Москва — 1976
Ович-Робзарен Х.А., Махотенко Ю. А.

Комбинанторные структуры данных
для систем фактографического информирования

 

 

 

Содержание

Введение. Цели фактографического информирования конструкторских разработок — 03
1. Основная комбинаторная концепция — 07
2. Дерево блоков семейства «механотроны» — 09
2.1. Механотроны — 09
2.2. Функциональная схема механотрона — 11
2.3. Дерево блоков — 13
2.4. Пополнение дерева блоков сведениями о технологии. Выход за уровень деталей — 18
2.5. Простые «подстановки» — 16
2.6. Более сложные подстановки — 21
2.7. Идея иерархии выбора — 22
3. Комбинаторное дерево блоков — 23
3.1. Альтернативная линейка — 24
3.2. Комбинаторное дерево — 26
3.3. Пример конкретного дерева блоков — 27
3.4. Извлечение вариантов конструкций из комбинаторного дерева блоков — 31
4. Матрица парных совместимостей как обобщение понятия альтернатива — 35
5. Выбор конструкции с учетом ограничений — 39
6. Пополнение дерева данными о среде, в которой будет работать конструкция — 40
7. Взаимная обусловленность конструкции, среды её применения и технологии изготовления — 40
8. Комбинаторное дерево блоков как остов технологической памяти. Свойства технологической памяти — 42
8.1. Организация графических данных в технологической памяти. Возможности обработки. Мозаика — 44
8.2. Свойство связанности технологической памяти. Избирательный семантический прием данных — 47
8.3. Сообщения. Прием сообщений. Структура сообщений — 47
8.4. Пример приема сложного сообщения — 50
8.5. Приемы и приспособления, применяемые при первичном формировании комбинаторного дерева блоков — 52
8.6. Технологическая память как основа для формирования оперативной памяти о ходе разработки системы — 53
9. Главное свойство технологической памяти. Рост памяти. Семантическая обратная связь — 56
10. Построение автоматизированной системы фактографического информирования — 61
10.1. Банк данных на семейство техники — 62
10.2. Возможность реализации на существующих ЭВМ — 63
11. Заключение — 63
Литература — 66

Аннотация

Тетрадь посвящена вопросам фактографического информирования разработок новых технических систем (новой техники). Основное внимание в ней уделено структурам данных для систем фактографического информирования. Предлагается строить эти структуры на основе комбинанторных моделей так называемых «полных семейств технических систем».
Разработан формализм построения полных структур фактографических данных о семействах технических систем, предложена методика работы с текстами документальных источников, из которых извлекают фактографические данные.
Обсуждены варианты построения автоматизированных систем фактографического информирования.

Тетрадь построена на фактографическом материале полного семейства электронных ламповых преобразователей — механотронов.

I. Введение. цели фактографического информирования научных исследований и опытно-конструкторских разработок (НИОКР)

Программно-целевая ориентация — определяющее требование к развитию информационных служб любого уровня. В равной степени это требование относится и к такому важному звену информационной службы, как автоматизированные системы научно-технической информации.

Разработанные и промышленно эксплуатируемые в настоящее время автоматизированные системы научно-технической информации, в основном, суть системы документального типа; по разовым или постоянно действующим запросам абонентов эти системы выдают сведения о поступающих документах, их краткое содержание или полный текст.

Сейчас остро стоит вопрос о разработке и внедрении автоматизированных информационных систем фактографического типа. Создание фактографических систем является необходимым шагом на пути практической реализации идеи информационно-логической системы, осуществляющей на основе хранящегося в ней массива фактических данных решение различного рода задач по синтезу новых сведений, не содержащихся в этом массиве в явной форме. Такие задачи будут решаться путём комбинантного преобразования информационного массива на основе выбранных моделей ^[1].

Одно из важных назначений фактографических систем ^[2-15] заключается в информационном обеспечении проектных и конструкторских задач, т.е. задач, связанных с процессами создания новых технических систем.

Научно-технический прогресс постоянно вызывает к жизни новые виды технических систем и устройств. Виды подразделяются на типы, образуя семейства — довольно устойчивую и длительно существующую, постоянно совершенствующуюся категорию. Примерами могут служить семейства самолетов типа «ТУ», «ИЛ», «ЯК», карьерных шагающих экскаваторов, электронных вычислительных машин.

Примерами зарубежных семейств — «долгожителей» являются копировальные машины типа «Ксерокс», самолеты «Боинг», автомобили «Форд». К числу семейств технических систем безусловно относятся квантовые генераторы, разные типы электронных при -боров (магнетроны, клистроны, генераторные лампы и т.д.).

Список семейств можно продолжать весьма долго, приводя примеры из любой отрасли отечественной и зарубежной техники ^[16-17].
В условиях научно-технической революции, интенсивного производства новых знаний сами процессы создания новых технических систем характеризуются возрастающей сложностью задач конструирования: растет количество альтернатив выполнения отдельных подсистем, узлов, блоков, увеличивается список физических эффектов, которые кладут в их основу. С ростом числа альтернатив растёт и число осуществимых и работоспособных комбинаций этих альтернатив.

Проанализируем некоторые аспекты технического творчества конструктора.
Предположим следующую ситуацию: конструктору поставлена задача разработать электронный датчик (преобразователь), действие которого основано на механическом управлении электронным током электровакуумного прибора. Разрабатываемый прибор принадлежит к семейству «механотронные преобразователи», или просто «механотроны». Техническим заданием предусмотрены определенные параметры механотрона, превосходящие известные аналоги. На основе своего личного опыта, опираясь на известные ему физические процессы, конструктор начинает поиски схемных решений. Эта стадия в творчестве конструктора и в жизни технической системы называется стадией замысла — (поисковой стадией) и завершается приближенной конструкцией будущей системы.

Г.С. Поспеловым введено понятие «жизненный цикл образца», как основной операционный объект в программном методе управления ^{[16, 17]}. Жизненный цикл состоит из последовательного ряда стадий, которые постепенно проходят при своем развитии изделия новой техники.

В этом цикле первая стадия — замысел новой технической системы или создание нового образца уже известного семейства. На рис. 1, заимствованном из ^[17], показана графическая интерпретация понятия жизненного цикла. Здесь каждое состояние разделено процедурой принятия решения: плюсом отмечена ситуация, когда принимается решение о продолжении разработки, т.е. о переходе в следующую стадию; минусом — решение о возврате на предыдущую стадию для доработок.

При создании новых технических систем на стадии замысла решают задачи, относящиеся к классу оптимизационных. Фаза замысла по своему характеру является полностью информационной, так как до принятия замысла не проводят никакие предметные эксперименты и физические исследования. Ответственные лица принимают решения о структуре разработки исключительно на основе имеющейся или синтезированной информации (сведений) о машинах данного типа и личного опыта.

Фаза замысла всегда носит самостоятельный характер, так как заканчивается обязательной итоговой фиксацией результатов решений в виде документов, которые становятся директивами на длительный период (как правило, в среднем несколько лет) воспоследования фаз жизненного цикла. Кроме того, фазе замысла характерна достаточная полнота рассмотрения: при принятии решения ответственные лица должны учитывать все сведения, имеющие значение для последующей жизни системы, вплоть до снятия образца с производства.

Рассмотрим далее процесс технического творчества конструктора. Первым естественным шагом конструктора является обращение в информационную систему, которая выдает на его запрос сведения о документах или сами документы, релевантные его запросу о механотронах с заданными параметрами.

Получив статьи, патентные описания, рекламные сообщения, проспекты, каталоги, отчеты, конструктор начинает поиск в них нужных ему фактографических данных. Эти данные содержатся в документах в аморфном состоянии, поиск их отнимает много времени и не эффективен.

Здесь уместно заметить, что данный конструктор находится в значительно худшем состоянии, чем композитор, сочиняющий музыкальную пьесу. У композитора есть фортепиано, из которого он может извлечь любой необходимый ему звук в сочетании с другими; у конструктора такого «фортепиано» нет.

В работах ^{[18, 19]} изложены результаты системного анализа процессов информационного обеспечения научных разработок по всему жизненному циклу образца и предложены модели, описывающие эти процессы. Однако вопросы фактографического информирования на стадии замысла были намечены лишь в общих чертах.

Современное состояние вычислительной техники и перечисленные свойства фазы замысла по нашему мнению позволяют надеяться на возможность создавать «банки альтернатив конструктивных решений», некоторую технологическую память, которая содержит все сведения, способные существенно влиять на выбираемый заказчиком и конструктором образ замысла. Фактографическая система, опирающаяся на такую память, смогла бы взять на себя значительную часть рутинной работы, которую вынуждены сейчас выполнять создатели новой техники.

I.I. Основная комбинаторная концепция

Данная идея так или иначе опирается на достижения многих исследователей, среди которых отметим следующие.

Ф. Цвикки в период с 1923 по 1975 гг. опубликовано более 100 работ, в которых он излагает основные идеи созданного им «морфологического анализа». В применении к техническому творчеству эти идеи наиболее полно изложены в книгах ^{[20, 21]}. Из работ Ф. Цвикки заимствована идея морфологического «куба» — так называемой комбинаторной структуры.

Ф. Кессельринг ^[22] в ряде работ рассматривает группы факторов, определяющих выбор замысла конструкции. Им выделено около 800 критериев, по которым оценивают «техническую хозяйственная полезность» конструкции. Ф. Кессельринг обосновал направление в теории и практике технического творчества, которое он назвал «ответственным хозяйственным конструированием».

Из работы П.К. Орлова ^[23] была выведена необходимость стандартных процедур пополнения массива фактографических данных сведениями о технологии, конструкции и хозяйственной сфере их применения, с тем, чтобы эти сведения выступали в задачах оптимизации как ограничения. В книге ^[24] содержится гипотеза о том, что процесс вспоминания является всякий раз процессом конструирования образа заново.

Это означает, что большие совокупности близких по смыслу образов не находятся в памяти в готовом виде перед вспоминанием, а представлены некоторым экономным спектральным рядом подобразов, которые входят в большинство образов совокупности, и ядром оператора, с помощью которого осуществляется интегрирование по спектру и воссоздание (восстановление) образов.

Эта техническая идея использована нами в разработанном формализме для запоминания данных по исторической серии прототипов систем данного семейства. Кроме того, использованы идеи, содержащиеся в работе ^[25].

В работе ^[26] авторы предлагали в качестве модели любой технической системы так называемое «комбинаторное дерево блоков». Пополненное данными о взаимодействии технической системы с внешней средой, содержащее все известные альтернативы выполнения каждого блока, это дерево даёт целостное представление о системе и путях её развития.

