Автоматизированный синтез физических принципов действия. Фонд физико-технических эффектов. Синтез физических принципов действия по заданной физической операции.

Поиск физических принципов действия (ФПД) технических объектов и технологий - один из самых высоких уровней инженерного творчества, позволяющий получать принципиально новые решения, включая и пионерные. Однако разработка ФПД - это и наиболее сложная задача инженерного творчества, поскольку человек вынужден варьировать и оценивать не только конструктивные признаки, обычно хорошо обозримые и логически увязанные друг с другом. Здесь приходится абстрагироваться на уровне физико-технических эффектов (ФТЭ), не всегда очевидных и достаточно глубоко познанных. В отличие от новых комбинаций конструктивных признаков мысленно представить и оценить новые комбинации ФТЭ значительно труднее.

Главная трудность состоит в том, что инженер обычно знает до 200, а достаточно свободно использует не более 100 ФТЭ, хотя в научно-технической литературе их описано более 3000. Кроме того, в связи с возрастающими темпами развития науки и техники, число ФТЭ постоянно увеличивается. Таким образом, в наше время у разработчиков новой техники существует очень большой и возрастающий дефицит информации, необходимой для решения задач поиска новых ФПД.

В основе этих методов лежит база данных, в которой каждый ФТЭ имеет трехуровневое описание. На первом уровне дается самое короткое качественное описание ФТЭ. Второй уровень - это стандартная карта описания ФТЭ размером в одну страницу, где дается наиболее важная и легко обозримая информация о ФТЭ и его использование в технике. Третий уровень описания совместно с информацией второго уровня дает более подробное описание ФТЭ, объем которого обычно составляет 5-10 машинописных страниц.

Синтез физических принципов действия по заданной физической операции

Существуют элементарные структуры ФПД, которые основываются на одном ФТЭ. Для поиска (синтеза) таких ФПД, определяют соответствие между физической операцией, которую требуется реализовать, и ФТЭ, с помощью которого можно осуществить такую реализацию.

Если принять во внимание формализованное описание физической операции и ФТЭ, можно отметить следующее соответствие компонент:

где А и С - входные и, соответственно, выходные потоки вещества, энтропии и т.д., B – объект воздействия. Так, например, для физической операции АТ - "сила", СТ - "линейная деформация" будет найден ФТЭ: закон Гука (А - сила, напряжение; С - линейная деформация, В-упругое тело), на котором основаны пружинные весы.

В технике также распространен другой тип элементарной структуры ФПД, основанный на многократном или суммарном использовании одного и того же ФТЭ. Например, в катушках индуктивности каждый виток проводника реализует преобразование электрического тока в электромагнитное поле.

Однако большинство ФПД изделий имеют сложную структуру, в которой используется одновременно несколько различных ФТЭ. Синтез и работа таких ФПД основывается на следующем правиле совместимости ФТЭ.

будем считать совместимыми, если результат воздействия Сi предыдущего ФТЭ эквивалентен входному воздействию Ai+1 последующего ФТЭ, т. е. если Ci и Аi+1 характеризуются одними и теми же физическими величинами и имеют совпадающие значения этих величин.

Два совместимых ФТЭ могут быть объединены, при этом входное воздействие Ai, будет вызывать результат Ci+1, т. е. получается преобразователь

В связи с этим дадим следующее определение ФПД.

Физическим принципом действия ТО будем называть структуру совместимых и объединенных ФТЭ, обеспечивающих преобразование заданного начального входного воздействия А1 в заданный конечный результат Сn. Здесь имеется в виду, что число используемых ФТЭ не менее n.

Уточним понятие совместимости ФТЭ. Для имеющегося фонда ФТЭ имеет место три вида совместимости:

-качественная совместимость по совпадению наименований входов и выходов (пример совместимости: "электрический ток - электрический ток");

-качественная совместимость по совпадению качественных характеристик входов и выходов (пример несовместимости: " электрический ток переменный - электрический ток постоянный");

-количественная совместимость по совпадению значений физических величин (пример совместимости: "электрический ток постоянный I=10A, U=110В - электрический ток постоянный I = 5-20A, U = 60-127В").

Поиск допустимых ФПД. Опишем порядок работы с учебной системой автоматизированного синтеза ФПД. Работа по поиску допустимых ФПД состоит из четырех этапов.

1-й этап. Подготовка технического задания. При подготовке технического задания составляют описание функции разрабатываемого ТО и его физической операции. Описание физической операции рекомендуется делать с учетом синонимов в наименованиях "выходов" и "входов", т.е. в итоге может получиться несколько вариантов операции.

