Метод синтеза физических принципов действия

Компьютерные методы

Поиск физических принципов действия технических объектов – один из самых высоких уровней инженерного творчества, позволяющий получить принципиально новые решения включая и пионерные. Однако разработка физических принципов действия – это наиболее сложная задача инженерного творчества, так как человек вынужден варьировать и оценивать не только конструктивные признаки, здесь приходится абстрагироваться на уровне физико-технических эффектов, не всегда очевидных и достаточно глубоко познанных. Главная трудность состоит в том, что у разработчиков новой техники существует большой и возрастающий дефицит информации необходимой для решения задач поиска новых физических принципов действия, это связано с тем, что инженер обычно знает до 200 эффектов, а достаточно свободно использует не более 100, хотя в научно-технической литературе их описано более 3000.

Рассмотрим метод синтеза физических принципов действия по заданной физической операции или по заданному ТЗ. В основе метода лежит фонд физико-технических эффектов, представленный в виде БД. В этой базе каждый эффект имеет трехуровневое описание. На первом уровне дается самое краткое качественное описание эффекта. Второй уровень – стандартное описание эффекта размером в одну страницу, здесь даются наиболее важные и легко обозримые информационные моменты об эффекте и его использовании. Третий уровень описания – более подробное описание эффектов объемом несколько страниц (до 10).

Дадим ряд определений.

Опр1. Под физической операцией объекта будем подразумевать физическое преобразование входного потока или фактора, выходной поток или фактор описание физической операции формализовано и можно представить в виде трех компонент вида (А,Е,С) или (A->E->C) Здесь A – входной поток (фактор) вещества, С – выходной поток, Е – наименование операций по преобразованию А в С, это описание отвечает на вопрос «Что А» «Как Е» и «Во что С» осуществляется преобразование с помощью физической операции.

Число входов А, действий Е и выходов С в общем случае произвольны.

Пример. Описание физической операции светильника выглядит так: электрический ток (А), преобразование (Е), световой поток (С).

Опр2. Под физико-техническим эффектом будем понимать различные приложения физических законов, закономерностей и следствий из них, физические эффекты и явления, которые могут быть использованы в технических устройствах. Как правило, в физико-технических эффектах имеет место определенная причинно следственная связь между входом и выходом. Обобщенное качественное описание физико-технического эффекта состоит из 3-х компонент: (А,В,С) или (A->B->C).

А – входной поток; С – выходной поток; В – физический объект, обеспечивающий преобразование А в С. Для входного и выходного потоков могут быть указаны носители потоков и их качественные и количественные характеристики.

Пример. Закон Джоуля-Ленца может быть представлен в виде. А – электрический ток, В – проводник, С – теплота.

Опр3. Под физическим принципом действия будем понимать ориентированный граф, вершинами которого являются наименования физических объектов В, а ребрами – входные А и выходные С потоки вещества, энергии, сигналов.

Существуют элементарные простейшие структуры физических принципов действия, которые основываются на одном физико-техническом эффекте. Однако большинство физических принципов действия изделий имеют сложную структуру, в которой одновременно используются несколько физико-технических эффектов. Синтез и работа таких физических принципов действия основывается на следующем правиле совместимости эффектов: два последовательно расположенных эффекта Ai, Bi,Ci и A(i+1) B(i+1) C(i+1) будем считать совместимыми, если результат воздействия предыдущего эффекта эквивалентен входному воздействию A(i+1) последующего эффекта. То есть, если Ci и A(i+1) характеризуются одними и теми же физическими величинами, и имеют совпадающие значения этих величин. Два совместимых эффекта могут быть объединены, при этом входное воздействие Ai будет в конченом итоге вызывать результат C(i+1), т.е. получается преобразование.

Ai->Bi->[Ci<->A(i+1)]->B(i+1)->C(i+1)

Учитывая эту связь можно дать еще одно определение физического принципа действия.

Опр3.2. Физическим принципом действия физического объекта будем называть структуру совместимых и объединенных физико-технических эффектов, обеспечивающих преобразование заданного начального входного воздействия А1 в заданный конечный результат Cn.

A1->...->Cn

Рассмотрим алгоритм автоматизированного поиска допустимых физических принципов действия на основе фонда физико-технических эффектов. Алгоритм включает 4 пункта.

1) Подготовка ТЗ. При подготовке ТЗ составляется описание физической операции, на основе которого формулируется одно или несколько заданий.

2) Синтез возможных физических принципов действия. По ТЗ преобразование А1->Cn из фонда физико-технических эффектов выбираются такие, которые обеспечивают одновременное дополнение условий совместимости по входу и выходу.

Aj<->A1 Cj<->Cn Cj=1..p

<-> - должны совпадать.

Из фонда физико-технических эффектов выбираем такие, которые обеспечивают выполнение условий совместимости, либо по входам, либо по выходам.

Ai<->A1 i=1..k (3) Cj<->Cn n=1..m (4)

или

Из множеств 3 или 4 выбирают такие пары эффектов, у которых выполняются условия качественной совместимости. Ci<->Aj (5)

Условие 5 указывает на то, что пара эффектов совместимы и образуют физический принцип действия из двух эффектов по формуле Ai->Bi->[Ci<->Aj]->Bj->Cj (6).

Для множества физико-технических эффектов, отобранных по 3 и 4 при невыполнимом 5, проверяют возможность образования цепочек из 3-х эффектов.

