Системологія нова інформаційна технологія комп`ютеризації інженерних знань

Напрями подальшого вдосконалення методів і засобів автоматизації інженерної праці пов'язані з необхідністю скорочення трудомісткості створення, адаптації та супроводу прикладних програмних систем автоматизації, скорочення трудомісткості і підвищення якості проектування з використанням цих систем, забезпечення можливостей накопичення і поширення досвіду найбільш кваліфікованих фахівців, інтеграції процесів інженерного проектування. У забезпечення цих цілей необхідно розробити адекватні інформаційні технології.
Будь-яка проектована система складається з елементів і зв'язків між ними. Формально структуру системи (виробу або процесу) можна представити у вигляді впорядкованої пари S =, де А є безліч елементів системи, а R - безліч відносин між цими елементами. Звідси випливає, що класифікація проектованих систем може бути проведена з використанням одного з двох фундаментальних критеріїв відмінності: а) за типом елементів, що утворюють систему; б) за типом відносин, що пов'язують ці елементи в систему [2]. Класифікаційні категорії а) і б) можна розглядати як ортогональні, тобто незалежні. Прикладом використання критерію а) служить традиційний поділ науки і техніки на дисципліни та спеціальності, кожна з яких займається певним типом елементів. Оскільки елементи різних типів вимагають різних експериментальних засобів для збору даних, класифікація за критерієм а) має експериментальну основу.
Критерій б) дає зовсім іншу класифікацію систем: клас задається певним типом відносин, а тип елементів, на яких визначено ці відносини, не фіксується. Така класифікація пов'язана з обробкою даних, а не з їх збиранням, і основа її переважно теоретична.
Найбільшими класами систем за критерієм б) є класи, які описують різні епістемологічні рівні, тобто рівні знання щодо розглядуваних явищ [2].
Системна методологія являє собою сукупність методів вивчення властивостей різних класів систем і вирішення системних завдань, тобто завдань, що стосуються відносин у системах. Ядром системології є класифікація систем з точки зору відносин. Головне завдання системної методології - надання в розпорядження потенційних користувачів, що представляють різні дисципліни і предметні області, методів вирішення всіх визначених типів системних завдань.
Каркасом ієрархічної класифікації систем в системології є ієрархія епістемологічних рівнів систем.
Самий нижній рівень у цій ієрархії, що позначається як рівень 0, - це система, розрізняється дослідниками як система. На цьому рівні система визначається через безліч властивостей (змінних), безліч потенційних станів (значень) цих властивостей і операційний спосіб опису сенсу цих станів в термінах значень, відповідних атрибутів даної системи. Для визначених на цьому рівні систем використовується термін вихідна система. Іншими словами на рівні 0 розглядаються характеристики і взаємозв'язки між властивостями (змінними) використовуваної (проектованої) системи.
На більш високих епістемологічних рівнях системи відрізняються одна від одної рівнем знань щодо змінних відповідного вихідної системи. У системах більш високого рівня використовуються всі знання систем більш низьких рівнів і, крім того, містяться додаткові знання, доступні нижчим рівнями.
Після того як вихідна система доповнена даними, тобто фактично станами основних змінних при певному наборі параметрів, розглядають нову систему (вихідну систему з даними) як визначену на епістемологічному рівні 1 [2]. Системи цього рівня називаються системами даних.