После формулировки вариантов физической операции по компонентам АТ, СТ, с помощью словаря "входов" и "выходов" описывают совпадающие или близкие по содержанию входы и выходы, т. е. выявляют соответствия

Наличие таких соответствий позволяет сформулировать одно или несколько технических заданий

2-й этап. Синтез возможных ФПД. По техническому заданию (16) ЭВМ выбирает из фонда ФТЭ такие, у которых одновременно выполняются условия

Все эти ФТЭ представляют ФПД, использующие один ФТЭ.

Далее из фонда ФТЭ выбираются такие, которые обеспечивают выполнение условия

Из множеств ФТЭ (17) и (18) выбирают такие пары ФТЭ, у которых выполняется условие пересечения

указывающее на то, что эти пары ФТЭ совместимы и образуют ФПД из двух ФТЭ по формуле (15)

Для множеств ФТЭ, отобранных по условиям (17) и (18), при невыполнении условия (19) проверяется возможность образования цепочек из трех ФТЭ:

Далее для тех же множеств проверяется возможность образования цепочек из четырех и из пяти ФТЭ.

Встречным наращиванием цепочек совместимых ФТЭ от A1 до Сn можно получать новые варианты ФПД, включающие и большее число ФТЭ. Однако при числе ФТЭ, превышающем пять, резко возрастает вычислительная сложность такого метода из-за комбинаторного характера задачи и существенного роста числа анализируемых промежуточных вариантов. Кроме того, ФПД с числом ФТЭ более пяти с практической точки зрения обычно не относятся к наиболее рациональным.

Система синтеза ФПД по введенному техническому заданию позволяет получать варианты ФПД. Кроме того, в ней в качестве дополнительных исходных данных могут быть использованы следующие ограничения:

-максимальное число ФТЭ в цепочке (например, n<4);

-число получаемых вариантов ФПД (например, m<20);

-запрещение (или предпочтительность) использования определенных входов А и выходов С;

-запрещение (иди предпочтительность) использования определенных объектов В;

3-й этап. Анализ совместимости ФТЭ в цепочках. Полученные на 2-м этапе цепочки возможных ФПД удовлетворяют только качественной совместимости по совпадению наименований входов и выходов. Хотя среди полученных ФПД ЭВМ может отсекать варианты по условию совместимости качественных характеристик, а в промышленной системе - по количественной совместимости, иногда бывает целесообразно данную работу выполнять в полуавтоматическом режиме

3. Базовые понятия ИИ (интеллект, мышление, искусственный интеллект, знания, данные, классификация знаний, алгоритм, интеллектуальная задача)

5. Различные подходы к построению систем ИИ (логический, структурный, эволюционный, имитационный).

6. Вспомогательные системы и их место в системах ИИ.

7. Понятие образа. Обучение распознаванию образов.

8. Геометрический и структурный подходы к обучению распознаванию образов.

9. Гипотеза компактности. Абстрактные образы.

10. Обучение, и адаптация. Методы обучения распознаванию образов.

11. Основные задачи построения систем распознавания образов.

12. Классификация систем распознавания образов.

13. Функциональные особенности искусственных нейронных сетей.

14. Структура технического нейрона. Перцептрон.

15. Искусственные нейронные сети прямого распространения.

16. Рекуррентные искусственные нейронные сети: сети Хопфилда.

17. Рекуррентные искусственные нейронные сети: сети Хэмминга.

18. Рекуррентные искусственные нейронные сети: сети ДАП.

19. Рекуррентные искусственные нейронные сети: карты Кохонена.

20. Обучение искусственных нейронных сетей: обучение с учителем. Алгоритм обратного распространения ошибки.

21. Обучение искусственных нейронных сетей: обучение без учителя. Сигнальный метод Хебба, алгоритм Кохонена, обучение методом соревнования.

22. (См. 16 и 17) Рекуррентные искусственные нейронные сети. НС Хопфилда и Хэмминга.

23. Клеточные автоматы, эластичные нейронные сети.

28. Методы и алгоритмы анализа структуры многомерных данных.

29. Логический подход к построению систем ИИ. Представление в компьютере неформальных процедур. Языки логического программирования. Элементы нечеткой логики.

30. Методы перебора как универсальные методы поиска решений. Методы ускорения перебора.

31. Эволюционные методы поиска решений: МГУА, ГА.

32. Автоматический синтез технических решений. Поиск оптимальных структур.

34. Алгоритм конкурирующих точек как метод глобального поиска.

35. Алгоритм случайного поиска в подпространствах как метод поиска локального экстремума.

36. Экспертные системы. Базовые понятия. Методика построения.

37. Автоматизированный синтез физических принципов действия. Фонд физико-технических эффектов. Синтез физических принципов действия по заданной физической операции.

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: