Размещено на http: //www. allbest. ru/
Разработка системной модели технического объекта
Д.В. Багаев
Важным классом задач, решаемых в информационных системах являются задачи принятия решения. Методы и технологии на основаниях, которых решаются такие задачи целесообразно применять для сложных технических систем. В таких системах обмен информацией происходит на семантическом уровне.
Для организации информационного обмена между различными классами сложной технической системы необходимо рассмотреть разработку информационной модели (ИМ) технической системы. Процесс разработки ИМ состоит в получении системной модели технического объекта (ТО) всесторонне вскрывающей все необходимые для качественного проектирования аспекты. При разработке модели представим ТО в виде двухуровневой системы включающей описание, анализ и синтез и состоящий из:
· системной модели, описывающей объект проектирования;
· системной модели, состоящей из необходимой информации для процесса проектирования ТО.
Системная модель описания ОП как объекта включает структурно-параметрическое (статическое - ) и функциональное (динамическое - Ф) описания (рис. 1). Связь этих описаний представляет собой однозначное соответствие f: .
Двухуровневую системную модель для описания ТО можно представить в виде следующих соотношений:
(1)
где L - множество целей проектирования (ФМ) на k-ом иерархическом уровне; k = 0, 1 - соответственно нулевой или первый уровни членения, представляющие ТО, как целое или на уровне ее функциональных модулей (ФМ); i - 1-й ФМ, входящий в состав ОП на первом уровне членения; - число ФМ на данном уровне членения (при k = 0 - = 1);
I - множество имен ФМ; F - множество функций ФМ; - множество известных ТО на k-ом уровне членения ТО; A - множество абстрактных функциональных элементов;
G - множество геометрических элементов, однозначно соответствующих абстрактным;
U - множество отношений между элементами (следования, совместимости, включения и т.д.); П - множество признаков, описывающих компоненты системной модели на качественном уровне; Z - множество свойств; С - множество отношений связи ОП (ФМ) с окружением; W - множество соответствий, определяющих уравнения проектирования, конструирования и функционирования; Q - множество соответствий, оценивающих эффективность проектируемого объекта; - входные действия окружения на ОП (ФМ); - выходные действия системы (ФМ) на окружение; G - оператор выходов; - структура процесса функционирования объекта; - множество свойств, характерных для процессов функционирования; - множество состояний технических подсистем; - множество свойств окружающей среды эксплуатации; R - множество условий существования и прекращения процесса; Т - время.
Рис. 1 Двухуровневая системная модель ОП
Перейти к формализации установленных отношений, используя широко известный аппарат математического анализа, дискретной математики и математической логики, для проведения структурно-параметрического синтеза конструкции ТО. Методика этого процесса основана на детальном раскрытии и наполнении конкретным содержанием всех компонентов системной модели, а также трансформации ее на этой основе в соответствующую (в зависимости от поставленных целей) концептуальную модель ТО.
Фунции ТО
Основным компонентом, являющимся ядром системной модели ТО и характеризующим назначение технического объекта любого уровня иерархии, является выполняемая ТО функция.
Понятие функции F объекта определяется, как потребительская - и техническая - функции ТО. Потребительская функция - это производимое ТО действие, приводящее к реализации интересующей человека потребности, т.е. назначение ТО. Техническая функция - описывает внутрисистемные действия между элементами ТО, приводящие к реализации его потребительской функции путем преобразования некоторого входного воздействия, т.е. однозначно описывается в виде оператора выходов:
.
Описание потребительской функции любого ТО, можно представить в виде четверки множеств следующего вида:
, (2)
где D - множество действий, производимых и приводящих к желаемому результату; X - множество объектов (операндов), на которые эти действия направлены; H - множество особых условий и ограничений выполняемых действий; - множество функциональных признаков, позволяющих конкретизировать и иерархически структурировать описание функции (ФМ).
Практически на всех уровнях функциональной конкретизации ТО используются следующие множества инвариантных признаков , , :
= {способ действия, место действия, степень действия, характер действия, режим действия};
= {тип операнда, вид операнда, состояние операнда};
= {вид среды, температура среды, характеристика среды}.
Вводя другие значения признаков из признакового пространства
получают все множество конкретных описаний абстрактной функции, а также множество соответствующих им ТО. Таким образом, можно генерировать пространство возможных функциональных описаний ТО и анализировать соответствие качественных описаний существующих ТО их виду.
Подобное разбиение признаками базовых рабочих функций позволяет сформировать иерархическое дерево функций ТО, как необходимого средства для поиска и анализа технических решений. Графически дерево функций представляет собой двудольный граф, имеющий в своем составе вершины двух типов: вершины “И”, описывающие отношения включения множества функций более низкого уровня в описание соответствующей функции надуровня, а также вершины “ИЛИ”, характеризующие варианты конкретизированного описания функции текущего уровня, например дерево для гидравлического объекта (рис. 2).
В результате анализа различных ТО были выявлены следующие множества действий:
D = <удалять; сообщать; содержать; измерять; передавать; улавливать; обеспечивать>;
X и H зависят от той области к которой относится рассматриваемый ТО. Таким образом, формируется база знаний необходимая для качественной оценки признаков технической системы.
Структура ТО. Процесс проектирования ТО на начальных стадиях формально представляет собой создание, поиск и преобразование различных аспектов структур ТО. В связи с этим актуальной является задача определения полного множества структур различного вида на каждом уровне иерархии ТО, необходимого и достаточного для отображения синтеза ТО как процесса поиска и выбора структуры, обладающей качественной определенностью (функцией) и требуемым набором значений свойств.
В общем случае структуру ТО на верхних уровнях иерархического членения можно описать следующим множеством видов структур:
где - множество структур модулей ТО (структурных единиц); - множество отношений связи (временных и/или пространственных).
Рис.2 Дерево графов ТО И-ИЛИ
Выделяют семь аспектов описания :
(3)
где - структура действий; - структура функций; - абстрактная структура;
- морфологическая; - вариантная структура; - пространственная структура;
- геометрическая структура.
Признаковое описание структурных элементов ТО, а также множество отношений между этими элементами определяют конкретный вид структуры ТО, каждую из которых можно представить следующим обобщенным выражением:
,
где PQ - предикат, означающий, что объект ”состоит из множества элементов ; PR - предикат, означающий, что между элементами и существует отношение, имеющее в различных видах структур разную сущность; PS - предикат, означающий, что объект ”имеет структуру S, описываемую матрицей смежности “”.
Таким образом, начальные стадии проектирования ТО подразумевают последовательный синтез и преобразование структур S, т.е. конкретизацию концептуальной модели.
Структура действий состоит из множества выполняемых ТО или откачным модулем действий и отношений следования , указывающих на порядок действий. Структура строится в том случае, когда конструктора не удовлетворяют известные функциональные структуры и он ищет новые .
Функциональная структура может быть представлена в виде
,
где F - множество рабочих функций ТО; - множество отношений следования .
Абстрактная структура
имеет множество взаимосвязанных родовых элементов, исполняющих функции , а также множество отношений связи .
Структура является основой для построения морфологической структуры ТО, которую, как отмечалось выше, на начальных этапах проектирования необходимо и достаточно представить в виде двухуровнего дерева. Морфологическая структура
имеет два подмножества вершин:
-
типы ФМ (вершины “И”) и
-
множество вариантов технического исполнения типов (вершины “ИЛИ”), а также два подмножества отношений: - отношения включения между элементами ; - родовидовые отношения между элементами множеств A и B.
Замена в структуре на основе сформированного абстрактных элементов конкретными вариантами их исполнения образует вариантную структуру
,
где - конкретные отношения соединения между вариантами исполнения (в отличие от абстрактных отношений связи .
Отличие структур и состоит в том, что элементы имеют конкретные имена вместо абстрактных в , абстрактные отношения связи заменены на конкретные отношения соединения.
Пространственная структура представляет собой развитие вариантной структуры , отражающая компоновку ТО в пространстве:
, где
- множество пространственных отношений, представляющее собой объединение отношений трехтипов: взаимного расположения , принадлежности и направления (ориентации) .
Эти отношения имеют следующие множества значений:
= {параллельное, соосное, перпендикулярное, симметричное, сверху, снизу, справа, слева, спереди, сзади};
= {внутреннее, внешнее};
= {по , по , по , против , против , против },
где , , - оси декартовых координат.
Таким образом, исходя из весьма абстрактных описаний структуры ТО получено ее конкретное описание в виде некоторой понятийной (семантической) модели, в которой каждый структурный элемент и отношения имеют конкретные имена в терминах, понятных разработчику технического объекта (рис. 3).
Свойства и признаки ТО. Важным этапом построения концептуальной модели ТО как объекта проектирования [1] является определение свойств Z. Свойства ТО характеризуются параметрами и признаками , а также их значениями. Причем значение признака - это качественная характеристика свойства объекта, в то время как значение параметра имеет количественное выражение.
Рис. 3 Алгоритм синтеза структуры
база данные алгоритм
На основании того, что свойства ТО проявляются при ее взаимодействии с окружением, возникает необходимость конкретизации свойств ТО путем анализа состава окружения, т.е. всего не принадлежащего ТО множества технических систем, но связанного с ней оказывающего на нее существенное влияние.
Окружение ТО описывается следующим набором компонент:
,
где соответственно: k - рассматриваемый уровень иерархического членения ТО; - управляющие объекты (человек, робот, ЭВМ); - эксплуатация на всех стадиях существования ТО; - взаимодействующие (сопряженные) ТО; - производство; - технологический процесс, которому способствует ТО; - изготавливаемое посредством технологического процесса в ТО изделие; - источник энергии; - режимы функционирования; - окружающая среда эксплуатации.
Взаимодействие ТО с окружением порождает множество связей , определяющих в свою очередь то или иное свойство ТО:
.
Описание свойств ТО любого уровня иерархии представляет собой множество троек вида:
где n - общее число свойств ТО; - имя свойства
;, -
множества параметров и признаков, характеризующих свойство .
С точки зрения проектирования наиболее важным является признак “класс”, отражающий взаимодействия ТО с окружением, в которых проявляется рассматриваемое свойство. Разбиение свойств данным признаком позволяет сгруппировать их по следующим основным классам: функциональные, эксплуатационные, производственные и конструктивные свойства ТО ( соответственно).
Основными функциональными свойствами ТО являются: производительность, быстродействие.
Основными свойствами ТО являются: надежность, ремонтопригодность, сохраняемость и эргономичность.
Производственные свойства ТО проявляются во взаимодействии с производством. С точки зрения конструирования к ним относятся технические и экономические свойства, основными из которых являются трудоемкость, материалоемкость, энергоемкость.
Конструктивные свойства ТО проявляются при взаимодействии структурных составляющих ТО и во многом определяются конструктором.
Свойства ТО () определяются свойствами ее структурных составляющих (ФМ) первого уровня членения (), во многом отличающимися от свойств, присущих ТО в целом, что обусловлено изменением состава окружения по сравнению с ТО. При этом свойства ТО описываются аналогичным образом:
,
где - множество свойств i - го ФМ; - соответственно множества функциональных, эксплуатационных, производственных и конструктивных свойств i_го ФМ; i = 1, n - индекс принадлежности соответствующему ФМ ТО.
Цели проектирования ТО. Важной системной характеристикой, описывающей процесс проектирования ТО, является цель проектирования (компонент L в выражении).
Желаемое целевое состояние ТО, которым должна обладать синтезируемая конструкция, задается техническими требованиями в ТЗ. Однако самой цели как движущей силы процесса конструирования ТО в ТЗ не содержится, т.к. среди существующих конструктивных воплощений ТО.