходимость регенерации после откачки; наличие электромагнитных возмущений и т.д. ж). Ранжирование свойств по критерию 'важность' и выделение на его основе подмножества существенных свойств в каждой группе ( f Z, h Z, p Z, k Z). - 101 - з). Определение шкал и диапазонов варьирования значений выбранных свойств.

Формирование на их основе окончательной структуры фреймовой модели знаний рассматриваемого уровня иерархии (см. рис. 2.13). и). Наполнение сформированной информационной структуры (фрейма свойств) конкретными значениями параметров свойств выявленных типов ФМ. к). Построение таблиц взаимосвязей слотов сформированных фреймов свойств со свойствами объектов более высокого уровня иерархии. л). Интерпретация экспертом установленных отношений свойств до конкретных зависимостей (аналитических, логических или табличных) при помощи соответствующей сервисной процедуры.

Описанный фрагмент диалога является характерным для системной модели выявления экспертных знаний и на конкретном примере показывает практическое воплощение инвариантных принципов (этапы А,Б,В) наполнения конструкторской базы знаний ВС. При этом, на всех этапах диалога эксперту предоставлены широкие возможности по выбору и корректировке предлагаемых системой альтернатив. Таким образом, последовательное выполнение трех вышеописанных этапов для каждого уровня иерархического членения объекта завершает формирование базы знаний о предметной области в виде декларативной информационной модели ВС. Трансформация знаний к процедурному виду, пригодному для оперативного использования системой, является функцией соответствующей подсистемы синтеза процедурных знаний. В свою очередь, подсистема экспертной поддержки основных процедур проектирования (см. п. 3.3) также требует наполнения.

Данная операция требует от администратора системы (инженера по знаниям) - 102 - предварительной формализации основных эвристических правил (приемов) и занесения их средствами стандартной СУБЗ в библиотеку соответствующей процедуры проектирования.

Действия эксперта на данном этапе заключаются в последовательной оценке и выборе из библиотек наиболее приемлемых и эффективных с его точки зрения эвристических приемов выполнения соответствующих проектных процедур. 3.5. Моделирование функционирования ВС. На начальных этапах проектирования ВС, где имеется большая неопределенность функциональных зависимостей, знаний и исходных данных, строгое математическое моделирование процессов функционирования исследуемого объекта практически не применимо. В данной ситуации, когда анализируемая система еще не существует, аналитическое описание исследуемого процесса отсутствует, а проведение реальных экспериментов требует больших материальных и временных затрат, наиболее целесообразным является использование системы имитационного моделирования.

Известные системы имитационного моделирования, ориентированные на анализ функционирования дискретных, дискретно-непрерывных и непрерывных систем, могут лишь частично использоваться для моделирования ВС, поскольку не позволяют учесть ряд существенных особенностей, присущих реальным вакуумным процессам (газовыделение и газопоглащение, напуск реакционных газов, локальный нагрев и охлаждение ВС, неоднородность газового состава по объему системы и т.п.). В частности, использование дискретных систем (Симула, Симскрипт, Аспол, GPSS) [104] при моделировании ВС могут применяться лишь на метауровне, т.е. на уровне обмена информацией между эле- - 103 - ментами без анализа физических процессов в них.

Данное упрощение приводит к недопустимому снижению точности моделей. В свою очередь, большинство дискретно-непрерывных (Недис, GASP, Слам, Симфор) [105,106] и непрерывных систем (COSMO, Динамо) [107] дают возможность учета физических особенностей процессов, но базируются на глобальном одноуровневом представлении объектов, позволяющем производить лишь параметрический анализ и оптимизацию системы без учета ее структуры.

Методика синтеза ВС на начальных этапах проектирования (см. п. 3.1), предусматривающая нахождение рационального проектного решения на каждом уровне иерархии путем последовательных итераций, подразумевает конкретизацию математических моделей элементов понятиями, не учтенными на предшествующих уровнях.

Проблема неопределенности математического описания моделей элементов на верхних уровнях иерархии объектов разрешается на основе использования аппаратов дисперсионного и регрессионного анализа эмпирических знаний конструктора, доопределяя тем самым упрощенные аналитические зависимости, применяемые конструктором в традиционном ручном проектировании. При двухуровневом анализе ВС, в качестве первого приближения использовались математические модели функциональных элементов, представленных многополюсниками и описываемых системами дифференциальных уравнений первого порядка с расчитываемыми переменными коэффициентами (табл. 3.2). Неизвестные коэффициенты моделей расчитываются по известным инженерным методикам [83,84], которые позволяют отрабатывать в процессе моделирования практически любые управляющие воздействия. При этом, реализация итерационного подхода к синтезу ВС должна обеспечивать формирование, сравнение, модификацию и накапливание математических моделей функциональных элементов для различных . - 104 - Таблица 3.2. Математические модели функциональных элементов ВС первого уровня иерархии. ФМ Число Математическая Расчетные параметры полюс. модель ( S (1-P о /P), P S н = * Насос 9 0 , P > P з dP однопо- 1 V н + S н P + Q + Q газ = 0 S н - быстрота действия dt P о - предельное осталюсный точное давление; P з - давление запуска. Q газ - поток газовыделения; V н - объем насоса. dP Вакууметр 1 V в + Q = 0 V в - объем вакууметра. dt Натека- 1 Q = Q нап Q нап - напускаемый тель поток газа. dP Насос ( V н + Q 1 +Q 2 +Q газ = 0 2 dt Q газ , V н - см. для двух- 2 * однополюсного насоса 2 полюсный 9 S н 7 P + Q 1 = 0 dP Q газ - поток газовыдеЛовушка, ( V 7 + Q 1 +Q 2 +Q газ = 0 ления; 2 dt U - проводимость, как трубопро- 2 * функция от давле- 2 ния, вида газа, вод, ВКА 9 U 7 P 1 + Q 1 - U 7 P 2 = 0 температуры и геометрии ФМ; V - объем ФМ. dP ( V к + S Q i + Q газ = 0 Q газ - поток газовыдеКамера 1..6 2 dt ления; * 2 V к - объем камеры. 9 P 1 = P 2 = ... = P 6 Примечание.

Фазовые переменные моделей: Q, Q i - газовые потоки в полюсах ФМ; P, P i - давление газа на полюсах ФМ. - 105 - моментов итерации [108,109]. Модель ВС каждого последующего уровня иерархии уточняется включением новых более сложных подмоделей. Таким образом, необходимо включение в систему имитационного моделирования средств, обеспечивающих оперативную корректировку и уточнение (доопределение) математических моделей объектов ВС. Используемый объектно-ориентированный подход к моделированию ВС основан на расширении средств существующих СУБД и обеспечивает использование новой информационной технологии при создании имитационных моделей рассматриваемой предметной области [110-112]. Процесс описания моделей в нем представляется в виде структур данных и способов манипулирования над ними.

Причем, соединение аппаратов имитационного моделирования и СУБД позволяет решить задачи как использования методов искусственного интеллекта при интерпретации результатов моделирования, организации управления экспериментом и построения банка моделей. В данном подходе математические модели функциональных элементов формируются и модифицируются на основе базы знаний об объектах предметной области (см. п. 2.3). Таким образом, программная реализация объектно-ориентированного подхода должна предусматривать средства описания моделей любого ФМ в терминах сформированной базы знаний ВС, проведения имитационного эксперимента и накапления банка данных моделей. При этом, формирование и модификация модели любого ФМ подразумевает выделение из базы знаний отношений связи фазовых переменных и проектных параметров данного структурного элемента.

Изменение модели сводится к выявлению отношений более низкого уровня абстракции ТО, либо к манипуляциям над отношениями базы знаний. В свою очередь, непременным условием при создавании банка моделей должно быть обеспечение их модификации без перепрограммирования.

Формирование модели ВС и управление процессом моделирования - 106 - осуществляется на основе системы планирования эксперимента автоматного типа. При этом, описание внутреннего представления моделей ФМ осуществляется на языке имитационного моделирования в его операторной форме.

Формирование общей модели ВС на основе ее структуры и банка моделей ФМ, а также управление процессом имитации осуществляется в диалоге с пользователем на проблемно-ориентированном языке рассматриваемой предметной области. Язык имитационного моделирования, используемый для внутреннего представления программ имитации функционирования, в операторной форме представляет собой следующую последовательность операторов. Ini(no,maxin,maxp,ni,nou,nta), где no - количество элементов моделируемой схемы; maxin - общее количество входов элементов, входящих в схему; maxp - общее количество параметров элементов, входящих в схему; ni - число входов схемы; nou - число выходов схемы; nta - число тактов моделирования.

Характеристики моделируемой схемы ВС задаются следующей последовательностью операторов. Declare a[n],b[n],c[m] ..... a[i]=t ..... b[i]=k ..... c[j]=r ..... где: n - число входов элемента; r - начальное значение внутреннего параметра; m - число внутренних параметров.

Каждый элемент схемы определяется следующей конструкцией. Defobj(nclass,a,b,c,d), где: nclass - имя класса элементов вакуумной системы: pump1 (однополюсный насос), vacuummetr (вакуумметр), pump2 (двуполюсный насос), valve (клапан), pipe (трубопровод), сhamber (камера); a - - 107 - массив типов входных полюсов; b - массив входных полюсов; с - массив внутренних параметров объекта; d - номер входа схемы, с которым соединен выход элемента. Здесь: ( .T. (истина), если входной полюс элемента - вход схемы, a[i]= * 9 .F. (ложь), в противном случае. ( номер входа, если входной полюс элемента - вход схемы, b[i]= * 9 номер элемента Такая конструкция встречается в описании модели столько раз, сколько элементов содержится в схеме. Declare d[l] ..... d[q]=p ..... Definp(ninp,d), где d - массив значений входов схемы; l - количество тактов; p - значение входа на такте q; ninp - номер входа схемы. Эта конструкция встречается столько раз, сколько входов у схемы. В результате ее определяется вход схемы. Сause(nta,kta,sc1,sc2,deb), где nta - начальный такт; kta - количество тактов выполнения модели; sc1 - шаг выдачи реального времени; sc2 - интервал между выдачей тактов; deb - управление отладчиком; ( .T. (истина), если выполнение идет в режиме отладки, deb = * 9 .F. (ложь), в противном случае.

Данный оператор осуществляет запуск модели на выполнение.

Используемый диалоговый интерфейс языка имитации ориентирован на пользователя, умеющего описывать модель в терминах имитации, но не являющегося программистом, и позволяет формировать общую модель ВС, последовательно вводя информацию, определяющую структуру моделируемой системы. - 108 - Конечный пользователь взаимодействует с системой моделирования на проблемно-ориентированном уровне языка моделирования и имеет возможность манипулировать процессом моделирования в привычных терминах предметной области.