Авторы видят свою задачу в том, чтобы найти некоторый метод постепенного выбора конструкции с предварительно заданными свойствами для случаев, когда число вариантов создаваемой конструкции необозримо велико, а сами варианты различны, хотя и получаются путем комбинирования простых исходных элементов.

Метод должен допускать выделение нужной конструкции без излишних забот со стороны разработчика, то есть без построения и рассмотрения других ненужных вариантов. Искомый метод по нашему мнению может составить методологическую основу фактографического информирования конструкторских разработок.

В Тетради дан конкретный пример формализации процессов фактографического информирования на основе комбинаторного дерева блоков ^[26] выбранного семейства технических систем. Для иллюстрации взято семейство электронных приборов «механотроны».

Выбор определяется тем, что механотроны не очень сложны, это дает возможность построить комбинаторное дерево малыми силами. Кроме того, механотроны — ближайшие родственники радиоламп, а это семейство широко известно, имеется большое число литературных источников для извлечения фактографических данных. Из-за широкой известности радиоламп легко доступными для понимания оказываются и механотроны. Именно благодаря этому, мы выбрали это семейство в качестве конкретного примера.

Текст работы носит описательный характер, так как для краткости построен в основном на аналогиях. В целом упор сделан на то, чтобы в наглядной форме дать представление о «технологической памяти «и показать её место и главную роль в фактографическом информировании конструкторских разработок новой техники.

2. Дерево блоков семейства «Механотроны»

2.1.Механотроны

В целях наиболее точного оперирования конструктивными понятиями начнем с того, что осмыслим следующий отрывок из ^[27], дающий определение механотрона как электронного прибора.

«Для контроля и регулирования различных механических параметров в машиностроении, приборостроении, автоматике и других областях промышленности и техники широко используются электрические методы измерения и преобразования неэлектрических величин. Различные механические величины, поступая на вход специальных устройств (преобразователей или датчиков), преобразуются ими в ток или напряжение, а также в частоту, фазу или период электрических колебаний.

В настоящее время известно большое количество всевозможного рода электромеханических преобразователей, позволяющих непосредственно осуществлять эффективное преобразование следующих механических величин: линейных и угловых перемещений, скорости и ускорений перемещающихся объектов, деформации деталей, параметров вибрации и др.

С помощью дополнительных устройств — так называемых чувствительных элементов — в электрические сигналы могут быть преобразованы и другие неэлектрические величины: давление и разрежение, влажность, температура, расход жидкостей и газов, вязкость и т.д.

К числу перспективных датчиков электромеханического типа относятся электронные ламповые преобразователи, действие которых основано на механическом управлении электронным током электровакуумных приборов.

Наиболее обширной группой электронно-механических преобразователей являются так называемые механотронные преобразователи или механотроны.

Механотрон — это электронная лампа, электронным током которой управляют непосредственно механическим перемещением её электродов. Характерной особенностью механотрона является наличие одного или нескольких подвижных электродов, соединенных с оболочкой лампы посредством упругого элемента (мембраны, сильфона, пружины и т.д.).

Относительное перемещение электродов в механотроне при внешнем механическом воздействии приводит к изменению величины и конфигурации электрического поля между электродами, что в свою очередь изменяет анодный ток лампы.

Совокупность электродов механотрона называется его электродной (механотронной) системой, а упругий элемент вместе с подвижными электродами и другими подвижными деталями его кинематической системой.

Обозначения:

А0 — отклонение штыря, вызванное силой; kd-смещение анода, вызванное ускорением; W₀ — прогиб мембраны от давления. На рис.2,в скобках через точку дана нумерация к дереву блоков по п. 23

Механотронные преобразователи линейных перемещений, усилий и давлений, как правило, имеют внешний восприниматель механического сигнала и обычно называются механотронами с внешним механическим управлением. Механотронные преобразователи ускорений, вибраций а также некоторые виды преобразователей угловых перемещений и углов поворота могут быть выполнены как с внешним, так и с внутренним (инерционным) механическим управлением.

Часть оболочки механотронов, предназначенных главным образом для измерений перемещений и усилий, выполняется обычно в виде гибкой мембраны 1 (рис.2,а). Подвижный электрод 2 имеет внешний вывод 4, впаянный или вваренный в мембрану, посредством которого при внешнем механическом воздействии осуществляется перемещение электрода 2 относительно неподвижного электрода — катода 3.

Как видно из рисунков 2,6 и 2,в, в механотронных преобразователях давлений штырь отсутствует. Воспринимателем механического сигнала (давления) является непосредственно мембрана 1 (или сильфон), с которой посредством держателя 4 жестко связан подвижный электрод 2 лампы.

В механотронных преобразователях ускорений и вибраций (рис.2 ,г ) инерционная масса 1 может быть непосредственно объединена с подвижным электродом 2, укрепленным внутри лампы на упругой опоре в виде плоской пружины 4. Гибких оболочек в этом случае не требуется ^[27].

2.2. Функциональная схема механотрона

При первом рассмотрении в любом механотроне можно выделить следующие блоки (рис. 3):

блок преобразования механического воздействия в механический сигнал;
блок передачи механического сигнала в чувствительную систему механотрона;
блок преобразования механического сигнала в электрический.
В приведенных на рис. 2 примерах механотронов этим блокам в конкретных случаях соответствуют:
плоская упругая мембрана асимметричного изгиба 1;
штырь-рычаг 4;
плоская пара «катод-анод» 2,3 (см. рис.2,а);
гофрированная мембрана симметричного прогиба;
держатель анода 4;
плоская пара «катод-анод» 2,3 (см. рис.2, б);
сильфон 1;

Рис. 3. Функциональная схема механотрона (первое приближение)

держатель анода 4;
плоская пара «катод-анод» 2,В (см. рис. 2, б);
массивное инертное тело 1;
часть плоской пружины 4;
плоская пара «катод-анод» 2,3 (см. рис. 2,г).

Однако более внимательное ознакомление с различными конструкциями механотронов показывает, что в них имеется ряд разнообразно решенных блоков, выполняющих следующие функции:

ограничение механического воздействия на блок преобразования этого воздействия в механический сигнал/пара упорных винтов, ограничивающих угловые перемещения штыря; внешний ограничитель линейных перемещений сильфона;

ограничения механического сигнала на входе в блок передачи этого сигнала в чувствительную систему механотрона/внутренний ограничитель линейных перемещений сильфона;

ограничение механического сигнала на входе его в блок преобразования в электрический сигнал/например пара слюдяных пластин-упоров, предотвращающая короткое замыкание катода с анодом).

Добавив эти блоки к тем, что показаны на рис.3, мы получим схему, приведенную на рис. 4.

В конструкции любого механотрона можно обнаружить также ряд ‘блоков, призванных изолировать или защищать блоки, показанные на рис. 3 от нежелательных разрушающих воздействий внешней среды или от её воздействий, искажающих сигнал и дающих большую погрешность в измерениях.

Легко представить себе механотроны, работающие во внешней среде и не требующие откачанной колбы, но в большинстве случаев колба необходима для осуществления разрядного промежутка «катод-анод». Точно так же другие блоки, показанные на рис. 4,требуют для себя защитных блоков в зависимости от характера среды, с которой они контактируют в рабочем состоянии или при хранении механотрона.

Этими блоками могут быть различные кожухи, амортизаторы, защитные покрытия и т.д. Таким образом, мы можем приписать на рис. 4 против каждого блока по одному блоку защиты от нежелательных взаимодействий с факторами внешней среды. Результат показан на рис. 5.

2.3. Дерево блоков

Процесс сборки механотрона из деталей может быть проведен большим числом различных способов в зависимости от того, какова его конструкция и какое технологическое оборудование привлекается для сборки.

Рассмотрим условный обратный процесс постепенной разборки ме-ханотрона на составляющие его подблоки вплоть до неделимых деталей, которые технологически изготовляются как одно целое.

Выберем при этом следующий принцип отнесения деталей к тому или иному блоку:

данную деталь будем относить к блоку лишь в том случае, если она непосредственно участвует в процессе, который реализуется этим блоком.

Конструктору и технологу всегда ясно, для чего предусмотрена та или иная деталь, поэтому соблюсти указанный принцип легко. Заметим, что совокупность деталей, участвующих в данном процессе, может не составлять блок в обычном понимании этого слова, т.е. не все из деталей контактируют друг с другом и не фиксированы в одно жесткое целое, которое можно брать и перемещать.

Например, герметичная колба и газопоглотитель в её объеме участвуют в одном и том же процессе — обеспечении среднего вакуума в разрядном промежутке механотрона, — однако непосредственно не контактируют и при разборке окажутся двумя рядом лежащими деталями, а не жестким целым.

Соблюдая указанный принцип отнесения деталей к блокам, мы заметим, что одна и та же деталь может попасть одновременно в два или более различных блоков. Это происходит потому, что разные блоки могут эксплуатировать различные процессы, протекающие в материале одной и той же детали.

Например, деталь может быть одновременно проводником электрического тока и частью несущего каркаса, как это имеет место в случае держателя анода на рис. 2, в. На этом же рисунке упругий элемент — сильфон выступает одновременно как преобразователь давлений в линейные перемещения, как часть поддержки анода, как проводник анодного тока и как часть герметичной оболочки, т.е. он при разборке механотрона будет отнесен одновременно к четырем разным блокам.

Принимая во внимание указанные условности разбиения и проводя его в несколько приемов — от крупных блоков ко все более мелким, вплоть до деталей, — можно получить дерево блоков, если уело -виться соединять линией два блока, из которых один полностью принадлежит другому. Проиллюстрируем это на примере механотрона, показанного на рис. 2, в, В силу того, что графическое построение дерева блоков трудоемко, мы заменим его иерархическим списком с нумерацией пунктов через точку, как это принято, например, в УДК.