Ai->Bi->[Ci<->At]->Bt->[Ct<->Aj]->Bj->Cj (7)

Если что-то не получается, из тех же множеств 3 и 4 проверяется возможность образование цепочек из 4-х эффектов. В результате встречным наращиванием цепочек, совмещением эффектов, от A1 до Сn можно получать новые варианты физических принципов действия, включающие и большее число эффектов, однако при числе физико-технических эффектов более пяти вычислительная сложность метода резко возрастает. Кроме того физические принципы действия с числом эффектов более пяти с практической точки зрения, обычно, не относятся к числу рациональных.

Изложенный алгоритм построения цепочек представляет собой один из возможных простых способов синтеза физических принципов действия. Можно использовать и другие алгоритмы, ориентированные на предварительно организованную БД по эффектам. Суть этой организации может состоять в построении сетевых графиков из всех совместимых физико-технических эффектов.

Системы синтеза физических принципов действия по введенному ТЗ позволяет получать различные варианты физических принципов. В этой системе в ряде случаев имеет смысл при необходимости использовать в качестве дополнительных исходных данных следующие ограничения:

- максимальное число эффектов цепочки;

- число поучаемых вариантов физических принципов действия;

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

- запрещение или предпочтительность использования определенных объектов В;

3) Анализ совместимости эффектов в цепочке. Полученные на втором этапе цепочки возможных физических принципов действия удовлетворяют только качественной совместимости по наименованию входов и выходов. Далее проводится анализ количественной совместимости для каждой пары стыкуемых эффектов. Совместимость оценивается в основным по интервалам возможных значений входов и выходов. Если окажется, что среди синтезированных на втором этапе вариантов нет ни одного допустимого, удовлетворяющего количественной совместимости, то из всех синтезированных принципов действия выбираются те, которые имеют одну количественную несовместимость и вводят дополнительные физико-технические эффекты или готовые устройства или узлы, обеспечивающие такую совместимость.

4) На основании варранта(-ов) физических принципов действия, удовлетворяющих качественной и количественной совместимости эффектов разрабатываются принципиальные схемы и делаются их описание.

Вывод: рассмотренный метод синтеза физических принципов действия рекомендуется использовать в основном для относительно простых объектов, работа которых основывается на небольшом числе физико-технических эффектов (менее 5).

Метод синтеза технических решений на «и» «или» графах

Рассматриваемый метод предназначен для решения задач связанных с выбором наиболее рациональных технических решений. В своей основе он представляет собой дальнейшее развитие метода морфологического анализа и синтеза. С математической точки зрения суть метода состоит в том, что информацию о прототипах или известных технических решениях определенного назначения представляют в виде «и» «или» дерева, варьируя на этом дереве конструктивными элементами и признаками можно получить, как известные технические решения, так и неизвестные, т.е. новые. «И» «или» дерево это не что иное, как многоуровневая иерархическая морфологическая таблица. Метод отличается от метода морфологического анализа и синтеза тем, что человек выполняет только работу по составлению усложненной морфологической таблицы с предварительной оценкой некоторых показателей качества технических решений и их элементов.

ПК выбирает в таблице по заданному списку требований подходящие технические решения и формирует их иерархическое описание метод «и или» дерева имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционным методом морфологического синтеза, а именно:

- позволяет описывать технические решения с любой степенью детализации;

- обеспечивает в большей мере автоматическую оценку и сравнение вариантов технических решений, тем самым устраняя самый большой недостаток морфологического метода;

- автоматизирует описание синтезированных технических решений, либо на естественном языке, либо в в идее графического эскиза.

Область применения метода не чоень широкая, областью наиболее эффективного применения метода являются классы технических объектов, удовлетворяющие двум условиям:

1) Класс объектов должен иметь довольно большое число технических решений, причем большинство технических решений не в сильной степени отличаются друг от друга по функциональным структурам и принципам действия, поэтому могут быть объединены в общее «и или» дерево.

2) Технический объект должен состоять из элементов, имеющих небольшое число взаимных, функциональных и конструктивных связей, и не имеющих жестких конструктивных ограничений, исключающих или весьма затрудняющих замену элементов другими альтернативными вариантами.

К таким объектам относятся рассредоточенные в пространстве поточные системы в виде технологических линий, измерительных или энергетических систем и сетей и т.п.

Использование метода затруднительно для объектов состоящих из плотно скомпонованных, взаимно переплетающихся и проникающих в друг друга элементов.

Исходными данными для метода являются:

- само построено человеком «и или» дерево

- список требований

- модель оценки технических решений

Рассмотрим как осуществляется построение «и или»дерева.

1) Осуществляется представление каждого отдельного технического решения в виде иерархического «и» дерева.

Для построение «и дерева» необходимо выполнить следующее:

- разделить технический объект (решение) на функциональные элементы и присвоить им, по возможности, общепринятые наименования – это будут вершины первого уровня.

- для каждого функционального элемента первого уровня определить существенные, для решаемой задачи, конструктивные признаки и изобразить их в виде вершин второго уровня. Среди вершин второго уровня могут быть, либо признаки элементов первого уровня, либо наименование функциональных элементов (тех, на которые можно разделить рассматриваемые элементы)

- если некоторые элементы второго уровня недостаточно детально, полно описывают конкретное техническое решение, для них надо выполнить работу по предыдущему пункту.

Такое дерево имеет только «и» вершины, поэтому такие деревья мы называем «и» деревьями.