Реализация этого уровня основывается на средствах системы управления базой знаний. Таким образом, проектировщик имеет возможность эффективного формирования моделей ВС произвольной структуры, а также диалогового управления процессом моделирования в реальном масштабе времени. Для подготовленного пользователя, владеющего аппаратом языка имитации описываемой системы, доступны также средства формирования и модификации моделей функциональных элементов банка данных любого уровня иерархии. ВЫВОДЫ. 1. Разработана логическая структура предлагаемой САПР ВС, основанная на итерационном алгоритме целенаправленного синтеза, обеспечивающем формализацию основных трудноформализуемых процедур творческого процесса проектирования путем использования в системе экспертных компонент поддержки задач принятия решений.

Описано информационное взаимодействие основных проектных процедур системы. 2. Обоснована необходимость углубленной теоретической, методологической и формальной проработки основных процедур синтеза, формирования/обработки базы знаний и моделирования функционирования ВС. 3. Предложена обобщенная модель синтеза ВС, представляющая собой упорядоченную последовательность необходимых действий конструктора, позволяющих в зависимости от конкретной задачи проектирования достичь поставленной цели. - 109 - 4. Разработан алгоритм синтеза структуры ВС, обеспечивающий генерацию и нахождение удовлетворяющего ТЗ технического решения.

Предложены основные правила генерации, преобразования и выбора синтезируемых структур ВС. 5. Определены основные проектные процедуры начальных стадий проектирования ВС и состав необходимых для эффективного функционирования экспертных знаний их поддержки. 6. Сформулированы основные принципы диалогового взаимодействия с конструктором при формировании экспертной базы знаний.

Определены этапы, последовательность действий и порядок предъявления информации эксперту при работе с подсистемой выявления экспертных конструкторских знаний. 7. Проанализированы недостатки известных методов моделирования функционирования объектов, обосновано использование объектно-ориентированного похода в имитационном моделировании ВС. Разработаны математические модели основных функциональных элементов ВС и описание на языке имитационного моделирования системы общей модели ВС первого уровня иерархического членения. . - 110 - 4. ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ 4.1. Структура программных средств САПР ВС. Практическая реализация интеллектуальной САПР ВС, содержащей формализуемые и эвристические программные процедуры, предполагает эффективное информационное взаимодействие разрабатываемой экспертной компоненты с традиционными подсистемами САПР [113-115]. Структура создаваемого программного обеспечения во многом определяется возможностью формализации модельного представления объекта проектирования и основных проектных процедур.

Проектные процедуры системы составляют алгоритмически жесткое ядро, гибко настраиваемое соответствующими знаниями экспертов.

Состав необходимых экспертных знаний поддержки определяется функциональным назначением конкретной процедуры САПР. На рис. 4.1 укрупненно показаны основные программные модули системы, каждый из которых в свою очередь, представляется более 'тонкой' структурой.

Логическая организация программных средств, содержащих экспертную компоненту поддержки, предусматривает включение в 'жестко' организованную структуру программного обеспечения (ядра) САПР ВС эвристической подсистемы, обладающей свойствами адаптации к условиям применения в зависимости от взаимодействующего с ней модуля основной структуры.

Обеспечение указанного взаимодействия основных проектирующих подсистем (блоки 1-6, рис. 4.1) с экспертной компоненты их поддержки является функцией системы управления, формирующей на основе метазнаний (методического обеспечения) о процессе проектирования (блок 16, рис. 4.1) задание на использование процедур ядра САПР, . - 111 - Ядро САПР 1 3 5 Формирование Анализ и выМоделирование цели проектир. бор объектов функциониров. 2 4 6 Синтез Оптимизация Пространствеобъектов нная компон.

Экспертная компонента Сервис 7 8 11 Выявление Формирование Диалоговый экспертных процедурных интерфейс знаний знаний 12 Система Графические управления средства ^ ^ 9 10 МанипулироваФормирование 13 ние знаниями 5 моделей Средства и данными объектов документир. База знаний / данных 14 15 С У Б З С У Б Д 16 17 Метазнания БЗ о процессе предметной ^ проектир. области 19 База ^ данных 18 БЗ экспертного сопровождения проектных процедур Рис. 4.1. Структура программных средств САПР ВС. - 112 - реализуя тем самым текущий маршрут проектирования (см. рис. 3.2). Подсистемы ядра выполняют функции, отличающиеся от традиционных лишь спецификой их применения в САПР ВС. При этом, формирование и динамическая модификация ТЗ на разработку ВС осуществляется в процессе итерационного синтеза подсистемой формирования цели проектирования (блок 1, рис. 4.1). Решение задачи структурного и параметрического синтеза объектов любого уровня иерархии, удовлетворяющих требованиям сформированного ТЗ, выполняет соответствующая проектная процедура САПР (блок 2, рис. 4.1). В данном случае согласованное функционирование подсистем ядра 3 и 4 (рис. 4.1) позволяет осуществить многовариантный анализ и оптимально-компромиссный выбор на его основе с учетом комплексного критерия качества, теоретически и экспериментально разработанному для данного класса технических объектов.

Анализ работоспособности синтезированного объекта и выявление соответствия выходных характеристик ТО требованиям технического задания осуществляет подсистема имитационного моделирования функционирования ВС (блок 5, рис. 4.1). Геометрический образ проектируемого объекта формирует система пространственной компоновки (блок 6, рис. 4.1). Совместимость данных сгруппированных по разделам программных модулей различного назначения достигается путем использования единой системы управления САПР ВС. Управление процессом проектирования осуществляется проектантом через диалоговый интерфейс системы (блок 11, рис. 4.1), обеспечивающий реализацию сценария диалога в терминах предметной области.

Центральным блоком экспертной компоненты САПР ВС является подсистема манипулирования знаниями и данными (блок 9, рис. 4.1), обеспечивающая выполнение следующих основных функций: - анализ на полноту и непротиворечивость базы знаний/данных; - обработка запросов от подсистем на необходимые операции - 113 - СУБЗ/СУБД (блоки 14, 15, рис. 4.1) по генерации, занесению и модификации требуемых знаний и данных на любом шаге маршрута пректирования; - работа с базами моделей, методов и критериев качества.

Формирование информационной базы осуществляет подсистема выявления знаний (блок 7, рис. 4.1), которая обеспечивает порядок предъявления эксперту необходимой для анализа информации в соответствии с системной моделью извлечения знаний (см. п. 3.4), а также формирует соответствующие запросы к подсистемам манипулирования (блок 9) и диалогового взаимодействия (блок 11). Отсутствие в базе знаний сопровождения (блок 18) необходимых экспертных правил поддержки выполняемой проектной процедуры влечет за собой запрос системы управления к модулю формирования процедурных знаний (блок 8) на генерацию соответствующих правил конструирования. При этом, процедурные знания формируются путем трансформации имеющихся в базе декларативных знаний об объектах предметной области (блок 17) к необходимому для использования процедурному виду.

Информационное обеспечение САПР ВС [116,117] реализовано в базе знаний/данных экспертной компоненты и содержит библиотеки маршрутов (блок 16) и объектов проектирования (блок 17), библиотеки эвристических процедур и данных (блок 18), которые администрируются средствами СУБЗ/СУБД от сеанса к сеансу и от пользователя к пользователю. База данных математических моделей объектов различных уровней иерархии ВС формируется пользователем в автоматизированном режиме на основе построенной БЗ предметной области при помощи соответствующей подсистемы экспертной компоненты (блок 10, рис. 4.1), позволяющей установить взаимосвязи входных и выходных характеристик - 114 - объекта с его конструктивными (проектными) параметрами.

Управление информационным обеспечением осуществляется либо на стандартных языках управления знаниями/данными СУБЗ/СУБД, либо за счет запросов, генерируемых подсистемой манипулирования знаниями и данными (блок 9, рис. 4.1). Сервисные средства САПР ВС реализуют удобную форму диалога проектировщика с системой (блок 11) и позволяют получать стандартную форму представления результатов проектирования (блоки 12, 13) в соответствии с требованиями единой системы конструкторской документации [118-120]. 4.2. Программные средства синтеза и анализа ВС. Ведущее место в системе автоматизированного проектирования ВС занимают подсистемы структурно-параметрического синтеза и анализа, процесс функционирования которых реализует алгоритм синтеза ВС, детально изложенный в п. 3.2 (см. рис. 3.3). Следует отметить, что предлагаемая методология синтеза может быть положена в основу практической реализации программного продукта для различных устройств разрабатываемого вакуумного оборудования [100,121,122]. Логическое взаимодействие основных подсистем ядра САПР ВС и экспертной компоненты при этом будет инвариантным вне зависимости от типа, иерахического уровня абстракции описания, а также предметной области использования рассматриваемого технического объекта.

Структура информационных связей основных модулей системы, участвующих в реализации процедур синтеза и анализа, представлена на рис. 4.2 (блоки пронумерованы в соответствии с рис. 4.1). Активизацию функционирования модулей осуществляет система управления . - 115 - 1 6 Формирование цели проектирования % % % А Б В Г ^ ^ 2 3 Синтез 5 Д 6 Анализ и выбор объектов объектов % % % % 5 Моделирование % Е Ж ^ ^ 4 З Оптимизация И % К ^ ^ ^ ^ 14/15 С У Б З / С У Б Д ^ ^ ^ 16 18 19 Метазнания о процессе База знаний экспертного База проектирования сопровождения проектных данных процедур Рис. 4.2. Информационные взаимосвязи подсистем при синтезе и анализе ВС: i - функции системы управления САПР ВС. - 116 - (СУ). На рис. 4.2 соответствующие функции СУ обозначены буквами русского алфавита ('А'-'К'). Взаимодействие подсистем определяется текущим маршрутом проектирования и осуществляется следующим образом. На основе исходных данных о вакуумном технологическом процессе формируется потребительская цель проектирования ВС, а на ее основе - соответствующее ТЗ на разработку (блок 1, рис. 4.2). Необходимые правила генерации дерева целей, описывающего различные альтернативы их достижения, извлекаются из базы знаний экспертного сопровождения (блок 18, рис. 4.2) после соответствующего запроса системы управления (функция 'А' на рис. 4.2). Выбор возможных путей реализации поставленных целей (см. рис. 3.2) осуществляется системой управления на основе метазнаний о процессе проектирования (блок 16, рис. 4.2). Поиск аналогов или прототипов ВС (ФМ), полностью или частично удовлетворяющих предъявленным ТЗ требованиям, является одной из функций модуля анализа и выбора объектов (блок 3, рис. 4.2). Запрос правил выбора при этом осуществляет соответствующая функция системы управления (функция 'И', рис. 4.2). Ранжирование выбранных альтернативных вариантов с целью выявления наиболее рационального из них выполняет подсистема оптимизации (блок 4, рис. 4.2) по функциональному запросу ('Ж', рис. 4.2) системы управления.