Дерево блоков механотрона

1. Блок ограничения механического воздействия на механотрон со стороны измеряемого объекта

1.1. Ограничитель воздействия измеряемого объекта на механотрон
1.1.1. Штампованный латунный упор в виде перфорированного усеченного конуса
1.1.2. Штифт с резьбой, закрепленный на держателе анода
1.1.3. Регулировочная гайка, ограничивающая ход сильфона
1.2. Блок защиты ограничителя от разрушающего воздействия среды — анодированная поверхность металлических деталей

2. Блок преобразования механического воздействия в механический сигнал

2.1. Преобразователь воздействия в сигнал
2.1.1. Конусообразный спай стекло — фланец
2.1.2. Фланец из ковара
2.1.3. Бронзовый сильфон
2.2. Блок защиты преобразователя от разрушающего воздействия среды — оловянная полуда внутренней поверхности фланца и сильфона

3. Блок ограничения механического сигнала между преобразователем воздействия и блоком передачи сигнала в чувствительную систему — в данном случае отсутствует из-за того, что блок преобразователя частично совпадает с блоком передачи сигнала
4. Блок передачи сигнала в чувствительную систему механотрона

4.1. Передатчик
4.1.1. Бронзовый сильфон
4.1.2. Держатель анода никелевый
4.2. Блок защиты передатчика — оловянная полуда сильфона

5. Блок ограничения сигнала между передатчиком и преобразователем механического сигнала

5.1. Внутренний вольфрамовый конусообразный упор, находящийся под потенциалом катода
5.2. Блок защиты ограничителя — откачанная герметичная колба

6. Блок преобразования механического сигнала в электрический (изменение анодного тока).

6.1.Преобразователь
6.1.1. Плоский молибденовый анод продольного управления
6.1.2. Конусообразный вольфрамовый упор — электростатический экран против залета электронов на обратную сторону анода
6.1.3. Катодный узел косвенного подогрева
6.1.3.1. Стеклянная катодная ножка с электровводами из молибдена
6.1.3.2. Никелевые траверсы каркаса держателя катода
6.1.3.3. Пара слюдяных пластин держателя катода
6.1.3.4. Плоский катод — «коробок»
6.1.3.5. Эмигрирующее покрытие коробка на базе тройного карбоната ТТ0.028.002.ТУ
6.1.3.6. Подогреватель катода — монобифилярная алундированная спираль из вольфрама
6.2. Блок защиты преобразователя (разрядного промежутка)
6.2.1. Откачанная и отпаянная пустотная колба из стекла СП
6.2.2. Пара трубчатых бариевых поглотителей газа в разрядном промежутке

Легко видеть, что в приведенном иерархическом списке или дереве блоков ветвление заканчивается на отдельных деталях, изготов -ляемых как неразборное целое. При этом указывается форма детали, материал, из которого она изготовлена и, иногда, технологический способ её изготовления.

2.4. Пополнение дерева блоков сведениями о технологии. выход за уровень неделимых деталей

Заметим, что способ изготовления можно указать не только для отдельных деталей, но и для всех отдельных узлов, состоящих из многих деталей. Например, для корпуса катода с эмигрирующим покрытием (6.1.3.5) на базе тройного карбоната можно указать одним из способов нанесения покрытия:

катафорез,
анафорез,
пульверизацию,
многократное механическое намазывание, перемежаемое с сушкой, в зависимости от того, какой из них был применён.

Рассматривая оборудование, необходимое для того или иного способа изготовления деталей или сборки их в блоки, мы можем установить, что это оборудование, как и сам механотрон, может бить в свою очередь разбито на функциональные блоки. Пользуясь этим обстоятельством, можно естественным образом продолжить дерево блоков механотрона за линию деталей и за наименования способов сборки узлов.

Очевидно, что такое пополнение дерева блоков предоставляет нам дополнительную информацию об изделии. Например, если указано, что конусообразный спай 2.1.1. коварового фланца со стеклом пустотного баллона получен с применением огневого оснащения, а не на оборудовании для высокочастотной сварки стекла с металлом, то можно надеяться, что спай будет характеризоваться меньшим нареканием.

Эта информация часто не менее важна, чем «основная», непосредственно касающаяся деталей. Поэтому в дальнейшем часть дерева блоков, описывающая технологию изготовления деталей и технологию сборки деталей в узлы, будет считаться такой же информативной, как и остальная часть дерева, описывающая блоки и детали самого изделия. Практические примеры сплошь и рядом убеждают нас в том, что изделие несет на себе многие черты порождающей его технологии, и наоборот, выбранная модификация изделия иногда сильнейшим образом влияет на состав сырья, привлекаемое оборудование и технологию изготовления.

Результат пополнения функциональной схемы блоками технологического оборудования символически показан на рис. 6.

2.5. Простые «подстановки»

Рассматривая дерево блоков, приведенное в 2.3, можно заметить, что из него легко получаются другие деревья блоков, соответствую -щие другим осуществимым конструкциям. Проще всего это сделать,

проведя «подстановку» других подходящих материалов вместо тех,что указаны для деталей в исходном дереве. Достаточно подменить материал лишь одной детали, и взамен одной конструкции мы будем иметь уже две немного отличающиеся друг от друга конструкции. Например, наряду с бронзой для сильфона 2.1.3 можно назвать латунь, нержавеющую сталь, медь и т.д.; для 6.1.3.6. подогревателя катода можно указать следующие взаимозаменяемые материалы:

вольфрам марки БА-3, ВА-5;
сплав вольфрама с рением ВР-20;
сплав МВ-50;
тантал ТТ.

Комбинируя лишь варианты выполнения сильфона и подогревателя катода при неизменном выполнении остальных деталей, мы получим при указанных материалах 4х 4 = 16 конструкций механотрона в разной степени отличающихся друг от друга. Заметим, что при этих «подстановках» чертеж изделия или его схемное решение остается неизменным.

2.6. Более сложные подстановки

В результате изучения специальной литературы по устройству и производству радиоламп, по способам передачи движения в вакуум или обзорной работы по механотронам можно увидеть, что свойством замещать друг друга в механотроне обладают не только материалы, из которых изготовлены детали, но и целые блоки. Например, блок преобразования механического воздействия в механический сигнал может быть выполнен с основным элементом в виде:

сильфона;
мембраны асимметричного изгиба;
гофрированной мембраны симметричного прогиба;
мембранной коробки складывающегося типа;
отрезка толстостенной стальной трубки с асимметрично расположенным каналом и т.д.

При этом взаимозаменяемые блоки сильно отличаются друг от друга из-за различия их основных функциональных элементов. Еще больше отличаются друг от друга соответствующие им блоки защиты.

Замещая в общей функциональной схеме один блок на другой, можно как и в случае замены материала деталей получать иные конструкции механотронов, причем многие из них будут реально осуществимы. Однако в этом случае мы имеем уже более сложные «подстановки».

Здесь конструкции будут резко отличаться друг от друга, а не слегка, как в случае подмены материалов. Схемные решения конструкций будут сильно различаться, а в частях дерева блоков каждой конструкции, соответствующих технологии сборки изделий и технологии изготовления деталей и материалов, различие будет еще более значительным.

Условимся как при простых, так и при сложных подстановках называть альтернативами объекты, замещающие друг друга. В качестве альтернатив, таким образом, могут относиться друг к другу следующие взаимозамещающие пары:

материал и материал;
две различных формы одной и той же детали;
два различных схемных решения одного и того же функционального блока;
два различных способа изготовления и сборки блоков.

Если попытаться изобразить в виде отдельных чертежей модификации механотронов, получаемых из общей функциональной схемы в результате подстановки блоков или из каждой частной схемы в результате замены материалов, то мы быстро убедимся, что эта задача практически неразрешима, так как число модификаций чрезвычайно велико и растет как произведение числа возможностей замены по всем блокам и материалам.

Действительно, ничто не мешает, например, заменить сильфон на мембранную коробку и одновременно подставить в схему поочередно катод прямого накала и катод косвенного подогрева, так что получится уже четыре модификации при учете только этих замен.

По грубой оценке, число возможных вариантов подстановок или же схемных решений механотрона превышает 10¹². Очевидно, что при таком числе вариантов конструкций теряет смысл изображение каждой конструкции отдельно с тем, чтобы далее сравнивать их попарно.

Этот вывод будет казаться более естественным, если обратить внимание на то, что метод выбора предпочтительной конструкции, основанный на построении отдельных изображений конструкций и последующем попарном сравнении, не является ни единственным методом, ни главным, ни также самым естественным из методов.

2.7. Идея иерархии выбора

В ситуации, когда число вариантов конструкций велико, а сами варианты глубоко различны, хотя и получаются комбинированием простых исходных элементов, следует найти и четко определить метод «постепенного» выбора конструкции с заданными свойствами. При этом метод предусматривает выделение нужной конструкции без излишней работы, т.е. без построения каких бы то ни было других вариантов.

Чтобы пояснить сказанное, представим себе художника, который делает отдельно очень большое число окончательных тщательно прорисованных карандашных рисунков, каждый из которых отличается от другого лишь в некоторых деталях. Затем этот художник выбирает тот рисунок, который ему представляется наилучшим. Очевидно, что на практике ни один художник не поступает так неэкономно.

Сначала художник тонкими и более резкими, чем требуется для рисунка, линиями обозначает общую композицию. Затем, он переделывает лишь некоторые её детали и переходит к нанесению внешне беспорядочной системы линий, захватывающей чуть больше того, что будет рисунком. Добавляя и убирая длинные приблизительные штрихи, художник приходит к ситуации, когда он может начать более детальную штриховку получающейся заготовки будущего рисунка. После штриховки принципиально возможен возврат на предыдущие уровни и даже исправление общей композиции.

В конечном итоге художник проводит растушовку рисунка и закрепляет его. На этом образном примере мы видим, как постепенно проступает сущность будущего рисунка, и наконец появляется законченный итоговый вариант, очевидно, без сопровождения множества менее удачных «суб-оптимальных» рисунков. Для усиления аналогии приведем несколько выдержек из книги А. Губера «Микельанджело» ^[28], характеризующих технику работы скульптора:

… Микельанджело постепенно снимал «лишний» мрамор, извлекая из глыбы фигуру…

… в своих стихах… он говорит: «Наилучший из художников не может создать такого образа, которого единый кусок мрамора не заключал бы уже в себе под своей оболочкой…

… сначала Микельанджело шунтом отбивал большие куски мрамора, намечая лишь общие очертания фигуры. Затем троянкой отделывал ее, придавая нужную форму и выделяя детали. Наконец, последний этап — полировка… В работе скульптора и художника ясно видна иерархия выбора: сначала грубая, а затем все более тонкая «отделка». Эта иерархия полезна. Если предположить, что в работе скульптора и конструктора технических систем много общего, то надо разрабатывать метод иерархического выбора конструкции, который давал бы в окончательном итоге всего один вариант и не вызывал бы к рассмотрению и парному сравнению другие менее удачные варианты конструкций.

В работе скульптора и художника легко понять, что есть обрабатываемый материал, уяснить его сущность и свойства. Принимая гипотезу о сходстве работы скульптора и конструктора систем, надо понять сущность «материала», который обрабатывает конструктор и от которого он «откалывает» все лишнее, а также уяснить, в чём состоит иерархия выбора в работе конструктора.