Рівень 2 стосовно завдань автоматизації проектування являє собою рівень бази знань генерації значень змінних, що визначають властивості виробів і технологічних процесів. На цьому рівні задаються інваріантні параметрами функціональні зв'язки основних змінних, до числа яких входять змінні, що визначаються відповідною вихідною системою і, можливо, деякі додаткові. Кожне правило перетворення бази знань на цьому рівні зазвичай представляє собою однозначну функцію, присвоюють кожному елементу безліч змінних, що розглядаються в цьому правилі в якості вихідного, єдине значення з безлічі допустимих.
Оскільки завданням генерації властивостей є реалізація процесу, при якому стану основних змінних можуть породжувати за багатьма параметрами за будь-яких значеннях або будь-яких умов, системи рівня 2 називаються породжують системами (generative system).
Стосовно до конструювання на рівні 2 розташовуються бази знань, пов'язаних з розрахунком конструкцій. Стосовно до проектування технологічних процесів на рівні 2 розташовуються бази знань по вибору заготовок, формування набору переходів, розрахунку режимів обробки, розрахунку норм часу і т.п.
На епістемологічному рівні 3 системи, визначені як породжують системи (або іноді системи більш низького рівня) називаються підсистемами загальної системи. Ці підсистеми можуть з'єднуватися в тому сенсі, що вони можуть мати деякі загальні змінні. Системи цього рівня називаються структурованими системами (structure system). Стосовно до завдання автоматизації проектування це - рівень структурного синтезу.
На епістемологічних рівнях 4 і вище системи складаються з набору систем, визначених на більш низькому рівні, і деякої інваріантної параметрами метахарактерістікі (правила, відносини, процедури), що описують зміни в системах більш низького рівня. Потрібно, щоб системи більш низького рівня мали одну і ту ж вихідну систему і були визначені на рівні 1, 2 або 3. Це - рівні, необхідні для формування концептуальних І / АБО графів.
Як було зазначено вище будь-яка проектована система складається з елементів і зв'язків між ними і формально може бути представлена ​​у вигляді впорядкованої пари S =, де А - множина елементів системи, а R - безліч відносин між ними. Якщо виключити тривіальні випадки типового проектування, коли склад і структура системи незмінна і завдання зводиться до розрахунку змінної, а також пошукове проектування, коли невідомі елементи, що реалізують потрібні функції, то в переважній більшості випадків оригінальному проектування воно зводиться до з'єднання між собою відомих елементів А для отримання нової технічної системи з заданими функціональними можливостями, характеристики якої задовольняють технічним вимогам. Т.ч. на концептуальному рівні необхідно визначити: 1) моделі елементів, 2) методику побудови їх системи.
В основі методики побудови структури технічних систем лежать концептуальні І / АБО графи. В якості елементів, що представляють собою узагальнені будівельні блоки різних рівнів абстракції, доцільно використовувати системні компоненти (СК). СК представляє собою фізично реалізовані елементи технічних систем. Вони є узагальненими в тому сенсі, що кожен компонент може мати безліч реалізацій.
Формально системний компонент у загальному вигляді являє собою п'ятірку:
a, (1)
де P - основна властивість (найменування та / або функція), S - вихідна система, D - система даних, F - породжує система, Str - структура системи.
Породжує система може складатися з двох підсистем:
F =, (2)
де Fb - знання про характеристики, Fg - геометричні знання (параметризованих образ).
Індекс а - визначає рівень абстрагування:
а = {функціональний, принциповий, конструктивний, робочий}.
Деякі складові моделі СК можуть бути відсутні. Мінімально необхідний набір включає пару. D - відсутня при описі оригінальних компонентів, але необхідний при описі стандартних, нормалізованих, типових, уніфікованих і покупних елементів. Fg - відсутня у компонент, що не мають геометричного подання. Str - відсутня для неподільних елементів і агрегатів нижчого рівня.
Системний компонент є фундаментальним модулем для побудови інтегрованих інтелектуальних систем проектування.

Рис. 1. Вісь гладка

Для ілюстрації введених понять розглянемо найпростішу машинобудівну деталь - вісь (мал. 1). Найменування осі - «вісь гладка»; функція полягає у базуванні елементів кінематичної пари з сприйняттям згинального моменту. У якості бази використовуємо групу деталей типу «ось», що є на даному виробництві. У даному випадку база являє собою декартово твір двох параметрів b1 і b2 (табл. 1). Параметр b1 - найменування деталі. Конкретний параметр b2 може бути заданий за допомогою будь-взаємно однозначної функції, яка кожної деталі ставить у відповідність унікальний ідентифікатор, наприклад, як це прийнято в ЕСКД, тризначний реєстраційний номер. В якості узагальненого параметра тут зручно прийняти цілочисельний порядковий номер осі, під яким вона буде записуватися в базу даних. Відповідно до термінології баз даних найменування деталі і номер є складовим ключем реляційного відносини, що описує вісь як систему.

Таблиця 1. Словник

Щоб уявити характеристики реальної деталі в ЕОМ, ми повинні використовувати змінні різних типів. У табл. 1 типи змінних мають наступні позначення: цілий - I, речовинний - F, символьний - A. Змінні розглядаються як операційні представлення характеристик, а параметри - бази. У словнику кожні змінна і параметр мають ім'я, ідентифікатор і тип.
Повернемося до описаних вище характеристикам деталі. З точки зору користувача вихідними змінними є: найменування деталі; діаметр осі вихідний, мм; довжина осі вихідна, мм; марка матеріалу; згинальний момент, N * мм.
Вихідні розміри осі задаються конструктивно, матеріал призначається конструктором, а згинальний момент визначається на більш високому рівні абстрагування (принциповому).
Вихідні характеристики осі: 1) геометричні: а1 - діаметр осі стандартний, мм; а2 - довжина осі стандартна, мм; а3 - ширина фаски, мм, 2) не геометричні: точність діаметра; знак шорсткості; величина шорсткості, мкм; знак твердості; величина твердості; вид термообробки; вид покриття.
Вихідна система S деталі «вісь гладка» представляє собою реляційне відношення (табл. 2).
Система даних D в даному випадку зберігає доступний набір геометричних змінних «діаметр осі стандартний, мм» і «ширина фаски, мм» (табл. 3). Змінна «довжина осі стандартна, мм» визначається в породжує системі Fb за стандартним діаметру і вихідної довжини. На рис. 2 дано зовнішнє подання блоку прийняття рішень, що реалізує елементарну породжує систему для визначення стандартної довжини осі. Такий блок визначає собою продукційне правило з таблицями умов (верхня) і значень (нижня). Сукупність блоків, об'єднана в обчислювальну модель утворює базу знань, яка функціонує під управлінням планувальника, що виконує функції логічного висновку.

Таблиця 2Табліца OS: Вісь гладка

Таблиця 3.Отношеніе: Вісь гладка

Блок: r5.
Розробник: Євдокимов С.А.
Назва: Визначення стандартної довжини.
Джерело інформації: Ануров В.І. Довідник конструктора, т. 2

Рис. 2. Блок значення стандартної довжини осі.

У породжує системі Fb системної компоненти «вісь гладка» крім значень про геометричній характеристиці зберігаються також міцнісні, точнісні і технологічні значення. Як приклад елемента таких значень на рис. 3 наведено блок розрахунку діаметра осі.

Блок: r1. Розробник: Євген Г.Б.
Назва: Розрахунок діаметра осі.
Джерело інформації: Ануров В.І. Довідник конструктора, т. 2

Рис. 3. Блок розрахунку діаметра осі.

Інженерне значення, що зберігається в породжує системі Fb доцільно представляти у непроцедурного формі за допомогою реляційних баз даних і продукційних баз знань, як це було показано вище. Геометричні значення Fg подаються у формі параметризованих образів, що описуються через формальні параметри з допомогу підпрограм на геометричних мовах процедурного типу. Приклад такої програми на мові СПРУТ наведено нижче.

Описана методологія була використана при створенні інтелектуальних систем автоматизованого конструювання і проектування одиничних технологічних процесів.
Досвід показав, що трудомісткість створення та експлуатації таких систем була зменшена на порядок.

ЛІТЕРАТУРА:
1. Євгене Г.Б., Євдокимов С.А., Рибаков А.В. Інтегрована інтелектуальна система для інженерів / / Вісник МГТУ. Сер. Машинобудування. - 1995. - N 3. - С. 35 - 42.
2. Клір Дж. системології. Автоматизація рішення системних завдань: Пер. З англ .. - М.: Радіо і зв'язок, 1990. - 544 с.