Частичное смягчение требований ТЗ в случае пустого множества поиска возможных аналогов, а также формирование частных потребительских целей и ТЗ на модификацию выбранного прототипа осуществляет подсистема формирования целей проектирования (блок 1, рис. 4.2), которая инициируется по соответствующему запросу системы управления (функция 'Г' СУ). Локальные цели модернизации найденного прототипа определяют - 117 - (связь 'Б', рис. 4.2) дальнейший маршрут проектирования, предполагающий проведение последовательного синтеза структур различного типа (см. рис. 3.2). Подсистема синтеза при этом (блок 2, рис. 4.2) генерирует множество возможных структур объектов различных уровней иерархии ВС. Доступ к базовому множеству элементов и соответствующим правилам формирования структур (см. п. 3.2) осуществляется через систему управления ('З', рис. 4.2). Анализ синтезированного множества допустимых структур объекта (блок 3, функциональная связь 'Д') с целью выявления из него рационального варианта (блок 4, связь 'Е') выполняется на базе комплексного функционально-стоимостного критерия качества.

Методы оптимального поиска и сформированные критерии содержит база знаний, взаимодействующая с подсистемой оптимизации через СУ (связь 'К', рис. 4.2). Оценка работоспособности выбранного оптимально-компромиссного варианта синтезируемой ВС (подсистема моделирования - блок 5) позволяет при неверном функционировании системы сформулировать соответствующие локальные потребительские цели (связь 'В', рис. 4.2), инициирующие очередной виток итерационного синтеза объекта с целью улучшения получаемого проектного решения. При этом, централизованная организация системы позволяет проектировщику осуществлять оперативное управление процессом проектирования на любом этапе выполняемого алгоритма синтеза ВС. 4.3. Подсистема выявления экспертных знаний.

Программные средства выявления экспертных знаний из высококвалифицированных экспертов (см. рис. 4.1, блок 7) представляют собой функционально законченную подсистему САПР ВС [123], обеспечи- - 118 - вающую формирование декларативной базы инженерных знаний (см. рис. 4.1, блок 17) начальных этапов проектирования ВС. Знания о предметной области представляются в соответствии с концептуальной моделью знаний (см. рис. 2.13) в виде иерархической структуры фреймов, построенных над семантической сетью.

Логическая структура информационного взаимодействия функциональных модулей подсистемы показана на рис. 4.3. Методика выявления знаний, описанная в п. 3.4, реализуется здесь подсистемой управления на базе системной модели, составляющей метазнания экспертной компоненты САПР ВС. Декларативная база знаний о предметной области создается последовательным формированием и наполнением фреймов концептуальной модели знаний рассматриваемой предметной области (см. рис. 2.13). Данный процесс повторяется на всех уровнях иерархии ВС для каждого горизонтального подуровня декомпозиции описания объека (функция, тип, конструктив, геометрия - см. рис. 2.13). На первом этапе формирования декларативной базы знаний выполняется структурирование информации о классах ТО рассматриваемого уровня.

Данная функция, выполняемая модулем классификации объектов (блок '1', рис. 4.3), предусматривает следующую последовательность операций при взаимодействии с экспертом (см. п. 3.4): - выбор и ранжирование классификационных признаков объекта из системной базы знаний системы (метазнания о процессе проектирования - рис. 4.3). - определение множеств возможных значений каждого классификационного признака рассматриваемого ТО; - генерация признакового пространства классификации; - анализ соответствия полученных описаний и существующей классификации ТО, а также выявление ранее не описанных классов. . - 119 - Выявление экспертных знаний Сервис 1 Классификация Диалоговый объектов интерфейс % ^ 2 Определение свойств % ^ 3 Выявление сущестПодсистема венных свойств управления % ^ 4 Формирование фреймов свойств % ^ 5 Формирование фреймов взаимосвязей % ^ ^ ^ ^ ^ Манипулирование знаниями и данными База знаний / данных С У Б З С У Б Д Метазнания БЗ База о процессе предметной данных проектир. области Рис. 4.3. Логическая структура подсистемы выявления экспертных знаний. - 120 - При этом, описательные формулировки, предъявляемые эксперту для анализа, формируются в терминах предметной области проектанта (функция диалогового интерфейса системы). Проведенная классификация позволяет подсистеме манипулирования знаниями и данными сформировать фрагмент базовой структуры фреймовой модели знаний рассматриваемого уровня иерархии.

Следующим этапом диалогового взаимодействия подсистемы с экспертом является определение состава свойств объектов построенной фреймовой структуры (блок 2, рис. 4.3). Выделение множеств свойств осуществляется по основным группам (функциональные, эксплуатационные, производственные и конструктивные) на базе информации, содержащейся в системной базе знаний о предметной области. В данном случае эксперту предоставляется возможность выбора свойств (из числа предлагаемых системой), которые по его мнению наилучшим образом характеризуют описываемый объект.

Выявление существенных свойств из сформированных множеств выполняет соответствующий функциональный модуль (блок 3, рис. 4.3). При этом, методы ранжирования свойств по критерию 'важность' составляют метазнания системы.

Упорядоченные по значимости описательные множества свойств объектов доопределяются значениями шкал и диапазонов варьирования параметров (блок 4, рис. 4.3). Сформированные подобным образом множества свойств и шкал их значений являются исходной информацией для системы манипулирования знаниями, которая позволяет построить окончательную структуру фреймовой модели декларативной базы знаний ВС рассматриваемого уровня иерархии.

Наполнение сформированной информационной структуры конкретными значениями параметров свойств осуществляется экспертом через систему диалогового взаимодействия.

Процесс выявления знаний завершается формированием фрейма - 121 - взаимосвязей свойств объектов различных уровней иерархии (блок 5, рис. 4.3). Данная процедура требует от эксперта последовательного построения бинарных таблиц отношений свойств, а также их интерпретации до конкретных зависимостей (аналитических, логических или табличных). Конкретный вид взаимосвязи формируется экспертом при помощи соответствующей функции модуля '5' в диалоговом режиме взаимодействия. Таким образом, последовательная инициализация подсистемой управления вышеописанных функциональных модулей для всех уровней иерархии ВС предоставляет эксперту возможность формирования полной и непротиворечивой декларативной базы знаний, обеспечивающей эффективную поддержку основных процедур пректирования разрабатываемой интеллектуальной САПР ВС. 4.4. Подсистема моделирования функционирования ВС. Используемый проблемно-ориентированный подход к построению программных средств имитационного моделирования [124] позволяет, используя привычную для проектировщика терминологию, оценить работоспособность синтезируемой конструкции ВС, легко настраиваясь при этом на конкретное окружение рассматриваемой предметной области.

Структурные связи основных модулей подсистемы моделирования укрупненно показана на рис. 4.4. Базовым программным модулем, выполняющим функции монитора системы, является подсистема управления (ПУ) процессом моделирования.

Основной функцией ПУ является обеспечение информационного взаимодействия блоков подсистемы, а также - через диалоговый интерфейс - системы и проектировщика.

Исходными данными для имитации являются описания структуры . - 122 - Моделирование Сервис 1 Интерпретатор Диалоговый директив интерфейс конструктора Графические средства 2 Коррекция Средства модели ВС документир. ^ 3 Формирование имитационной модели ВС Подсистема управления ^ 4 Программа-имитатор База знаний / данных ^ ^ ^ ^ С У Б З С У Б Д БЗ экспертного БЗ База сопровождения предметной данных проектных проц. области Рис. 4.4. Структура подсистемы имитационного моделирования функционирования ВС. - 123 - ВС, свойств ее структурных составляющих и алгоритма ее функционирования (плана эксперимента). Необходимая для этого информация определяется в результате функционирования процедур синтеза и анализа ВС (см. рис. 4.2) и передается в подсистему моделирования при ее инициализации. Связь пользователя с ЭВМ осуществляется через проблемно-ориентированный язык манипулирования моделями, описание которых в виде словаря понятий, набора параметров и их функциональных взаимосвязей, формируется на базе знаний об объектах исследуемой предметной области.

Оперативное управление процессом моделирования выполняется конструктором через интерпретатор директив (блок 1, рис. 4.4). При этом, изменение структуры моделируемой системы, коммутация состояний активности элементов, а также варьирование значений описывающих их конструктивных параметров, осуществляется пользователем при взаимодействии с модулем коррекции модели ВС (блок 2, рис. 4.4). Имитационная модель функционирования ВС произвольной структуры формируется на основе композиции макромоделей функционально законченных элементов, доопределенных конкретными значениями проектных параметров описываемой системы (блок 3, рис. 4.4). Соответствующие правила генерации математической модели ВС содержатся в базе знаний экспертного сопровождения процедуры моделирования.

Действия, выполняемые любым структурным элементом (объектом) в модели ВС, программно реализованы в виде соответствующих присоединенных процедур фреймов взаимосвязей свойств базы знаний о предметной области (см. рис. 2.15). Таким образом, построение общей имитационной модели ВС осуществляется на основе использования множества описанных в базе знаний моделирующих элементов с учетом исходных данных о структуре ВС и информации об условиях использования элементов в каждом узле - 124 - моделируемой схемы.

Библиотека моделей функциональных структурных элементов содержит макромодели типовых устройств, представленных проектировщиком в описании базы знаний рассматриваемой предметной области.

Библиотека формируется в автоматическом режиме при функционировании соответствующей подсистемы экспертной компоненты САПР ВС (см. блок 10, рис. 4.1). Набор элементов, используемых в качестве компонент, может быть расширен средствами соответствующих функций СУБЗ/СУБД. В систему могут включаться новые элементы или, наоборот, исключаться те из них, необходимость в использовании которых отпала. При этом, разные пользователи могут создавать и работать с различными подмножествами библиотеки моделей имитационной системы.

Генерация программы имитации и ее запуск осуществляются подсистемой моделирования автоматически.

Анализ работоспособности синтезируемой ВС осуществляется программой-имитатором (блок 4, рис. 4.4) в реальном масштабе времени, позволяя тем самым проектировщику визуально наблюдать за протекающими в системе вакуумными процессами и, при необходимости, оперативно на них реагировать.

Наглядное представление результатов моделирования в виде графиков, таблиц или текстовой документации осуществляют соответствующие сервисные программные средства (см. рис. 4.4). ВЫВОДЫ. 1. Разработана структура программных средств САПР ВС, реализующих вышеизложенный подход к интеллектуализации процесса автоматизированного проектирования вакуумных систем.

Выделены основные проектирующие модули системы и описаны принципы их информационного - 125 - взаимодействия. 2. Создан комплекс программных средств структурно-параметрического синтеза и анализа, реализующий предлагаемый алгоритм синтеза конструкций ВС. 3. Предложены программные средства формирования базы знаний конструирования ВС, обеспечивающие выявление знаний непосредственно из высококвалифицированных экспертов в процессе пассивного диалога.