3. Комбинаторное дерево блоков

Ниже рассматривается простая списковая структура, которая является самой грубой моделью «материала», с которым работает конструктор. Это комбинаторное дерево блоков. Оно обладает следующими свойствами:

— в нём учтены все технические возможности, которыми на данный момент (при данном уровне технического прогресса) может распорядиться конструктор. Это значит, что в дереве показаны все альтернативы, способные замещать друг друга в конструкциях (см.2.6.);
— останавливаясь в каждой группе замещающих друг друга альтернатив лишь на одной из них, т.е. «откалывая» остальные как лишние,
— можно извлекать из комбинаторного дерева «комбинации», являющиеся деревьями блоков для тех или иных конструкций;
— процесс извлечения конструкции из комбинаторного дерева имеет иерархическую структуру и поддаётся пошаговой оптимизации, так что по завершении этого процесса получается всего одна, уже оптимальная конструкция.

Для того, чтобы дать точное определение комбинаторного дерева блоков и показать, в чём состоит сущность иерархического выбора при работе с ним, необходимо провести несколько полуформальных построений. Комбинаторное дерево и иерархия выбора связаны с тремя простыми понятиями: «альтернативная линейка», «пояс альтернатив», «матрица совместимости».

3.1. Альтернативная линейка

Обычно, дерево блоков системы изображают графически так, как показано на рис. 7а. При другом, менее распространенном способе, уровни разбиения замыкают в «круги разбиения», а блоки изображают в виде дисков (рис. 7б). Пространственное изображение на рис. 6б) для нас более удобно, так как позволяет ввести ряд наглядных понятий, отправляясь прямо от рисунков.

То обстоятельство, что данный блок имеет n альтернатив выполнения, можно изобразить в виде стопы из « поставленных друг на друга дисков и скользящей по ним стрелки (рис. 8). Такую стопу и скользящую по ней стрелку мы будем называть альтернативной линейкой. На рис, 8 показана линейка для блока передачи механического сигнала в чувствительную систему механотрона. Скользящая стрелка остановлена в третьей позиции. Это значит, что в качестве блока передачи выбран сильфон.

На практике рисовать изображения блоков больших деревьев неудобно, поэтому их представляют иерархическими списками. Точно так же удобнее представлять иерархическим списком и комбинаторное дерево блоков, но для этого надо иметь средства для показа в списке альтернативных линеек. Условимся показывать альтернативную линейку в списке так:

п2.а1. сильфон
п2.а2 мембрана асимметричного изгиба
п2.аЗ. гофрированная мембрана симметричного прогиба
п2.а4. мембранная коробка складывающегося типа

Это часть альтернативной линейки для блока-преобразователя механического воздействия в механический сигнал. Подчеркнутая часть кода визуально сигнализирует об альтернативной линейке при просмотре списка. Эту же роль выполняет вертикальная «прострочка» слева.

Рис.7. Два эквивалентных способа изображения дерева блоков: 7 а-уровни разбиения; 76 — круги разбиения

Рис. 8. Условное изображение альтернативной линейки: 1 — штырь рычаг; 2 — держатель анода; 3 — вращающееся магнитное поле; 4 — сильфон; 5 — плоская консольная пружина

До подчеркнутой части кода слева перед каждой альтернативой проставляется код, указывающий адрес альтернативной линейки в комбинаторном дереве. Обозначение… п2.аЗ. говорит о том, что перед нами третья по счету альтернатива из некоторой линейки, которая принадлежит второму поясу альтернатив (см. далее). Количество альтернатив в линейке будем называть её длиной, хотя по рисункам естественнее было бы назвать это количество высотой.

3.2. Комбинаторное дерево

Частное комбинаторное дерево (под-дерево) легко получить, показав несколько альтернативных линеек в дереве блоков любого механотрона. Такое дерево будет представлять некоторую ценность, однако в нём будет показана лишь часть возможностей, которыми может располагать конструктор при создании нового механотрона.

Для того, чтобы построить дерево, в котором показаны все альтернативы, необходимо переработать в иерархической список все имеющиеся на данный момент сведения о том, как выполняется тот или иной блок в различных конструкциях.

Условимся, что все сведения о механотронах, технологии их создания и условиях применения собраны воедино в «хрестоматию» о механотронах.

Чтобы построить полное комбинаторное дерево блоков, надо взять символическую схему (см. рис.6) и, читая хрестоматию, провести последовательную «разборку» показанных на ней блоков. При этом, проходя очередной круг разбиения, надо искать в хрестоматии сведения, которые давали бы однозначный ответ на следующий вопрос: имеется ли для блока Б хотя бы один альтернативный заместитель?

Если заместители имеются, то в дереве блоков на них заводится альтернативная линейка в виде стопы «дисков», а в иерархическом списке в том виде, как условлено в п.3.1. В п. 8.4. дан пример текста и показано, как проходил процесс чтения этого текста, и какие записи были сделаны в комбинаторном дереве.

Представим себе, что по мере того как названия блоков и их альтернатив появляются в строящемся дереве, сведения о них вычеркиваются из хрестоматии. Когда в ней будет зачеркнут весь содержа -тельный текст, проанализированный по заданной программе будем считать, что построено полное комбинаторное дерево блоков на конструкцию, технологию изготовления и условия применения механотронов. Процесс перевода знаний о механотронах из текстов, написанных в произвольной форме, в иерархический спи • сок с альтернативными линейками, проведенный без потерь и искажений этого знания можно рассматривать как своеобразный процесс «перекристаллизации». Его отличительной чертой является сильное сжатие данных. Действительно, в традиционном тексте одни и те же сведения могут повторяться в разных местах в комбинации с разными сведениями другого характера. В комбинаторном дереве блоков сведения записываются всего один раз в строго определенном месте в структуре иерархического списка.

На рис. 9 дан условный графический пример комбинаторного дерева блоков, показаны альтернативные линейки и скользящие по ним стрелки.

Для устранения неизбежных неясностей в описании сущности комбинаторного дерева блоков в следующем пункте приводится комбинаторное дерево блоков на примере катода косвенного подогрева, являющегося частью механотрона или почти любой радиолампы. Конечно, дерево построено на основе «хрестоматии», имевшейся в распоряжении авторов, и возможно неполно.

3.3. Пример конкретного дерева блоков

Катод косвенного подогрева

1. Корпус катода
2. Подогреватель катода
3. Эмиттер катода

Рис.9. Условный пример комбинаторного дерева блоков:

1 — центральная вершина; 2 — альтернативные линейки; 3 – уровни разбиения

1. Корпус катода

1.1. Форма корпуса катода
1.2. Материал корпуса катода
1.1. Форма корпуса катода
1.1.п1.al. Торцовый катод
1.1.п1.а2. Отрезок эллиптического цилиндра
1.1.п1.аЗ. «Коробок»
1Л. Материал корпуса катода
1.2.п1.а1. Вольфрам с присадкой окисла алюминия
1.2.п1.а2. Сплав вольфрама с молибденом — МВ-50
1.2.п1.аЗ. Вольфрам марки ВА-3, ВА-5
1.2.п1.а4. Сплав вольфрама с рением ВР-20
1.2.п1.а5. Торированный вольфрам ВТ10
1.2.п1.а6. Торированный вольфрам ВТ15
1.2.п1.а7. Молибден МТ
1.2.п1.а8. Тантал ТТ

2. Подогреватель катода

2.1. Проводящая часть тела накала
2.2. Изолирующая часть тела накала
2.1. Проводящая часть тела накала
2.1.1. Форма проводящей части тела накала
2.l.l.nl.al. Петля проволочная
2.1.1.п1.а2. Проволочный шлейф
2.1.1.п1.аЗ. Монофилярная спираль
2.1Л.п1.а4. Монобифилярная спираль — двойная спираль, навитая не из проволоки, а из одинарной спирали малого диаметра
2.1.2. Материал проводящей части тела накала
2.1.2.п1.а1. Вольфрам марки ВА-3
2.1,2.п1.а2.Вольфрам марки ВА-5
2.1.2. п!.аЗ. Сплавы вольфрама с рением ВР-20
2.1.2.п1.а4. Сплав МВ-50
2.1.3. Способ изготовления проводящей части тела накала
2.1.3.п1.а1. Гибка вручную на шаблоне
2.1.3.п1.а2. Спирализация на автомате марки ЗР-11
2.1.4. Способ соединения тела накала с электровводами
2.1.4.п1.а1. Соединение с помощью никелевых пистонов-трубочек с последующей точечной сваркой
2.1.4.п1.а2. С помощью приваренных никелевых лепестков
2.1.4.п1.аЗ. Вставка внутрь спирали отрезка молибденовой проволоки и последующая сварка
2.1.4.п1.а4. Навинчивание на концы монофилярного подогревателя отрезков другой тонкой спирали большего диаметра и сварка
2.1.4.п1.а5. Армирование железной пастой, обмазка битумом, травление, снятие битума, сварка «бобышек» с электровводами
2.2. Изолирующая часть тела накала
2.2.1. Форма изолирующей части тела накала
2.2.1.п1.а1. Тонкий слой покрытия, повторяющий форму проводящей части тела накала
2.2.1.п1.а2. Трубка из изолирующего материала, в которую вставляется проводящая часть тела накала
2.2.1.п1.аЗ. Стержень из изолирующего материала, вставляемый внутрь тела накала, и трубка, в которую вставляется стержень с телом накала
2.2.2. Материал изолирующей части тела накала
2.2.2.п1.а1. Алунд
2.2.2.п1.а2. Окись алюминия
2.2.3. Способ изготовления изолирующей части тела накала
2.2.3.п1.а1. Метод механического намазывания биндера на тело накала подогревателя путем многократного пропускания поочередно через контейнер с биндером и через печь
2.2.3.п1.а2. Метод пульверизации
2.2.3.п1.аЗ. Метод катафореза (станок М-24)
2.2.3.п1.а4. Метод анафореза (переналаженный станок М-24)

3. Эмиттер катода

3.1. Форма эмитирующей компоненты
3.1.п1.а1. Повторение формы поверхности или части поверхности корпуса катода
3.1.п1.а2. Плоское круглое пятно
3.1.п1.аЗ. Прямоугольник
3.1.п1 л4. Плоская фигура с заметаемой площадью, изменяющейся по заданному закону
3.2. Микроструктура эмитирующей компоненты
3.2.п1.а1. Однородная и изотропная микроструктура
3.2.п1.а2. Пористая или губчатая структура
3.3. Состав эмитирующего покрытия
3.3.1. Пассивный твердый наполнитель
3.3.1.п1.а1. Никель из щавелевокислого никеля
3.3.1.п1.а2. Тантал из танталовой жести ТНЗ
3.3.1.п1.аЗ. Вольфрам
3.3.2. Активная эмитирующая компонента
3.3.2.1. Агрегатное состояние эмитирующей компоненты
3.3.2.1.п1.а1. Твердая эмитирующая компонента
3.3.2.1.п1.а2. Расплавленная эмитирующая компонента
3.3.2.1.п1.аЗ. Адсорбированный активирующий слой газа
3.3.2.2. Материал активной эмитирующей компоненты
3.3.2.2.п1.а1. Возобновляемая пленка бария, поступающая из емкости в корпусе катода
3.3.2.2.п1.а2. Бариево-кальциевый вольфрамат
3.3.2.2.п1.аЗ. Вольфрамат бария
3.3.2.2.п1.а4. Алюминат бария
3.3.2.2.п1.а5. Окись тория
3.3.2.2.п1.а6. Двойной карбонат (ТТ0.028.001.ТУ)
3.3.2.2.п1.а7. Тройной карбонат (ТТ0.028.002.ТУ)
З.4. Способ нанесения эмитирующего покрытия на корпус катода
3.4.п1а1. Катафорез
3.4.п1.а2. Анафорез
3.4.п1.аЗ. Пульверизация (на полуавтомате КР-10)
3.4.п1.а4. Нанесение суспензии вручную художественной кистью
3.4.п1.а5. Метод сухого синтезирования (спекание порошка с поверхностью керна в оправке в водородной печи)
3.4л1.а6. Способ раздельного напыления порошков и биндера (способ Л.Я. Смоктий и Б.П. Никонова)

Если предположить, что в этом дереве выбор блока в одной из линеек не накладывает никаких ограничений на произвол в выборе блоков в оставшихся альтернативных линейках, то возможное число конструкций катода будет превышать 10⁷. Точное число можно получить перемножив длины всех альтернативных линеек в комбинаторном древе.

Перебирать варианты и выяснять, какой из них лучше, — бессмысленно. Это еще раз подтверждает необходимость разработки аппарата иерархической пошаговой оптимизации при выборе оптимальной в заданном смысле конструкции.

3.4. Извлечение вариантов конструкций из комбинаторного дерева блоков

Из комбинаторного дерева можно извлечь деревья блоков всех существующих конструкций системы, а также большое число несуществующих, но принципиально возможных конструкций. Для этого достаточно остановить скользящие стрелки в тех или иных позициях альтернативных линеек, разрушить в них связь между альтернативами, как показано на рис. 10, и удалить те «ветви» дерева, которые оказались не связанными с его центральной вершиной. В списковом изображении надо остановиться на одной из альтернатив, двигаясь вдоль прострочек альтернативных линеек. Остальные альтернативы можно зачеркнуть.

В результате такого «прореживания» получится некоторое дерево уже без альтернатив, и это дерево будет изображать некоторую конструкцию. Каждая комбинация позиций, в которых остановлены стрелки, даст одну конструкцию. Условный пример извлечения конструкций дан на рис. 11. Даже при небольшом числе альтернативных линеек и их малых длинах число комбинаций в остановке стрелок чрезвычайно велико. Дерево блоков с альтернативными линейками потому и названо нами комбинаторным, что в основном предназначено

Рис.10. «Разрушение» альтернативной линейки после остановки скользящей стрелки

для порождения различных комбинаций остановок скользящих стрелок, а значит и вариантов соответствующих им конструкций.

Процесс остановки скользящих стрелок всегда можно трактовать как процесс последовательных остановок стрелок на нескольких уровнях иерархии. Назовем эти уровни иерархии поясами альтернатив.

На рисунке 12 дано символическое изображение поясов альтернатив. Поясним, как выделяются пояса альтернатив после того, как построено комбинаторное дерево блоков:

Отправляясь от центральной вершины, перемещаются по простому пути на периферию комбинаторного дерева блоков в направлении, заданном условиями поиска и критериями качества. Первую, встретившуюся на этом пути, альтернативную линейку помечают номером 1, вторую — номером 2, третью — номером 3 и т.д., как показано на рис. 13.

В результате этой разметки по всем возможным простым путям полное множество альтернативных линеек окажется разбитым на

 

Рис.11. Три из восьми возможных вариантов извлечения конструкций из комбинаторного дерева блоков

Рис. 12. Иллюстративный пример комбинаторного дерева блоков с отмеченными поясами альтернатив.

Обозначения: — • — линии уровней разбиения ; линии поясов альтернатив; ———— альтернативные линейки

 

Рис. 13. Разметка альтернативных линеек при движении вдоль простого пути из центра на периферию дерева.

группы линеек, имеющих одинаковый номер. Каждая из таких групп охватывается замкнутой линией и называется поясом альтернатив. При этом в зависимости от положения относительно центральной вершины их называют первым, вторым и т.д. поясами альтернатив.

Можно сказать, что в поясах альтернатив сосредоточены возможности выбора при конструировании и что пояса альтернатив логично и последовательно организуют эти возможности выбора, исключая сочетания противоречивых элементов, соединение которых в рамках искомой конструкции невозможно.

В самом деле, выбор конструкции с использованием поясов альтернатив становится экономным и регулярным: первый выбор (остановку скользящих стрелок) делают во всех линейках первого пояса, и из комбинаторного дерева удаляют все ветви, исходящие из позиций альтернативных линеек первого пояса, на которых не остановилась скользящая стрелка. В результате, из всех поясов, начиная со второго, вместе с удаленными ветвями будет изъято некоторое количество альтернативных линеек. В «прореженном» втором поясе альтернатив делается второй выбор, и во второй раз «прореживаются» остальные пояса и т.д. Эта операция повторяется до тех пор, пока не будут остановлены скользящие стрелки во всех поясах альтернатив. Получившееся дерево не содержит больше ни одной альтернативной линейки и является деревом блоков некоторой конструкции.

Процесс остановки скользящих стрелок оказался иерархическим. Его можно проводить в несколько шагов и подчинить заданному критерию качества конструкции. Можно показать, что для оптимизации можно привлечь метод последовательных расчетов В. Черенина ^[30] и методы типа ветвей и границ ^[31].В качестве критериев при этом фигугируют вес конструкции и мера её технологической осуществимости. Для построения этих критериев качества конструкции и для постановки задач оптимизации необходимо ввести еще одно новое понятие — понятие матриц совместимости.

Матрица парных совместимостей как обобщение понятия альтернатива

Рассматривая какую-либо альтернативную линейку {a _t…, a _g j}, мы видим, что по определению альтернативы в конструкцию можно включить лишь один из 5 блоков. Если же это не так, т.е. в конструкцию можно включить одновременно каких-то два блока a_nUa_m, то это значит, что при построении линейки допущена ошибка: не учтен еще один (s+ 1)-й вариант a_nUa_m.

То обстоятельство, что блоки \а…., а \ альтернативно замещают друг друга в конструкциях, можно зарегистрировать в виде матрицы

Нуль на пересечении (г,/) означает, что aiUaj нельзя включать в конструкцию (они несовместимы). Единица на пересечении (k, k) означает, что akVak =ak есть альтернатива.

Возьмем теперь две разнородные альтернативные линейки

(1) (1) (2) (2)

{о „…, a _g } и {а !,…., о _А ! из одного и того же пояса альтернатив. Практика конструирования показывает, что не всегда можно, остановив стрелку в одной из позиций первой линейки, остановить стрелку другой линейки в произвольной позиции. Существуют запрещенные пары позиций.

Например, в механотроне рис, 1,в можно выбрать коваровый фланец, свариваемый с герметичной колбой. Выбрав ковар, мы не можем теперь произвольно выбрать материал колбы. Стекло GS3 совместимо с коваром, так как имеет близкий коэффициент температурного расширения. Напротив, стекло С31 для колбы выбрать уже нельзя.

Ограничения на совместное применение блоков и материалов в рамках одной и той же конструкции, вызванные самыми разными

причинами, можно легко фиксировать в прямоугольных матрицах следующего вида:

Эти матрицы являются естественным обобщением предыдущей квадратной матрицы, однако в них входные строки и столбец представлены альтернативами из разнородных линеек. Здесь на пересечении (г,/) стоит знак 0, если аг Uaj недопустимо, и знак 1, когда они совместимы.

Собрав все такие матрицы для пар альтернативных линеек данного к-го пояса (рис. 14) можно составить из них одну большую блочную матрицу парных совместимостей к-го пояса альтернатив (рис. 14,а). В этой матрице блочная диагональ фиксирует отношения альтернативности блоков внутри каждой линейки (квадратные единичные матрицы). Прямоугольные блоки, стоящие вне диагонали, заключают в себе в самой краткой форме сведения о всех взаимных ограничениях блоков из разных альтернативных линеек. Естественно считать, что такая матрица парных совместимостей обобщает понятие отношения альтернативности блоков внутри одной и той же линейки до понятия отношения совместимости блоков, взятых из любой пары альтернативных линеек. Матрицы совместимости были впервые применены в работе ^[32], использовались нами в ^[18].

Рис.14.Иллюстрация к понятию матрицы совместимостей

а) Блочная матрица совместимостей, «собранная»из матриц а, /3, у. На блочной диагонали стоят «единичные » матрицы, указывающие на то, что соответствующие позиции — суть альтернативы по определению’, б) Блочная

матрица обобщает понятие отношения альтернативности, показанного на её блочной диагонали. Число возможных вариантов конструкций без учета матрицы совместимо -стей равно 18. С учетом матрицы это число равно 5

Выбор конструкции с учетом ограничений

Когда данные о совместимости разнородных альтернатив отражены в матрицах совместимости всех поясов альтернатив, можно проводить выбор конструкции с учетом её технологической осуществимости. Для этого надо ввести меру технологической осуществимости S *так, чтобы:

S*= 1, если из каждой альтернативной линейки выбрано по одной альтернативе, и нет ни одной запрещенной пары aiUaj;

S*= 0, если есть хотя бы одна запрещенная пара альтернатив.

Можно ввести эту меру, например, как произведение элементов

• (s ) • Ф )

цг 1 матрицы совместимостей, попавших на пересечение строк и столбцов, соответствующих альтернативам, на которых остановлен выбор
?* п —^(s)— ⁽⁰ о* = 11 цг }
s,t

Это произведение равно единице, когда элементы сочетаются, и обращается в нуль, когда есть хотя бы одна запрещенная пара а. , а. , п так как соответствующий элемент матрицы ^ _i • = и.

Матрицы совместимости на практике можно получать, регистрируя мнения многих специалистов. При этом могут иметь место разноречивые оценки, так что после статистической обработки числа будут удовлетворять лишь условию е < ц. с< 1, где £ мало.
Введем рабочую меру технологической совместимости или технологической осуществимости как:
Эта мера равна единице, если все выбираемые блоки идеально совместимы, и тем быстрее растет (S » 1), чем больше запрещенных пар блоков оказываются выбранными в конструкцию (легко понять, что при этом сужается поле поиска и облегчается выбор).

Опуская промежуточные выкладки, отметим, что эта мера обладает свойством, достаточным для применения метода последовательных расчетов В. П. Черенина при оптимизации процесса остановки стрелок в каждом поясе альтернатив:

S(o₁) + S(o₂) <= S(o₁ U o₂) + S(o₁ Λ o₂),

где o₁ и o₂ — два разных варианта установки стрелок в линейках данного пояса альтернатив. При переходе от пояса к поясу применимы алгоритмы оптимизационных расчётов, основанные на  методе ветвей и границ ^[31].

Совместное применение этих методов позволяет постепенно, переходя от пояса к поясу «выращивать» конструкцию с минимальным S , т.е. наилучшим значением меры технологической осуществимости.

Пополнение дерева данными о среде, в которой будет работать конструкция

На рис. 6 показаны блоки, играющие роль внешней среды по отношению к механотрону. Это — измеряемый объект или источник механического воздействия на кинематическую систему механотро-трона, блок преобразования выходного сигнала механотрона в управляющее воздействие (в каком-либо контуре управления); объекты среды, с которыми механотрон может вступать в контакт от его изготовления до выхода из строя, как в режиме хранения, так и в режиме эксплуатации. Эти блоки функциональной схемы легко подвергнуть декомпозиции и дать альтернативы тем или иным контактам и блокам. В результате получится естественное пополнение комбинаторного дерева сведениями о возможных средах «обитания» механотрона (сферах применения). Очевидно, что на эту часть дерева распространимы все введенные выше понятия. В частности, для пополненного дерева легко составить расширенные матрицы совместимости, в которых наряду с прочими рассматриваются отношения совместимости также и в следующих парах:

фрагмент системной среды — элемент конструкции;
технологический блок — фрагмент среды.

Взаимная обусловленность конструкции, среды её применения и технологии изготовления

Выбор оптимальной конструкции есть одновременно и выбор среды её применения, а также и технологии производства. Имея расширенное комбинаторное дерево блоков с данными о конструкциях, технологии и системной среде, этот одновременный выбор можно провести методами, описанными в п 5.

В задачах конструирования часто недооценивается содержание одной из частей конструкторского выбора — либо системная среда, либо технология производства. Особенно хорошо это прослеживается в тех случаях, когда многие остроумные конструкции заканчивают свой путь на фазе опытного образца и не идут «в серию», так как не рассчитаны на серийное технологическое оборудование и «тестированные» материалы, а также комплектующие изделия. Здесь, в этих случаях, мы имеем ту конструкторскую ситуацию, когда выбор в технологической части комбинаторного дерева блоков сильно ограничен.

Аналогичным образом может быть ограничен выбор и в других частях комбинаторного дерева блоков. Можно попытаться, по-разному ограничивая выбор в трех частях комбинаторного дерева блоков, перечислить типовые задачи технического проектирования.

Факт сильной взаимной обусловленности в выборе конструкции, технологии и системной среды условно показан на рис. 15. Типовые задачи конструирования перечислены и интерпретированы (см. табл.).

Комбинаторное дерево блоков как остов технологической памяти. Свойства технологической памяти

Комбинаторное дерево блоков необходимо фигурирует как накопитель информации в каждой из задач технического развития (см. табл.).

Это наводит на мысль превратить комбинаторное дерево блоков данного семейства технических систем в остов, на котором удерживаются все без исключения необходимые в ходе конструирования качественные и количественные сведения.

Например, блоки можно охарактеризовать их весом, габаритами, потребляемой при работе мощностью. Эти данные о каждом блоке необходимы, если выбор конструкции производят с целью минимизации веса, габаритов или мощности, потребляемой в конструкции при её работе.

К названиям технологического оборудования можно приписать заводскую товарную марку и коммерческие реквизиты. К названиям материалов и комплектующих изделий можно приписать их рабочие характеристики и ГОСТы. Каждый блок можно характеризовать некоторым вектором приближенных или точных параметров.

Обозначения

0 — сильное ограничение выбора альтернатив в данном секторе.

1 — выбор альтернатив в данном секторе почти не ограничен,
Таблица-классификатор типовых процессов научно-технического прогресса

	Секторы			Интерпретация задачи
№ задачи	Конструкция	Технология	Среда
1	0	0	0	Мелкая рационализация
2	0	0	1	Расширение области приме нения серийно выпускаемой системы с установившейся технологией производства
3	0	1	0	Модернизация технологического оборудования серийно выпускаемой системы при неизменной сфере применения
4	0	1	1	Разработка новой технологии производства и новой сферы применения для старой известной конструкции
5	1	0	0	Разработка принципиально новой конструкции на базе старой технологической оснастки  по данному прототипу конструкции
6	1	0	1	Разработка и освоение новой системы с новой сферой применения на базе имеющейся технологической оснастки
7	1	1	0	Разработка новой конструкции и технологии производства при неизменном назначении системы
8	1	1	1	Общая задача конструирования и внедрения

В комбинаторном дереве блоков рядом с именем каждого блока можно предусмотреть кортеж стандартных зон, в которых записаны всевозможные характеристики и данные, относящиеся к данному блоку. Предусмотрев рядом с названием каждого блока резервные зоны для записи данных пока неизвестного характера, которые, возможно, придется вводить и учитывать, мы получаем из комбинаторного дерева блоков прототип технологической памяти и частично обеспечиваем её первое свойство — свойство быть открытой для новых данных.

Это свойство обеспечивается полностью, если допустить, что в результате исследований и разработок в любой альтернативной линейке возможно появление новых альтернатив. При -няб это допущение, надо обеспечить в памяти резервные зоны для новых альтернатив в каждой альтернативной линейке.

При первичном формировании массива данных и последующем построении комбинаторного дерева блоков для семейства технических систем преобладает работа вручную. Применяемые средства и приспособления для ручной работы уже должны обеспечивать свойство памяти быть открытой.

Обыкновенный картотечный ящик и нумерация через точку обеспечивают это свойство при условии, что на одну карточку записывается максимум одна альтернативная линейка. Подробное описание приемов, применяемых при первичном формировании комбинаторного дерева блоков и соответствующей ему технологической памяти дано в п. 8.5.

8.1. Организация графических данных в технологической памяти. Возможности обработки. Мозаика

Графическое представление данных играет решающую роль в разработке любой технической системы. Язык технического черчения имеет средства для показа структуры узлов технических устройств. Гораздо менее развиты в этом языке средства для показа движений и процессов. Обычно для показа движения прибегают к серии промежуточных положений или к стрелкам. Сложные процессы показывают с помощью ориентированных графов. Наиболее полный обзор возможностей языка чертежей сделан в книге У. Боумена «Графическое представление информации» ^[33]. Эта книга посвящена вопросам создания графических образов. Вот главный вывод автора: «… главное — это вызвать определенные процессы мышления, опирающиеся на образы, а рисунок является именно тем средством, с помощью которого «графическая мысль» передается в виде «графического высказывания».

Ознакомление с книгой заставляет сделать вывод о том, что стрелка является пока единственным средством для построения графических «высказываний» о процессах. Совокупность стрелок лишь будит воображение того, кто пытается прочесть высказывание о процессе. Удержание образов сложного движения — прерогатива конструктора. Силой своего воображения конструктор может «оживить» чертеж и увидеть движение, которого никогда не было, так как соответствующий агрегат еще не построен.

Техника еще не создала оперативных демонстраторов движения, которые могли бы обслуживать диалог двух конструкторов. Мультипликация, применяемая в научно-популярных фильмах, не является оперативным средством, способным работать в реальном масштабе времени. Доска и мел, бумага и карандаш — вот пока и все средства для оперативного диалога двух конструкторов.

Учитывая большой разрыв между способностью конструктора понять сложное движение и возможностью показать сложное движение, которого еще не было, можно считать шагом вперед хотя бы такое вспомогательное средство, которое не дает образа сложного движения, но предъявляет набор элементов, из которых конструктор силой своего воображения построит сложную структуру и «заставит» её двигаться.

Предложенное нами комбинаторное дерево блоков может послужить основой для такого средства демонстрации графической информации о технической системе. Кроме зон с текстовой информацией, ассоциированных с названиями блоков, часть резервных зон может быть отведена под графическую информацию. В этих зонах помещаются чертежи (конфигурации) деталей, «развязанные» от условий сопряжения их с другими деталями. В изображениях оставляют лишь то, что должно обеспечивать центральную функцию детали, и устраняют из них то, что является графическим образом ограничения на конфигурацию одной детали со стороны конфигурации другой детали.

При выборе конструкции вместе с деревом блоков и всей связанной с ним текстовой информацией будет извлекаться соответствующая «пространственная мозаика» элементарных конфигураций деталей и их сопряжений (пример сопряжения: 2.2.1. Конусообразный спай стекло-фланец в дереве блоков п. 2.3).

Можно надеяться на то, что методы превращения такой мозаики в сборочные чертежи конструкции окажутся не слишком сложными. Обсуждение полного набора методов превращения мозаики в чертеж не является задачей данной работы. Мы ограничиваемся иллюстративным примером получения новой конфигурации блока из «свободных» конфигураций» его деталей (рис. 16).

Рис.16. Превращение «мозаики» в сборочный чертеж сейсмотрона

8.2. Свойство связанности технологической памяти. Избирательный семантический прием данных

Остов из названий блоков, т.е. комбинаторное дерево, выполняет адресационную роль при засылке данных в технологическую память. В каждый данный момент состав остова и его разветвленность сильно предопределяют характер данных, которые могут быть приняты памятью. Принимаются не любые данные, а только те, для которых в памяти находится место, к которому они могут быть по смыслу присоединены. Свойство технологической памяти присоединять новые данные избирательно с учетом их смысла и значения можно назвать свойством смысловой связности. Избирательный прием данных, благодаря свойству связности памяти можно назвать семантическим приемом данных. Он существенно отличается от физического приема данных, который заключается в записи данных на физический носитель в порядке их поступления без осознания их смысла и значения.