Приведена логическая структура взаимодействия основных программных модулей системы. 4. Представлено описание подсистемы имитационного моделирования функционирования ВС произвольной структуры.

Показано функциональное взаимодействие основных процедурных блоков и экспертной компоненты системы. 5. Сформулированы основные принципы диалогового взаимодействия пользователя в процессе эксплуатации САПР ВС. 6. Отмечено, что разработанное программное обеспечение инвариантно по отношению к предметной области и после предварительной настройки может быть использовано практически в любой сфере инженерной деятельности. . - 126 - ЗАКЛЮЧЕНИЕ Выполненный комплекс теоретических, исследовательских и практических работ и полученные на их основе результаты позволяют сделать следующие выводы: 1. На основе анализа требований и эволюции вакуумного технологического оборудования выявлена потребность автоматизации начальных этапов проектирования ВС. Показана необходимость применения новых подходов к построению САПР конструирования, предусматривающих включение экспертных компонент поддержки основных проектных процедур структурно-параметрического синтеза ВС. 2. Проведен концептуальный анализ ВС, позволивший разработать инвариантные относительно введенных уровней членения системные модели ВС как объекта конструирования и проектирования, которые являются основой создания методики выявления экспертных знаний, структурно-параметрического синтеза и моделирования ВС. На основе системного анализа выполнена структуризация предметной области, позволившая сформировать классы принадлежности объектов и выделить описывающие их множества свойств и признаков. 3. Предложена обобщенная модель структурно-параметрического синтеза ВС, представляющая собой упорядоченную последовательность необходимых действий конструктора, приводящих к достижению поставленной цели проектирования. 4. Разработана методика непосредственного выявления знаний из высококвалифицированных экспертов, представляющая конструктору возможность диалогового формирования базы знаний подсистемы экспертной поддержки САПР рассматриваемой предметной области. 5. Сформирована концептуальная модель знаний, обеспечивающая возможность эффективного формирования и манипулирования знаниями - 127 - подсистемой экспертного сопровождения САПР ВС. 6. Выявлены основные проектные процедуры начальных стадий проектирования ВС, а также состав необходимых для эффективного функционирования САПР экспертных знаний их поддержки. 7. Предложена логическая структура создаваемой САПР ВС, позволяющая реализовать основные трудноформализуемые процедуры творческого процесса проектирования на основе использования в системе экспертных компонент поддержки принимаемых конструктором решений. 8. Разработаны математические модели функционирования базовых структурных элементов ВС, являющиеся основой проведения имитационного моделирование протекающих вакуумных процессов в ВС произвольной структуры. 9. Создан комплекс программных средств, обеспечивающих реализацию указанного подхода к автоматизации основных этапов синтеза на начальных этапах проектирования ВС. Результаты работы внедрены в НПО 'Вакууммашприбор' (г.

Москва), в НИИ точного машиностроения (г.

Зеленоград) и Московском государственном институте электроники и математики. . - 128 - ЛИТЕРАТУРА 1. Блинов И.Г., Мелехин Ю.Я., Панфилов Ю.В. Процессы и оборудование для нанесения тонких пленок в вакууме. Уч. пособие. - М.: Изд. МИЭТа, 1987. - 72 с. 2. Одиноков В.В. Шлюзовые системы в вакуумном оборудовании. Уч. пособие. - М.: Высшая школа, 1981. - 55 с. 3. Вакуумные системы и применяемые в них материалы и компоненты / Murakami Yoshio // Синку = Journal of Vacuum Society of Japan. - 1987, - 30, N2, - с. 964 - 967. 4. Оборудование для обработки в вакууме.

Заявка 643170 Япония, МКИ 4 С23 С14/56 / Дзе Хидэтака, Ватанабэ Осаму, Окумура Кацуя; К.К. Токуда сэйсакусе, К.К. Тосиба. - N o 62, -188029 // Кокай токке кохо. - 1989. - с. 391 - 396. 5. Thin film deposition apparatus including a vacuum transport mechanism. Пат. 4763602 США, МКИ 4 С23 С14 /00/ Madan Arun, Roeden Bolko Von; Glasstech Solar Inc. - N o 18617. Опубл. 18.08.1988. НКИ 118/719. 6. Данилин Б.С. Вакуумные технологические процессы и оборудование микроэлектроники. - М.: Машиностроение, 1987. - 71 с. 7. Sharma J.K.N. Vacuum systems for ion implantation equipment // Solid State Technol. - V. 17, N o 12, 1974. 8. Тихонов А.Н. Особенности проектирования вакуумных систем современного микрозондового оборудования. / Межвузовский сборник.'Электронное машиностроение, робототехника, технология ЭВП'. - М.: МИЭМ, 1984. - с. 123 - 128. 9. Попов В.Ф. Ионно-лучевые установки. - Л.: Энергоиздат, 1981. - 136 с. 10. Попов В.Ф., Горин Ю.Н. Процессы и установки электронно-ион- - 129 - ной технологии. - М.: Высшая школа, 1988. - 255 с. 11. Фигнер А.И. Высоковакуумная техника. / Сборник 'Электроника и ее применение'. - М.: 1978. 12. Ивановский Г.Ф., Петров В.И. Ионно-плазменная обработка материалов. - М.: Радио и связь. 1986. - 232 с. 13. Данилин Б.С., Киреев В.Ю. Применение низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 264 с. 14. Микролитография второй половины 80-х годов. - ЦНИИ 'Электроника', вып. 21, 1985. - 5 с. 15. Пипко А.И. Вакуумно-термическое оборудование в производстве изделий электронной техники.- М.:Машиностроение,1986.- 55с. 16. Ковалев Л.К. Вакуумное оборудование для производства тонкопленочных структур квантовой электроники. // Обзоры по ЭТ, серия 11 'Лазерная техника и оптоэлектроника'. - 1982, вып. 2 (886). - 83 с. 17. Симонов В.В., Корнилов Л.А., Шашелев А.В., Шокин Е.В. Оборудование ионной имплантации. - М.: Радио и связь, 1988. - 184 с. 18. Блинов И.Г., Кожитов Л.В. Оборудование полупроводникового производства. - М.: Машиностроение, 1986. - 264 с. 19. Денисов А.Г., Кузнецов Н.А., Макаренко В.А. Оборудование для молекулярно-лучевой эпитаксии. // Обзоры по ЭТ, серия 7 ' Технология, организация производства и оборудование '. - 1981, вып. 17 (828). - 52 с. 20. Данилин Б.С. Получение тонкопленочных элементов микросхем. - М.: Энергия, 1977. - 136 с. 21. Панфилов Ю.В., Рябов В.Т., Цветков Ю.Б. Оборудование производства интегральных схем и промышленные роботы. - М.: Ра- - 130 - дио и связь, 1988. - 320 с. 22. Сысоев В.В. Автоматизированное проектирование линий и комплектов оборудования полупроводникового и микроэлектронного производства. - М.: Радио и связь, 1982. - 120 с. 23. Быков В.П. 'Методическое обеспечение САПР в машиностроении', Л.: Машиностроение, Ленингр. отд., 1989. - 255 с. 24. Саксаганский Г.Л. Основы расчета и проектирования вакуумной аппаратуры. - М.: Машиностроение, 1978. - 76 с. 25. Вакуумная технология / Oshima chuhei // Хэмэн кагаку = J. Surface Sci. Soc. Jap. - 1989. - 10, N o 10, - c. 884 - 890. 26. Минайчев В.Е. Вакуумное оборудование для нанесения пленок. - М.: Машиностроение, 1978. - 60 с. 27. Введенский В.Д., Рязанкин В.П., Салищев Г.С. Современные установки для нанесения оптических покрытий в вакууме методами термического испарения. / ' Оптико-механическая промышленность ', - 1987, N o 9, - с. 47 - 54. 28. Diffusion, cryogenic and turbo pumping // European Semiconductor Design and Production Assembly. - 1989. - 11, N o 1, - c. 28. 29. Today's ultrahigh vacuum limits: Sci. e. tech. / Bernardini M. // Vuoto: Sci. e. tech. - 1989, - 19, N o 2, - p. 50 - 52. 30. Проспект фирмы RIBER ( Франция ). Молекулярно-лучевая эпитаксия, - 1977. - 5 p. 31. Проспект фирмы VARIAN ( США ). Молекулярно-лучевая эпитаксия, - 1978. - 4 р. 32. Проспект фирмы Leybold-Heraeus ( ФРГ ). UHV - Aut dampfunlage PU-450, - 1978. - 4 p. 33. Котельников Ю.Н. Автоматизация вакуумно-технологических процессов и оборудования. - М.: Машиностроение,1987. - 55с. - 131 - 34. Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы теории и проектирования САПР: Учебник для втузов. - М.: Высшая школа,1990. - 335 с. 35. Половинкин А.И. Основы инженерного творчества: Учебное пособие для студентов втузов. - М.: Машиностроение, 1988. - 368 с. 36. Андреев Л.В. О совместительстве в мире конструкций. / Машиностроитель, - 1991. - N o 4, - c. 6 - 9. 37. Автоматизация поискового конструирования (искусственный интеллект в машинном проектировании). / Под. ред.

Половинкина А.И. - М.: Радио и связь, 1981. - 344 с. 38. Батищев Д.И. Поисковые методы оптимального проектирования. - М.: Советское радио, 1975. - 216 с. 39. Остапенко О.Г. Анализ и синтез линейных радиоэлектронных цепей с помощью графов: Аналоговые и цифровые фильтры. - М.: Радио и связь, 1985. - 280 с. 40. Половинкин А.И. Методы инженерного творчества. - Волгоград, 1984. - 365 с. 41. Вермишев Ю.Х. Методы автоматического поиска решений при проектировании сложных технических систем. - М.: Радио и связь, 1982. - 152 с. 42. Батищев Д.И. Поисковые методы оптимального проектирования. - М.: Советское радио, 1975. - 216 с. 43. Масленников П.Н., Сысоев В.В. Оптимизация структуры линий полунепрерывного производства при их проектировании. - Воронеж: ВГУ, 1979. - 108 с. 44. Райцын Т.Н. Синтез систем автоматического управления методом направленных графов. - Л.: Энергия, 1970. - 96 с. 45. Тащина А.Г., Бродянский В.М., Синявский Ю.В. Принципы синтеза и оптимизации схем криогенных установок на основе - 132 - группировки их элементов. // Труды МЭИ. Исследование и совершенствование теплоэнергетических и криогенных систем. - 1975, вып. 249, - с. 100 - 107. 46. Тащина А.Г. Алгоритм автоматизированного синтеза схем криогенных установок. // Труды МЭИ. - 1978, вып. 386, - с. 149 - 154. 47. Дворянкин А.М., Половинкин А.И., Соболев А.Н. Методы синтеза технических решений. - М.: Наука, 1977. - 104 с. 48. Цвиркун А.Д. Основы синтеза структуры сложных систем. - М.: Наука, 1982. - 200 с. 49. Корячко В.П., Курейчик В.М., Норенков И.П. Теоретические основы САПР. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 400 с. 50. Цвиркун А.Д., Акинфиев В.К. и др.

Имитационное моделирование в задачах синтеза структуры сложных систем: Оптимизационно-имитационный подход. - М.: Наука, 1985. - 173 с. 51. Волчкевич Л.И., Кузнецов Н.А. Выбор оптимальной структуры многопозиционных автоматов электронной промышленности. // Электронная техника, Сер. 7. Технология, организация производства и оборудование. Вып. 3 (82). - 1977. - с. 61 - 74. 52. Добров Е.М., Ершов Ю.В., Левин Е.И., Смирнов Л.П. Экспертные оценки в научно-техническом прогнозировании. - Киев: Наукова думка, 1974. - 160 с. 53. Бешелев С.Д., Гурвич Ф.Г. Математико-статистичекие методы экспертных оценок. - М.: Статистика, 1980. - 263 с. 54. Бажин И.И., Беренгард Ю.Г., Гайцгори М.М. и др.

Автоматизированное проектирование машиностроительного гидропривода. / Под ред.

Ермакова С.А. - М.: Машиностроение, 1988. - 312 с. 55. Чичварин Н.В. Экспертные компоненты САПР. - М.: Машиностроение, 1991. - 240 с. - 133 - 56. Аветисян Д.А., Башмаков И.А., Геминтер В.И. и др.

Системы автоматизированного проектирования: Типовые элементы, методы и процессы. - М.:Издательство стандартов, 1985. - 179 с. 57. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем. - М.: Высшая школа, 1980. - 311 с. 58. Норенков И.П. Системы автоматизированного проектирования: Принципы построения и структура. Кн. 1. - М.: Высшая школа, 1986. - 127 с. 59. Жук Д.М., Мартынюк В.А., Сомов П.А. Технические средства и операционные системы. САПР. Кн. 2. - Минск: Высшая школа, 1988. - 156 с. 60. Кулон Ж.-Л., Сабоннадьер Ж.-К. САПР в электротехнике. - М.: Мир, 1988. - 208 с. 61. САПР в радиотехнике.

Справочник. / Под ред И.П. Норенкова. - М.: Радио и связь, 1986. - 368 с. 62. Ильин В.Н., Фролкин В.Г., Бутко А.И. и др.

Автоматизация схемотехнического проектирования. - М.: Радио и связь, 1987. - 368 с. 63. Dow M.R. Algoritms for integrated calculation models and drafting in building services pipework design. / Computer - aided design. - Vol. 19, - N o 9, - 1987. - p. 479 - 484. 64. Капустин Н.М., Васильев Г.Н. Автоматизация конструкторского и технологического проектирования. САПР. Кн. 6. - Минск: Вышэйшая школа, 1988. - 191 с. 65. Керимов З.Г., Багиров С.А. Автоматизированное проектирование конструкций. - М.: Машиностроение, 1985. 66. САПР изделий и технологических процессов в машиностроении.

Справочник. / Под ред. Аллик Р.А. - Л.: Машиностроение, - 134 - 1986. - 319 с. 67. Челищев Б.Е., Боброва И.В., Гонсалес-Сабатер А. Автоматизация проектирования технологии в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1987. - 264 с. 68. Дризовский Л.М., Киселева Э.В., Буторина Т.С. Состояние и перспективы развития САПР. // Приборы и системы управления. N o 11, 1983. - с. 15 - 17. 69. Малиновский Э.В., Жилнин В.С. Расчет методом Монте-Карло пропускной способности цилиндрических труб при молекулярном режиме течения газа. // ЭТ., Сер. 4 ' Электровакуумные и газоразрядные приборы ': Научно-технический сборник / ЦНИИ ' Электроника ', - 1989. - Вып. 2, - с. 45. 70. Малиновский Э.В. Влияние шероховатости поверхности стенок каналов на их пропускную способность при молекулярном режиме течения газа. // ЭТ., Сер. 4 ' Электровакуумные и газоразрядные приборы ': Научно-технический сборник / ЦНИИ ' Электроника ', - 1990. - Вып. 1, - с. 72 - 75. 71. Yoshimura Nagamitsu. Vacuum Circuit Composed of Elements with Characteristic Values Corresponding to Those of High Vacuum System. ' IONICS, Ion Sci. and Technol. ', 1985, N o 112, p. 23 - 28. 72. Yoshimura Nagamitsu. Analysis of Pressure Distributions based on Vacuum Circuits. ' IONICS, Ion Sci. and Technol. ', 1984, N o 27, p. 471 - 473. 73. Разработка способов расчета вакуумных систем произвольной геометрии: НТО / НИИ ПМК при ГГУ им. Н.И. Лобачевского.

Горький, 1983. - 23 с. N o ГР. 01821000681. 74. Моделирование вакуумной системы методом конечных разностей. Itoh Akiko, Nakazava Masaru, Ueda Sinjiro. ' Синку, Journal - 135 - of Vacuum of Society of Japan ', 1987, 30, N o 5, p. 420-424. 75. Сырчин В.К., Ручнов С.В. Моделирование и расчет шлюзовых систем вакуумного технологического оборудования. // Сборник научных трудов МИЭТа ' Моделирование и расчет элементов и устройств технологического оборудования микроэлектроники '. - М.: изд. МИЭТа, 1985. - с. 9 - 21. 76. Arbel Ami, Shapira Yoran. A dicision framework for evaluating vacuum pumping technology. // ' Journal of Vacuum Science and Technology ', 1986, 4, N o 2, p. 230 - 236. 77. Разработка основных методов построения функциональных информационно-проектирующих систем узлов машиностроения и приборостроения: Отчет о НИР / ЛПИ; Руководитель Л.Н. Розанов. - N o ГР. 01880027791. - Л., 1989. - 361 с. 78. Розанов Л.Н., Дзельтен Г.П., Печатников Ю.М. Автоматизация проектирования принципиальных вакуумных схем. // Вакуумная техника и технология, 1991, N o 1, с. 8 - 11. 79. Розанов Л.Н., Щемев В.В., Печатников Ю.М. Автоматизация проектирования вакуумных агрегатов. / Автоматизация проектирования в машиностроении: Межвузовский сборник. - Л.:ЛПИ, 1987. - с. 45 - 48. 80. Розанов Л.Н., Печатников Ю.М., Донская М.М. Подсистема автоматического проектирования вакуумных агрегатов. / Автоматизация проектирования в машиностроении: Межвузовский сборник. - Л.: ЛПИ, 1987. - с. 48 - 53. 81. Розанов Л.Н. Автоматизация проектирования вакуумных агрегатов. / Тезисы докладов ВНТК ' Состояние и перспективы развития вакуумной техники ', ч.1. - Казань, 1991. - с. 6 - 7. 82. Кожевников А.И., Батраков В.Б., Львов Б.Г. Структурно-параметрический синтез вакуумных систем технологического обору- - 136 - дования. / Тезисы доклада ВНТК 'Состояние и перспективы развития вакуумной техники' ('Вакуум-91'), ч.1. - Казань: 1991. - с. 53 - 54. 83. Пипко А.И., Плисковский В.Я., Пенчко Е.А. Конструирование и расчет вакуумных систем. - М.: Энергия, 1979. - 504 с. 84. Розанов Л.Н. Вакуумная техника: Учебник для вузов по спец. ' Вакуумная техника '. - М.: Высшая школа, 1990. - 320 с. 85. Любарский Ю.Я. Интеллектуальные информационные системы. - М.: Наука, 1990. - 232 с. 86. Тамм Б.Г., Пуусепп М.Э., Таваст Р.Р. Анализ и моделирование производственных систем. - М.: Финансы и статистика, 1987. - 191 с. 87. Львов Б.Г. Основы теории технических систем. - М.: МИЭМ, 1991. - 136 с. 88. Кожевников А.И., Батраков В.Б., Барашкова Г.Н. Формирование концептуальных моделей объекта в САПР вакуумной коммутационно-регулирующей аппаратуры. / Тезисы доклада ВНТС 'САПР в машиностроении'. - Ульяновск: 1990г. - с. 59. 89. Арменский Е.В., Львов Б.Г., Митрофанов С.А. Стратегия построения концептуальной модели технического объекта. / Межвузовский сборник 'Методы моделирования и оптимизации в САПР конструкторско-технологических работ'. - М.:1989. - с. 3-6. 90. А.с. N o 1514998 (СССР). Сверхвысоковакуумный затвор с электромеханическим приводом. / Кожевников А.И., Батраков В.Б., Львов Б.Г., Павлова Т.С., Самойлов Ю.С. - Опубл. в Б.И. N o 38, 1989. 91. А.с. N o 1566156 (СССР). Сверхвысоковакуумный затвор./ Кожевников А.И., Батраков В.Б., Барашкова Г.Н., Львов Б.Г. - Опубл. в Б.И. N o 19, 1990. - 137 - 92. Ревунов Г.И., Самохвалов Э.Н., Чистов В.В. Базы и банки данных и знаний. - М.: Высшая школа, 1992. - 367 с. 93. Кожевников А.И., Львов Б.Г., Батраков В.Б. Построение базы знаний проектирования вакуумного оборудования. / Тезисы доклада ВСС 'Проектирование и эксплуатация баз данных и баз знаний'. - Симферополь, 1991. - с. 43. 94. Поспелов Д.А. Логико-лингвистические модели в системах управления. - М.: Энергоиздат, 1981. - 231 с. 95. Кожевников А.И., Львов Б.Г., Батраков В.Б. Интеллектуализация САПР вакуумных систем. / Вакуумная техника и технология, 1993, N o 1, т. 3, с. 19 - 23. 96. Кожевников А.И., Батраков В.Б., Львов Б.Г. Метод автоматизированного выбора оптимального конструктивного варианта детали. / Тезисы доклада Московской городской НТК ' Автоматизация производственных процессов и управление качеством'. - М.: 1986. - с. 38. ДСП. 97. Кожевников А.И., Львов Б.Г., Шиленко Е.С. Автоматизированный выбор высоковакуумных насосов. - М.: МИЭМ, 1988. - 20 с. 98. Кожевников А.И., Батраков В.Б., Львов Б.Г. Автоматизированный выбор элементной базы вакуумных систем. / Тезисы доклада отраслевой НТК 'Автоматизация конструкторской и технологической подготовки производства в условиях ГПС'. - Ужгород: 1988. - с. 19 - 26. 99. Кожевников А.И., Батраков В.Б., Львов Б.Г. и др.

Разработка ППП выбора и оценки элементной базы ВС; структурного синтеза и кинематического анализа механизмов ВКРА. / В кн. 'Автоматизация конструкторской и технологической подготовки ГПС'. - НТО МИЭМ, N o ГР. 01840047751. Деп. ВНТИЦ. Инв. N o 02890021379. - М.: 1988. - с. 17 - 36. ДСП. - 138 - 100. Кожевников А.И., Батраков В.Б., Львов Б.Г. Формализация проектирования вакуумных манометров на этапе выбора ФПД. / Тезисы доклада II ВСМУиС 'Датчики, преобразователи информации систем измерения, контроля и управления' - Симферополь: 1990. - с. 36. 101. Кожевников А.И. Формализация выбора вакуумных шлюзовых систем. / Тезисы доклада ВНТК 'Состояние и перспективы развития вакуумной техники' ('Вакуум-91'), ч.2. - Казань: 1991. - с. 82 - 83. 102. Ларичев О.И., Мечитов А.И., Мошкович Е.М., Фуремс Е.М. Выявление экспертных знаний (процедуры и реализации). - М.: Наука, 1989. - 128 с. 103. Элти Дж., Кумбс М. Экспертные системы: концепции и примеры. - М.: Финансы и статистика, 1987. - 191 с. 104. Шрайбер Т.Дж.

Моделирование на GPSS. - М.:Машиностроение, 1980. - 590 с. 105. Азаров С.С., Шамшур А.В. Моделирование непрерывных и дискретных систем с использованием пакета GASP-IV/ИК АН УССР - Киев: 1973. - 36 с. 106. Прицкер Б. Введение в ИМ и язык СЛАМ - М.:Мир, 1987.-644с. 107. Киндлер Е. Языки моделирования. - М.: Энергоатомиздат, 1985, 288 с. 108. Кожевников А.И., Львов Б.Г., Батраков В.Б. Моделирование функционирования вакуумных систем произвольной структуры. // Межвузовский сб. научных трудов 'Автоматическое оборудование и технология производства изделий электронной техники'. - М.: МИЭМ, 1991. - с. 48 - 51. 109. Кожевников А.И., Львов Б.Г., Батраков В.Б. Автоматизация моделирования функционирования вакуумных систем произволь- - 139 - ной структуры. / Тезисы доклада ВШС 'Пути повышения интеллектуализации САПР'. - Симферополь, 1991. - с. 50. 110. Солодовников И.В. Языки, программное обеспечение и организация систем имитационного моделирования. - М.: Машиностроение, 1982. - 48 с. 111. Солодовников И.В. Системы имитационного моделирования как структуры данных. // Приборостроение. Т. ХХХI, N o 8, 1988. - с. 8-12. 112. Солодовников И.В. Реализация систем планирования средствами баз данных. // Автоматизированные системы управления и приборы автоматики, вып. 95, - Харьков, Вища школа, 1990. - с. 124-129. 113. Кожевников А.И., Львов Б.Г., Батраков В.Б. и др.

Разработка программных средств автоматизации проектирования вакуумных систем оборудования электронной техники. - НТО МИЭМ, N o ГР. 01920005471. Деп. ВНТИЦ. Инв. N o 02920005913. - М.: 1991. - 53 с. 114. Кожевников А.И., Львов Б.Г., Батраков В.Б. и др.

Программные средства автоматизированного проектирования вакуумных систем. - НТО МИЭМ, N o ГР. 01900042547. Деп. ВНТИЦ. Инв. N o 02910000044. - М.: 1990. - 48 с. 115. Кожевников А.И., Львов Б.Г., Батраков В.Б., Витушкин П.И. САПР вакуумных систем оборудования производства изделий электронной техники. / Тезисы доклада ВССМУС 'Разработка и оптимизация САПР и ГАП изделий электронной техники на базе высокопроизводительных мини и микро ЭВМ'. - Воронеж: 1989. - с. 176. 116. Кожевников А.И., Львов Б.Г. и др.

Разработка информационного и программного обеспечений САПР вакуумного оборудования. - 140 - / В кн. 'Разработка САПР вакуумного оборудования и САПР систем автоматизированного управления', НТО МИЭМ, N o ГР. 01890052063. Деп. ВНТИЦ. Инв. N o 02900008823. - М.: 1989. с. 8 - 34. ДСП. 117. Кожевников А.И., Львов Б.Г., Батраков В.Б. Информационно-программное обеспечение автоматизации проектирования вакуумных систем. / Тезисы доклада ВНТК 'Информационное и программное обеспечение САПР', - Ужгород: 1990. с. 16 - 17. 118. Кожевников А.И., Батраков В.Б., Витушкин П.И. Автоматизированная система графического изображения принципиальных схем. / Тезисы доклада XIV МГНТК, посвященной дню Радио, Союз НИО СССР. - М.: 1988. 119. Кожевников А.И., Батраков В.Б. и др.

Программные средства отображения принципиальных схем вакуумных систем с использованием графопостроителей. / Тезисы доклада ВСНТК 'Автоматизация проектирования и конструирования в электронном машиностроении'. - М.: 1988. с. 38 - 39. ДСП. 120. Кожевников А.И., Львов Б.Г., Батраков В.Б., Павлова Т.С. Автоматизация конструкторских работ при проектировании ВКРА. / Тезисы доклада ВНТК 'Информационное и программное обеспечение САПР'. - М.: 1989. - с. 101. 121. Кожевников А.И., Львов Б.Г., Батраков В.Б., Петров Ю.А. Разработка ППП синтеза и анализа механизмов вакуумно-коммутационной аппаратуры. - НТО КнАПИ и МИЭМ. N o ГР 01880018619 Деп. ВНТИЦ. Инв. N o 02890019044. - М.: 1989. - 262 с. 122. Кожевников А.И., Львов Б.Г., Батраков В.Б. и др.

Подсистема параметрического выбора и анализа ВКРА / В кн. 'Автоматизация конструкторской и технологической подготовки ГПС'. - НТО МИЭМ. N o ГР 01840047751. Деп. ВНТИЦ. Инв. N o - 141 - 02880012444. - М.: 1987. - с. 22 - 31. ДСП. 123. Кожевников А.И., Львов Б.Г. и др.

Разработка программных средств формирования базы знаний проектирования вакуумных систем. - НТО МГИЭМ (ТУ). N o ГР 01940000737. - М.: 1993. - 88 с. 124. Кожевников А.И., Львов Б.Г., Солодовников И.В. и др.

Анализ и выбор инструментальных программных средств информационной системы поддержки решений. - НТО МГИЭМ (ТУ). N o ГР 01940000736. - М.: 1993 - 56 с. 125. Havenstein A., Schwarzzkopf W. Arbeitsbereich Konstruktion, VDI-Z, 1984, N o 20, s. 753 - 759. 126. Kissling U. Praxisgerechte maschinenbauberechnungen auf Computer. // Techn. Rdsch., 1979, N o 39, s. 90 - 93. 127. Klein B. CAP, CAD, CAM im Konstruktionsbereich. // 'Maschinenbau', 1988, 17, s. 13 - 27. 128. Martin L.R. CAD/CAM An Even Fuller Menn Anead. // Manuf. Eng. ( USA ), 1987, 99, N o 6, p. 43 - 49. 129. Hales H.L. Producibility and Integration: a Winning Combination. // Manuf. Eng. ( USA ), 1987, 99, N o 2, p. 14 - 18. 130. Parthier U. CAE auf PC - Basis Electronik - CAD bei MBB. // Hard and Soft, 1987, N o 11-12, p. 26 - 27. 131. Тэцуо И., Идзуми М., Норихито К. Современное состояние применения САПР/АСТПП. // ' Дзудок гидзюцу, Mech. Autom ', 1987, 19, N o 6, с. 89 - 93. 132. Kunne B., Jorden W. Kosteneigparung durch systematische Verwendung von Halbzeugen. // Konstruktion, 1988, 40, N o 6, s. 239 - 244. 133. Darrow B. CAD/CAM: the best is yet to come. // 'Des. News', - 142 - 1987, 43, N o 20, p. 74 - 78. 134. Linke S. Ingenieurdatenbank fur die Unterstutz und von Entwicklung und Konstruktion. // ' ZwF ', 1987, 82, N o 11, s. 632 - 636. 135. Hohne Gunter. Verbindung von Konstruktionsmethoden und CAD im Konstruktionsprozess. // Maschinenbautechnik, 1988, 37, N o 3, s. 122 - 124. 136. Profil, CAD - Konstruktion in der Blechverarbeitung. // Blech, Rohre, Profile, 84, N o 6, 1987, s. 476 - 477. 137. Аветисян Д.А. Основы автоматизированного проектирования электромеханических преобразователей. - М.: Высшая школа, 1988. - 271 с. 138. Интеллектуальные системы автоматизированного проектирования больших и сверхбольших интегральных схем. / Под. ред.

Мищенко В.А. - М.: Радио и связь, 1988. - 272 с. 139. Шпур Г., Краузе Ф.Л. Автоматизированное проектирование в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1988. - 648 с. 140. Григоренко В.П., Дерменжи П.Г., Кузьмин В.А., Мнацаканов Т.Г. Моделирование и автоматизация проектирования силовых полупроводниковых приборов. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 280 с. 141. Егер С.М., Лисейцев Н.К., Самойлович О.С. Основы автоматизированного проектирования самолетов. - М.: Машиностроение, 1986. - 232 с. 142. Автоматизация проектирования оптико-электронных приборов. / Под. ред.

Лазарева Л.П. - М.: Машиностроение, 1986. - 216с. 143. Практикум по автоматизации проектирования оптико-механических приборов. / Под. ред.

Малинина В.В. - М.: Машиностроение, 1989. - 272 с. - 143 - 144. Общеотраслевые методические материалы по определению экономической эффективности систем автоматизированного проектирования в проектных, проектно-конструкторских и технологических организациях, в основном производстве и капитальном строительстве. - М.: ГКНТ, 1985. - 57 с. 145. Типовые нормы времени на разработку конструкторской документации. - М.: ЦБНТ при НИИтруда. . - 144 - П Р И Л О Ж Е Н И Я . - 145 - Приложение 1. Обоснование эффективности автоматизированного синтеза ВС на начальных этапах проектирования.

Несмотря на очевидные преимущества реализации САПР, их внедрение осуществляется весьма медленно.

Причем, проблема состоит не только в трудностях создания САПР машиностроительных объектов, но и в рентабельности САПР. Высокая стоимость программно-технических средств и значительное время, затрачиваемое собственно конструктором в диалоге с ЭВМ, делают систему малоэффективной, особенно в отечественных конструкторских бюро, в которых отношение стоимости машинного часа работы к среднечасовой заработной плате конструктора очень велико. В связи с этим возникают задачи рационального распределения функций между проектировщиком и ЭВМ, выявления состава проектных процедур, обеспечивающих рентабельность системы, максимальной степени автоматизации всех проектных операций. Так проведенный анализ использования САПР на машиностроительных предприятиях ФРГ [125] показал, что в основном ЭВМ используются при автоматизации проектно-конструкторских расчетов ( 48-78 % предприятий), составлении спецификаций конструкций (45-65 %), в то же время автоматизация чертежно-графических работ используется лишь на 18 % предприятий. В работе [126] делается вывод, что для большинства мелких и средних предприятий ЭВМ недоступна из-за больших затрат на программное и техническое обеспечение.

Вместе с тем в [127] показано, что затраты на САПР окупятся за счет сокращения сроков внедрения нововведений, обеспечивая высокую конкурентоспособность предприятия. - 146 - Прогноз развития САПР в США до 2000 г. [128] определяет снижение стоимости программно-технических средств на порядок и широкое использование САПР с трехмерной машинной графикой на основе экспертных систем и систем искусственного интеллекта, обеспечивающих получение сложных конструкторских решений пользователями с минимальной подготовкой. В работах [129-136], посвященных анализу применения САПР за рубежом, отмечается, что существенным фактором внедрения САПР на предприятиях является ее рентабельность и в связи с этим выделяется состав экономически выгодных проектно-конструкторских работ: концептуальное и эскизное проектирование технических объектов; автоматизация чертежных работ; проведение конструкторских проектных и поверочных расчетов; внесение оперативных изменений в техническую документацию; хранение и поиск информации; документирование результатов конструирования. Таким образом, целесообразность автоматизации синтеза технических решений, и в частности вакуумных систем, требует экономического обоснования, что особенно актуально в условиях перехода предприятий страны на новые экономические отношения.

Анализ работ [54,56,137-143], посвященных созданию САПР технических систем, показал на серьезные трудности, возникающие при расчете эффективности разработки САПР. Это связано со сложностью определения таких показателей эффективности, как изменение себестоимости проектирования, повышение качества проектирования, уровень автоматизации проектно-конструкторских работ, условное сокращение численности конструкторов, работающих в проектно-конструкторской организации, и др.

Вместе с тем в указанных работах на декларативном уровне вскрыты основные источники экономической эффективности автоматизации проектирования: - повышение производительности труда конструктора, основанное - 147 - на значительном ускорении процессов поиска, обработки и выдачи информации, существенной экономии времени выполнения расчетных операций, увеличении скорости выполнения чертежно-графических работ, формирования текстовой документации и внесения изменений в документацию, замене экспериментальных исследований и макетирования моделированием на ЭВМ, исключении или существенном уменьшении доработок проекта; - повышение качества разрабатываемых проектов, основанное на использовании методов многовариантного проектирования и оптимизации для поиска рациональных вариантов и принятия решений, повышении доли творческого труда за счет автоматизации рутинных работ, повышении качества проектно-конструкторской документации, высокой точности и возможности проведения любых расчетов, совершенствовании управления процессом разработки проектов.

Повышение качества проектирования приводит к уменьшению объема испытаний при доводке опытных образцов, а также экономии в процессе производства и эксплуатации технического объекта за счет ускорения периода освоения изделий, экономии производственных ресурсов, обеспечения высокой технологичности, сокращения времени ввода в эксплуатацию, улучшения эксплуатационных качеств.

Внедрение методов автоматизированного проектирования создает сопутствующие факторы повышения эффективности разработок: - систематизация проектно-конструкторских работ; - повышение качества проектирования специалистами невысокой квалификации за счет использования в САПР коллективного опыта высококвалифицированных разработчиков; - унификация и стандартизация проектно-конструкторских решений и элементной базы проектирования. В настоящее время эффективность использования САПР определя- - 148 - ется в соответствии с методикой [144]. К общим показателям экономической эффективности САПР относятся годовая экономия - Э, годовой экономический эффект - Э год , срок окупаемости - Т ок . Годовая экономия от использования САПР получается в сферах проектирования, производства спроектированных объектов и использования результатов производства. В работе [66] на основе методики [144] рассмотрены методы определения уровней автоматизации проектирования и расчета экономической эффективности использования САПР. В основу определения экономической эффективности САПР положено сопоставление технико-экономических показателей 'ручного' и автоматизированного способов проектирования.

Годовой экономический эффект Э год определяется по формуле: Э год = Э - ( D К + К l ) 7 Е н , (П.1) где Э - общая годовая экономия от использования САПР, т.руб./год; D К - дополнительные капитальные затраты в проектировании, связанные с соединением и внедрением рассматриваемой САПР, т.руб./год; К l - производственные затраты на создание оцениваемой САПР, т.руб.; Е н - нормативный коэффициент сравнительной экономической эффективности капитальных вложений, 1/год. Э = D С + Э к + Э соц , (П.2) где D С - снижение себестоимости проектирования в расчетном году, т.руб./год; Э к - годовая экономия от повышения качества проектных решений в расчетном году, т.руб./год; Э соц - годовая экономия общественных фондов потребления и затрат социально-культурного и бытового назначения, т.руб./год.

Основным источником предполагаемой годовой экономии при автоматизации начальных стадий проектирования является снижение себестоимости D С, поскольку расчет составляющих Э к и Э соц весьма затруднителен из-за того, что проектируемый с помощью средств автоматизации объект еще не существует. - 149 - Следовательно, учитывая (П.2) выражение (П.1) можно представить в виде: Э год = D С - ( D К + К l ) 7 Е н (П.3) Срок окупаемости Т ок расчитывается по формуле: 1 Т ок = , (П.4) Е р где Е р - расчетный коэффициент общей экономической эффективности, определяющий экономию, полученную на 1 рубль капитальных затрат. Э Е р = (П.5) D К + К l Система считается достаточно эффективной при условии: Е р . Е н (П.6) Найдем условие эффективности автоматизации начальных стадий проектирования технического объекта.

Полагая Э = D С и учитывая условие (П.6) приведем выражение (П.5) к следующему виду: D С . Е н , (П.7) D К + К l D С = р С - а С , (П.8) D К = а К - р К , (П.9) где р С, а С - соответственно себестоимость при традиционном и автоматизированном проектировании; а К, р К - соответственно капитальные затраты при автоматизированном и традиционном способах проектирования.

Себестоимости р С и а С определяются следующими выражениями: р С = З к 7 р Т , (П.10) а С = ( З к + З э ) 7 а Т , (П.11) где З к - усредненная среднечасовая заработная плата конструктора, руб./час; З э - стоимость часа машинного времени, руб./час; р Т, а Т - нормы времени на разработку соответственно при традицион- - 150 - ном и автоматизированном проектировании, час.

Стоимость часа машинного времени: 0,18 7 Ц э З э ~ + З а , (П.12) Т ф где Ц э - цена ЭВМ, руб.; Т ф - годовой фонд работы ЭВМ и конструктора ( при работе в интерактивном режиме они совпадают), час; З а - среднечасовая заработная плата обслуживающего персонала ЭВМ, руб./час.

Капитальные затраты [77]: ( К э ) а Т а К = 2 7 Ц э + Ц 1 7 V э 2 7 , (П.13) 9 n к 0 Т ф где К э - коэффициент, учитывающий дополнительные капитальные затраты на транспортировку, монтаж и ввод в действие ЭВМ и вспомогательного оборудования (в укрупненных расчетах - К э ~ 1,21); n к - число конструкторов, одновременно использующих ЭВМ (учитывая современную ориентацию на персональную технику - n к = 1); Ц 1 - стоимость 1 м 3 здания, руб./м 3 ; V э - объем, занимаемый ЭВМ, м 3 ( с учетом того, что персональная ЭВМ расположена на рабочем месте конструктора и не требует для себя дополнительной площади - V э =0). Таким образом, выражение (П.13) принимает вид: а Т а К = 1,21 7 Ц э 7 (П.14) Т ф Капитальные затраты при традиционном проектировании определяются из выражения (П.15): р Т р К = Ц 1 7 V к 7 , (П.15) Т ф где V к - объем здания, занимаемый рабочим местом конструктора.

Предварительные затраты К l определим как: а Т К l = Ц п 7 , (П.16) Т ф - 151 - где Ц п - стоимость информационно-программного обеспечения,руб.

Учитывая выражения (П.8)-(П.12), (П.14)-(П.16) запишем отношение (П.7) в следующем виде: р Т 7 З к - а Т 7 ( З к + З э ) . 1 , (П.17) ( а Т р Т а Т ) 2 1,21 7 Ц э 7 - Ц 1 7 V к 7 + Ц п 7 2 7 0,15 9 Т ф Т ф Т ф 0 где Е н принято равным 0,15. р Т Введем коэффициент a = , (П.18) а Т показывающий во сколько раз производительность автоматизированного труда конструктора больше производительности его труда традиционным способом.

Подставив коэффициент a в выражение (П.17) получим окончательный вид отношения для оценки эффективности автоматизации проектных работ: [ ( a - 1) 7 З к - З э ] 7 Т ф . 1 (П.19) 0,15 7 ( 1,21 7 Ц э - Ц 1 7 V к 7a + Ц п ) Для оценки целесообразности автоматизации процесса синтеза вакуумных систем необходимо означить все неизвестные величины в выражении (П.19). Основную сложность вызывает определение норм времени а Т и р Т, которые в первом приближении можно оценить используя дифференцированные нормативы трудоемкости, используемые в машиностроении [145]. Содержание работ по синтезу технических решений на начальных стадиях проектирования определяется стадией технического предложения конструкторской разработки технического объекта, его сложностью и техническим заданием.

Укрупненные виды работ, выполняемые на этапе проработки технического предложения для синтеза вакуумных схем, а также значения соответствующих им типовых норм времени приведены в таблице П.1. . - 152 - Таблица П.1. Нормы времени основных стадий проектирования вакуумных систем на стадии 'Техническое предложение' [145] * . N Основные этапы Объем р t i а t j п/п (ед.) (час) (час) 1 Научно-исследовательские и 1,3 7 р Т опытно-конструкторские работы 2 Разработка ТЗ А4 3 0,08 3 Рассмотрение технической докуА4 1 0,02 ментации и выдача предложений 4 Разработка принципиальных, А1 80,1 3 структурных, функциональных схем 5 Проведение технических А4 6,8 0,08 расчетов 6 Составление пояснительной А4 6,8 0,01 записки 7 Разработка чертежей общего А1 115 5 вида 8 Разработка эскизной конструкА4 2,26 торской документации 9 Разработка чертежей деталей А4 1,96 0,5 10 Составление спецификаций А4 1,7 0,04 11 Сверка подлинника с оригиналом А4 0,15 чертежа 12 Сверка и исправление докуА4 0,15 ментов 13 Проведение работ по унификации А4 4 14 Разработка текстовой докуменА4 5,75 0,1 тации 15 Испытание и отладка опытного 1,1 7 р Т 0,5 образца 16 Корректировка документации 1,35 7 р Т 0,04 после испытаний образца Итого: р Т=457,4 а Т=9,37 * Примечание.