Семантический прием данных, очевидно, в состоянии осуществлять лишь специалист по данному семейству технических систем, обладающий опытом работы с комбинаторным деревом блоков.

8.3. Сообщения. Прием сообщений. Структура сообщений.

Когда конкретизируется схема рис. 5, и данные из «хрестоматии» о механотронах переходят в комбинаторное дерево блоков (см. п. 3.2.), то это можно трактовать как прием сообщений технологической памятью.

Если дерево, в основном, построено, и появляется новый патент или статья о механотронах, то снова надо вписать в память группу данных. Эти принимаемые данные также можно трактовать как сообщения.

Будем считать сообщением любую группу данных, приводящих к изменению состава технологической памяти.

Интересно проследить, как происходит прием сообщения и меняется структура и состав технологической памяти. Кроме того полезно установить стандартную структуру текста сообщения и проиллюстрировать её на конкретном тексте.

Рис.17. Процесс «приема» сообщения в технологическую память

В содержательном смысле новое сообщение утверждает, что открыта и испытана еще одна альтернатива для того или иного блока в комбинаторном дереве. Принять и усвоить такое сообщение проще всего, если отыскать в изображении комбинаторного дерева соответствующую альтернативную линейку и добавить в нее еще одну позицию. На рис. 17 этот процесс приема сообщения показан графически.

Внимательное рассмотрение рисунка 17 заставляет принять вывод о том, что любое сообщение С. имеет две содержательные части ^[34];

Old(с_j) — адресную часть, с помощью которой находят то место, в котором нужно «подшить» в комбинаторное дерево описание новой технической возможности;

New(c_j)- оригинальная часть, в которой дается точное описание этой новой технической возможности (альтернативы).

Если из текста сообщения специально устранить часть Old(c_j), то такое сообщение не будет принято технологической памятью /гак как будет неясно, куда присоединять оригинальный текст в комбинаторное дерево.

Двучленная структура текста сообщения о новой технической возможности особенно хорошо заметна в патентной литературе. Здесь для строгого отделения ОId(с) от New(с) в пунктах патентной формулы специально предусмотрены набираемые курсивом слова»… отличающийся тем, что…». До этих слов излагается Old(c), а непосредственно после них — New (с).

Факт существования двучленной структуры сообщения является следствием двух свойств технологической памяти: её семантической -связности и открытости. Без двучленной структуры сообщений семантический прием данных был бы невозможен.

Покажем на конкретном примере текста из работы ^[27], (стр. 137). как в комбинаторное дерево механотронов было принято сообщение «Приборы для измерения шероховатости и профиля поверхностей деталей». При этом мы поступим следующим образом: будем постепенно приводить этот текст и там, где необходимо прерывать и в скобках или «уступом» комментировать его, а также сразу приводить коды соответствующих записей, которые были сделаны в комбинаторном дереве блоков механотрона при чтении этого текста.

8.4. Пример приема сложного сообщения

6-2. Приборы для измерения шероховатости и профиля поверхностей деталей
При работе прибора для измерения шероховатости и профиля поверхностей его датчик скользит по исследуемой поверхности, причем сигнал последнего поступает в измерительную схему и после соответствующей обработки подается на выходное отсчётное устройство. В процессе контроля давление датчика на исследуемую поверхность должно быть минимальным во избежание повреждения последней. Поскольку контролируемый параметр изменяется обычно с большой скоростью, подвижная система датчика находится под воздействием механических сигналов повышенной частоты. В связи с этим и датчикам контроля шероховатости и профиля поверхностей обычно предъявляются следующие требования: высокая чувствительность, малая жесткость, повышенная резонансная частота кинематической системы, малая величина измерительного усилия и малый вес датчика. Всем этим требованиям могут удовлетворять механотронные преобразователи перемещений, которые успешно применяются для указанных измерений.

В настоящее время известен ряд профилометров и других приборов для измерения неровностей поверхностей, в которых в качестве датчиков применяются высокочувствительные механотронные преобразователи перемещений.

На рис. 8 5,6 показана принципиальная схема механтройного датчика профилометра, разработанного американской фирмой «Брат». В приборе используется механотрон 1 типа RCA-5734, расположенный внутри цилиндрического корпуса 2. Штырь 3 механотрона сочленяется со щупом 4: посредством гидравлического фильтра. Последний состоит из пластины 5 и скобы 6, жестко укрепленной на штыре механотрона, и вязкого вещества, заполняющего зазор между пластиной и скобой. Положение пластины внутри скобы фиксируется специальными пружинками, упирающимися в нее. На конце щупа датчика укреплена алмазная игла 7.

В процессе работы профилометра датчик перемещается вдоль контролируемой поверхности, опираясь на опору 8, сквозь отверстие в которой проходит щуп. При этом игла скользит по контролируемой поверхности, следуя за её профилем и вызывая соответствующие перемещения щупа.

Благодаря действию сил внутреннего трения между пластиной и скобой гидравлического фильтра перемещения щупа передаются штырю механотрона. При этом гидравлический фильтр не пропускает на штырь медленные перемещения большой амплитуды (сотни микрон). В то же время сравнительно быстрые и малые по величине (единицы и десятые доли микрона) перемещения, соответствующие шероховатости контролируемой поверхности, легко проходят через гидравлический фильтр и передаются механотрону. Профилометр фирмы «Браш» предназначен в основном для измерения одного из критериев чистоты обработанной поверхности — так называемого среднеквадратичного значения шероховатости.

Разбивка текста на отдельные сообщения и их прием

Первая часть текста вплоть до слов «… механотронные преобразователи, которые успешно применяются для указанных измерений»
а) Old — источник механического воздействия на кинематическую систему механотрона — 1; New- профиль твердого тела, механотрон как профилограф — 1.п1.аЗ.
б) Old:
Вторая часть текста от слов «На рис. 85,6 показана принципиальная схема…» до слов «… среднеквадратичного значения шероховатости».
а) Old — 2. Блок осуществления контакта «механотрон — измеряемый объект» : = 2.1. Средство крепления механотрона в измерительной позиции, New- механотрон… , расположенный внутри цилиндрического корпуса 2. — 2J.nl.al. Цилиндрический защитный корпус с охватом-фиксатором.
б) Old — 2.2. Средство осуществления контакта с измеряемым объектом, тип контакта, New- датчик перемещается вдоль контролируемой поверхности, опираясь на опору 8, сквозь отверстие в которой проходит щуп. — 2.2.п1.а1.Щупс окном в опоре, ограничивающим (открывающим зону контакта), далее… на конце
щупа укреплена алмазная игла 7 — 2.2.п1.а1.1.Шуп: = 2.2.п1.а1.1.1. Шток щупа. 2.2.п1.а1.1.2. Наконечник щупа : = 2.2.п1.а1.1.2.п2.а1. Алмазная игла

= источники и объемы финансирования разработки данного блока; кто ведёт разработку:
= имена и статусы руководителей разработки;
= численность и профессиональные признаки коллектива разработчиков;
= планируемые по данному блоку сроки окончания:
= НИР;
= ОКР;
= разработки опытного образца;
= наладки серийного производства; предполагаемый объем серийного производства:
= валовый выпуск;
= размещение производства.

Перечисляемые позиции обычно составляют часть содержания справочно-информационных фондов (адресные, краеведческие картотеки, картотеки персоналий, досье на фирмы и др.). Принципы организации таких справочно-информационных фондов достаточно хорошо известны.

Наша задача заключается в том, чтобы найти принципы организации фондов фактографических данных для разработчиков конкретных систем. И здесь, по нашему мнению, в качестве организующего остова следует брать комбинаторное дерево блоков.

Принцип организации фондов по параметрическим рядам, принятый в выше упоминаемых картотеках, отступает при этом на второй план. Им можно пользоваться внутри отдельного текста по данной альтернативной линейке и давать альтернативы по плавному, либо скачкообразному изменению параметров блока при неизменном его схемном решении.

Если деталь, материал или блок уже разработаны и выпускаются серийно, то в оперативную память попадают следующие данные: реквизиты фирм или заводов-изготовителей;

= точный адрес;

= телекс;

= представительство и т.д. ГОСТы, ОСТы, технические условия; условия поставок:

= стоимость;

= пункт отгрузки и пункт получения;

= сроки, объемы и периодичность поставок; и т.д.

При необходимости, аналогичным образом можно записать:

прогностические сведения о возможном развитии данного блока; авторов этих данных, метода, которым они получены, дату их получения;

мнения отдельных специалистов по поводу дальнейшего развития данного блока (типа: дальше ОКР не пойдет).

В принципе, технологическая память позволяет корректно записать даже гипотезы о неизвестных пока открытиях, которые, быть может, будут совершены и сильно повлияют на развитие данного семейства технических систем. Даже в этом случае автор гипотезы для того, чтобы быть понятным, должен сообщить те места в комбинаторном дереве блоков (Old(Cj)), в которые будут присоединять данные об альтернативе, буде открытие случится.

Извлекая из комбинаторного дерева блоков дерево некоторой частной конструкции, мы извлечем с ним и все данные технического и оперативного характера, записанные в резервных зонах у каждой из включенных в частную конструкцию альтернатив.

Эти технические и оперативные данные, организованные деревом блоков конструкции как остовом, образуют информационную ситуацию при принятии решений по данному варианту конструкции. В этой ситуации показаны, в частности, сведения о:

степени развития конструкции;

структуре подчинения и власти в коллективе разработчиков;

совокупности уже работающих и возможных соисполнителях;

принявших обязательства или возможных поставщиках;

той части конструкции, которая разрабатывается в данном коллективе;

той части конструкции, которая комплектуется из поставляемых серийных или опытных блоков;

основных сроках (календарных датах) окончания разработки или поставки блоков;

ходе разработок в остальном технологическом мире;

степени стандартизации блоков конструкции и т.д.

Информационная ситуация необходима для оценки вероятности того, что процесс разработки новой технической системы закончится созданием именно этой модификации, которая будет удовлетворять всем выдвинутым требованиям. Если эта вероятность оценивается высоко, то последует принятие решений и будет определен список проводимых фундаментальных исследований, НИР, ОКР, опытных производств, серийно выпускаемых блоков.

Имея организованную таким образом память, можно последовательным и полным образом проводить в жизнь принцип максимизации средней полезности предпринимаемых действий, а значит и принимаемых решений. Очевидно, что байесовский подход ^[25] в принятии решений при разработке систем новой техники может быть реализован лишь на относительно полных оперативных ситуациях, типа извлекаемых с деревом блоков из оперативной памяти, а также типа всей оперативной памяти.