Трудоемкость указана по средней группе сложности на единицу объема каждой стадии проектирования (т.е. рассматривается удельная трудоемкость). - 153 - Основываясь на данных таблицы П.1 из выражения (П.18) определяем значение коэффициента a : S р t i р Т 457,4 a = = = = 48,8 S а t j а Т 9,37 Учитывая современный уровень цен и данные нормативных источников приняты следующие значения требуемых величин: З к = 2,25 7 10 -2 7 З min ( руб./час ); З э = 2,5 7 10 -2 7 З min (руб./час); Т ф = 2000 (час); Ц э = 200 7 З min (руб.); Ц 1 = 0,25 7 З min (руб./м 3 ); V к = 3 (м 3 ); Ц п = 50 7 З min (руб.); где З min - минимальная месячная заработная плата.

Подставляя все известные значения в (П.19) получаем: [ (48,8 - 1) 7 2,25 7 10 -2 7 З min - 2,5 7 10 -2 7 З min ] 7 2000 = 5,5 . 1 0,15 7 ( 1,21 7 200 7 З min - 0,25 7 З min 7 3 7 48,8 + 50 7 З min ) Таким образом, выполнение отношения (П.19) убеждает в целесообразности проведения автоматизации начальных этапов синтеза технических решений при проектировании вакуумных систем. . - 154 - Приложение 2. Взаимосвязи свойств и признаков функциональных модулей ВС. Таблица П.2. Множества существенных признаков П d, П x, П h первого уровня функциональной конкретизации ВС. N Функция П Р И З Н А К И п 1 F i Действия ( П d ) Операнда ( П x ) Окружения ( П h ) п (класс ФМ ) Признак Значения Признак Значения Признак Значения -механи- - газы; -прогреваческий; емая; Способ -химичесТип - пары; Темпедейкий; опература -непрогрествия -физикохиранда - газосреды ваемая; мический; паровая -электросмесь. -охлаждафизичесемая. кий. 1 1 F 1 o -непосред- -химически Место ственного Вид активный; Элек- - есть; дейдействия; опе- -инертный; тромаг- 1 D 1 : ствия -удаленное ранда -агрессивнитные - нет. удалять от ный. возмуобъекта. щения 1 X 1 : газы и -низкий -вязкостпары вакуум; ный режим Степень -высокий Состо- -молекуВибра- - есть; 1 H 1 : дейвакуум; яние лярновязции вакуумствия -сверхвыопекостный - нет. ный сокий варанда режим; объем куум. -молекулярный режим. ФМ: Харак- -удалять; Харак- -масляный; тер терисНАСОСЫ дей- -связывать тика -безмасляствия опеный. ранда -непрерывный; Режим -краткодейвременный ствия -повторнократковременный . - 155 - Продолжение таблицы П.2. N Функция П Р И З Н А К И п 1 F i Действия ( П d ) Операнда ( П x ) Окружения ( П h ) п (класс ФМ ) Признак Значения Признак Значения Признак Значения -механический; -соосное; -химически Способ -физикохиВзаимВид активная; деймический; ное -несоосное среды -инертная; ствия -электрополо- -агрессивфизичесжение -угловое. ная. кий. 2 1 F 2 -непосред- -низкий; -прогреваo Место ственного Глубина -высокий; Темпеемая; дейдействия; вакуума -сверхвыратура -непрогрествия -опосредосокий. среды ваемая; 1 D 2 : ванно. -охлаждаразобемая. щать и сооб- -низкий щать вакуум; Перепад -низкий; Элек- - есть; Степень -высокий давле- -высокий; тромаг- 1 X 2 : дейвакуум; ний в -сверхвынитные - нет. полости ствия -сверхвыполосокий. возмуВС сокий вастях щения куум. 1 H 2 : вакуум- -ручной; ный Тип -электрообъем энергии механиВибра- - есть; привода ческий; ции -магнитный - нет. -пневматиФМ: ческий. ВКА -непрерывный; Режим -краткодейвременный ствия -повторнократковременный . - 156 - Продолжение таблицы П.2. N Функция П Р И З Н А К И п 1 F i Действия ( П d ) Операнда ( П x ) Окружения ( П h ) п (класс ФМ ) Признак Значения Признак Значения Признак Значения -механи- - газы; ческий; -прогреваСпособ -физикохиТип - пары; Темпеемая; 3 1 F 3 деймический; опература -непрогреo ствия -электроранда - газосреды ваемая; физичеспаровая -охлаждакий. смесь. емая. 1 D 3 : напус- -непосред- -химически кать и Место ственного Вид активный; Элек- - есть; выпусдейдействия; опе- -инертный; тромагкать ствия -опосредоранда -агрессивнитные - нет. ванно. ный. возму- 1 X 3 : щения газы и пары -ручной; -вязкостТип -электроный режим 1 H 3 : энергии механиСосто- -молекуВибра- - есть; вакуумпривода ческий; яние лярновязции ный -магнитный опекостный - нет. объем -пневматиранда режим; ческий. -молекулярный режим. ФМ: -непрерывНАТЕКАный; Харак- -масляный; ТЕЛИ Режим -краткотерисдейвременный тика -безмасляствия -повторноопеный. краткоранда временный -низкий 4 1 F 4 вакуум; -соосное; -химически o Степень -высокий ВзаимВид активная; дейвакуум; ное -несоосное среды -инертная; 1 D 4 : ствия -сверхвыполо- -агрессивсообщать сокий важение -угловое. ная. 1 X 4 : куум. полости 1 H 4 : вак.об. -низкий; -прогреваГлубина -высокий; Темпеемая; ФМ: вакуума -сверхвыратура -непрогресокий. среды ваемая; КОММУ- -охлаждаНИКАЦИИ емая. . - 157 - Продолжение таблицы П.2. N Функция П Р И З Н А К И п 1 F i Действия ( П d ) Операнда ( П x ) Окружения ( П h ) п (класс ФМ ) Признак Значения Признак Значения Признак Значения -механи- 5 1 F 5 ческий; -соосное; -химически o Способ -физикохиВзаимВид активная; деймический; ное -несоосное среды -инертная; 1 D 5 : ствия -электрополо- -агрессивсодерфизичесжение -угловое. ная. жать кий. 1 X 5 : -низкий -прогреватехнол.

Степень вакуум; Темпеемая; элемент дей- -высокий ратура -непрогрествия вакуум; среды ваемая; 1 H 5 : -сверхвы- -охлаждавакуум. сокий ваемая. объем куум. ФМ: Харак- -разъемное тер КАМЕРА дей- -неразъемствия ное -механи- - газы; -прогреваческий; - пары; емая; 6 1 F 6 Способ -физикохиТип - газоТемпе- -непрогрев деймический; опепаровая ратура ваемая; ствия -электроранда смесь среды -охлаждафизическ. емая. 1 D 6 : улавли- -непосред- -химически Элеквать Место ственного Вид активный; тромаг- - есть; дейдействия; опе- -инертный; нитные 1 X 6 : ствия -удаленное ранда -агрессиввозму- - нет. газы и от объек. ный. щения пары -низкий -вязкост- 1 H 6 : вакуум; ный режим вакуумСтепень -высокий Состо- -молекуВибра- - есть; ный дейвакуум; яние лярновязции объем ствия -сверхвыопекостный - нет. сокий варанда режим; куум. -молекуФМ: лярный режим. ЛОВУШКИ Режим -непрерыв. Харак- -масляный; дей- -кратковр. терис- -безмасляствия -повторнотика ный. кратков. опер-да . - 158 - Продолжение таблицы П.2. N Функция П Р И З Н А К И п 1 F i Действия ( П d ) Операнда ( П x ) Окружения ( П h ) п (класс ФМ ) Признак Значения Признак Значения Признак Значения -абсолют- - газы; -прогрева- 7 1 F 7 ного дей- - пары; емая; в Способ ствия; Тип - газоТемпе- -непрогредей- -косвенопепаровая ратура ваемая; ствия ного дейранда смесь среды -охлажда- 1 D 7 : ствия. емая. измерять -низкий -химически Элекдавлен.

Степень вакуум; Вид активный; тромаг- - есть; дей- -высокий опе- -инертный; нитные 1 X 7 : ствия вакуум; ранда -агрессиввозму- - нет. газы и -сверхвыный. щения пары сокий вакуум. 1 H 7 : вакуум. -вязкостобъем ный режим - есть; Состо- -молекуВибраФМ: яние лярновязции - нет. опекостный ВАКУУранда режим; МЕТРЫ -молекулярный режим. -механи- -электри- -низкова- 8 1 F 8 ческий; ческая куумная; в Способ -электроТип энергия; Вид -высоковадейфизический опе- -магнитная среды куумная; ствия -пневматиранда энергия; -сверхвы- 1 D 8 : ческий. -механич. соковакупередаэнергия. умная. вать -непосред- -прогреваМесто ственного -малая; емая; 1 X 8 : дейдействия; МощТемпе- -непрогреэнергию ствия -опосредоность -высокая. ратура ваемая; ванно. среды -охлаждаемая. 1 H 8 : вакуум. -непрерывЭлекобъем ный; тромаг- - есть; Режим -кратконитные ФМ: дейвременный возму- - нет. ствия -повторнощения ВВОДЫ кратковременный Вибра- - есть; ции - нет. . - 159 - Продолжение таблицы П.2. N Функция П Р И З Н А К И п 1 F i Действия ( П d ) Операнда ( П x ) Окружения ( П h ) п (класс ФМ ) Признак Значения Признак Значения Признак Значения -механи- -низковаческий; - газы; куумная; Способ -электроТип - пары; Вид -высокова- 9 1 F 9 дейфизический опе- - газосреды куумная; в ствия -химичесранда паровая -сверхвыкий. смесь соковакуумная. 1 D 9 : удалять -непосред- -химически -прогреваиз маМесто ственного Вид активный; емая; териала дейдействия; опе- -инертный; Темпе- -непрогрествия -удаленное ранда -агрессивратура ваемая; 1 X 9 : от ный. среды -охлаждагазы и объекта. емая. пары -непрерыв- -вязкост- 1 H 9 : ный; ный режим вакуум. Режим -краткоСосто- -молекуЭлек- - есть; объем дейвременный яние лярновязтромагствия -повторноопекостный нитные - нет. ФМ: краткоранда режим; возмувременный -молекущения НАГРЕлярный ВАТЕЛЬ режим. Харак- -масляный; Вибра- - есть; терисции тика -безмасля- - нет. опеный. ранда . - 160 - Таблица П.3. Основные параметры свойств ВС и ее структурных составляющих.