Главное свойство технологической памяти. Рост памяти. Семантическая обратная связь

Свойство семантической связности и открытости технологической памяти обеспечивают главное свойство памяти — контентно-проблемно-ориентированный рост.

Технологическая память растёт по мере приема сообщений о новых научно-технических достижениях. Этот рост есть следствие разработок и исследований, ведущихся в технологическом мире. Имея средства для проведения исследований и разработок, в принципе можно выбирать тематики так, чтобы «управлять» ростом технологической памяти. Например, обеспечить её односторонний рост — бросить все средства на разработку второстепенного блока устройства (всех без исключения его модификаций) и тем обеспечить быстрый «однобокий» и практически бесполезный рост технологической памяти. Гораздо больший интерес представляет возможность управляемого роста технологической памяти с учетом какого-либо критерия полезности. Для этого надо иметь этот критерий полезности и уметь управлять ростом памяти с помощью обратной связи. Уметь управлять ростом памяти с помощью обратной связи, в свою очередь, означает:

уметь находить в памяти точки возможного роста;

уметь составлять такие наборы этих точек, которые наиболее перспективны (полезны) в смысле выбранного критерия полезности;

уметь распределить ресурсы и привести в движение исследовательский аппарат с наибольшими шансами на успешный рост памяти в выбранных точках её роста;

уметь обнаруживать отклонения от выбранных направлений роста памяти;

уметь вносить коррективы в программу работ исследовательского аппарата в соответствии с обнаруженными уклонениями.

Цели, из-за которых осуществляется управляемый рост технологической памяти, могут быть самыми разными. Различными могут оказаться и средства, отпущенные на этот рост. В качестве двух глубоко различных примеров таких целей укажем следующие:

решение технической проблемы в условиях жесткого дефицита времени, когда отпущены большие средства, а в качестве критерия полезности выбрана вероятность решения проблемы в отведенный промежуток времени;

реализация программы создания наиболее эффективной системы заградительных патентов с тем, чтобы обеспечить как можно больший срок выгодного сбыта своего изделия и поставить в невыгодные условия конкурентов. Обычно отпускаемые на эту программу средства не очень велики.

Таким образом, процессы развития семейства технических систем удобно описывать в упрощенной трактовке как процессы роста технологической памяти. Процессы управляемого развития семейства систем удобно описывать как процессы управляемого роста технологической и оперативной памяти. Рост памяти целиком определяется смыслом поступающих сообщений. Обнаруживать отклонения в росте памяти от намеченного, значит обнаруживать отклонения в смысле между сообщениями, которые предполагалось усилиями разработчиков создать и записать в память, и теми сообщениями, которые записываются в память. Обратную связь, которая обеспечивает внесение корректив в действия разработчиков, опираясь на это отклонение в смыслах, можно с полным правом назвать семантической обратной связью. Пока что в этом нет ничего нового: любой главный конструктор при руководстве разработкой интуитивно довольно эффективно осуществляет эту «семантическую обратную связь», а попросту, — следит за тем, чтобы разработчики не уходили далеко от цели исследований.

Введенный термин будет иметь право на существование, если мы сможем показать, что за ним стоят возможности формализации.

Ниже мы покажем, что семантическая обратная связь — это точное понятие, поддающееся формализации. Это будет означать, что интуитивные «прозрения» главного конструктора о том, какие направления исследований перспективны, а какие нет, поддаются пусть самой грубой, но формальной трактовке, а значит и моделированию.

Понятие контентного проблемно-ориентируемого роста памяти введено в силу следующего. Принимается гипотеза о том, что набор точек наиболее выгодного роста памяти можно однозначно определить располагая содержимым памяти (контент) и постановкой проблемы, а также сведениями о том, какие средства отпущены на решение проблемы. Контентная проблемная ориентируемость памяти (сам факт её наличия) говорит о том, что можно распределить средства по направлениям научных исследований с наилучшими шансами на успешное решение проблемы, зная только содержимое памяти, сумму отпущенных средств и точную постановку проблемы, причем это всегда можно сделать пользуясь формальными раз и навсегда заданными правилами (алгоритмом).

Сформулируем то же самое еще раз и другими терминами. Если точно известны сумма средств, отпущенных на разработку, постановка проблемы и текущее содержимое технологической памяти, принцип максимизации средней полезности усилий разработчиков обеспечивается формальным решающим правилом.

Сложный способ формального решения о распределении ресурсов по направлениям исследований обсуждается нами в работе ^[36]. Здесь мы дадим лишь грубую иллюстрацию, говорящую о том, что решающее правило можно разработать. Эта иллюстрация основана на ряде упрощающих предположений. Вот эти предположения:

комбинаторное дерево блоков имеет всего один пояс альтернатив; длины его n линеек суть j 1„ 1₂,…, l_n \ •

матрица совместимостей такова, что все пары позиций разрешены (все недиагональные блоки заполнены сплощь единицами), причем при добавлении альтернатив в любой линейке характер матрицы не изменится;

простейшая постановка проблемы такова: из всех N вариантов конструкции, N = l_t • 1₂ •… • 1 _п , ни один не удовлетворяет некоторому критерию качества К. Требуется изыскать и добавить в линейки новые альтернативы, такие что среди новых вариантов конструкции есть удовлетворяющий критерию К;
стоимость работ g по изысканию одной новой альтернативы постоянна и одинакова для всех альтернативных линеек (все направления исследований одинаково трудоемки);
сумма средств, отпущенных на разработку такова, что на них можно пытаться открыть G новых альтернатив;
вероятность успешного решения технической проблемы прямо пропорциональна приращению числа вариантов конструкции;
в качестве критерия полезности действий (решений по распределению ресурсов между линейками — направлениями исследований) выбрана вероятность решения проблемы при затратах G;
если будет решено попытаться открыть в данной линейке К новых альтернатив, то разработчики способны сформулировать К различных тем исследований по этой линейке;
вероятность Р открыть новую альтернативу в данной линейке, затратив сумму §,постоянна и не зависит от содержательной формулировки темы исследований.
Требуется, имея сумму средств G, так распределить их между темами, чтобы максимизировать вероятность решения проблемы.
На рис. 1.8 представлен параллелепипед, образованный длинами альтернативных линеек. Учитывая перечисленные выше предположения, можно дать две формальных постановки задачи:
максимизировать вероятность решения проблемы при условии, что допустима пошаговая трата ресурсов с шагом g;
максимизировать вероятность решения проблемы, если пошаговая трата недопустима, т.е. ресурсы надо распределить однажды и окончательно. Это значит, что средства, выделенные на исследования в данном направлении, принципиально не могут быть изъяты обратно.

Если допустить пошаговую трату ресурсов, то решающее правило очень просто: изыскания в каждый момент времени ведутся лишь по одной теме, и эта тема принадлежит самой короткой линейке. Действительно, открытие новой альтернативы на данной оси (линейке) означает удлинение соответствующего ребра параллелепипеда на единицу. Приращение объема параллелепипеда равно приращению числа вариантов конструкции. Это приращение будет наибольшим, если увеличить на единицу ребро, перпендикулярное грани с наибольшей площадью. Ребро, перпендикулярное этой грани, является самым коротким. Увеличивая на единицу длину самой короткой линейки, мы имеем наибольшее из возможных приращений числа вариантов на единицу затрат g. Следовательно, согласно одному из перечисленных выше предположений, мы имеем при этом максимальную вероятность решения проблемы.

При разовом и окончательном распределении ресурсов задача ставится так: удлинить ребра альтернативного параллелепипеда так Длины рёбер параллелепипеда равны длинам соответствующих альтернативных линеек. При условии идеальной совместимости альтернатив объем параллелепипеда равен числу всевозможных вариантов конструкции. В работах Ф.Цвикки такой параллелепипед называется морфологическим ящиком. На рисунке стрелками показано направление наиболее предпочтительного расширения параллелепипеда — перпендикулярно грани с наибольшей площадью. Это указывает, в первом приближении, на то, что выгоднее всего вложить средства в изыскание новых альтернатив в самой короткой из всех линеек, чтобы сумма всех приращений длин ребер была равна р-G, а объем был наибольшим из возможных при этом условии.

Длины рёбер 1„…, 1,. (Все удлинения п„…, n_k — неотрицательные величины, так как нельзя «закрыть» то или иное изобретение (альтернативу), да еще получить за это плату).
Эта задача легко решается вручную при обозримом числе альтернативных линеек путем последовательного применения предыдущего решающего правила. Решение не единственно.
В работе У. Морриса ^[35] приводятся следующие значительные, на наш взгляд, утверждения: (стр. 30-31).

… Важное значение для понимания любых действий по принятию решений имеет выяснение методов, при помощи которых принимающий решение упрощает картину окружающей его среды. Он должен это сделать для того, чтобы привести свою концепцию окружающей среды в соответствие со своими познавательными возможностями.
… Лица, принимающие решения,
… не охватывают в своих понятиях проблемы управления во всей их сложности. Они рассматривают эти проблемы в упрощенном виде, делающем эти проблемы «интеллектуально постижимыми»
…… Ключом к пониманию поведения в ситуации выбора является понимание концептуальной модели, используемой для упрощения бесконечно сложной фактической ситуации и приведения её к поддающемуся обработке виду.

Итак мы проиллюстрировали на простой модели свойство контентной проблемной ориентируемости технологической памяти.

Эта модель может быть усложнена, оставаясь «интеллектуально постижимой», если постепенно «ослабить» и снять большинство упрощающих предположений, на основе которых она получена. Семантическая обратная связь четко определяется в рамках концептуальной модели роста технологической памяти, если учесть замечания У. Морриса, но поступить наоборот, т.е. пойти от простейшей модели, постепенно снимая упрощающие предположения, к моделям, удовлетворительно описывающим процессы получения нового знания, происходящие в действительности.

Рассмотрим далее основные вопросы построения автоматизированных систем фактографического информирования на основе предложенных комбинаторных структур данных («банков данных»).

Построение автоматизированной системы фактографического информирования

В силу высокой стандартизации машиностроения и интенсивного роста парка технических систем, устройств, машин может возникнуть впечатление о том, что семейства техники непрерывно переходят друг в друга и границы между ними условны. Однако это не так. Семейства разделяются путем анализа их функционального назначения.

Мы будем исходить из предположения о том, что фактографические данные разделены по семействам, хотя одни и те же данные могут дублироваться в различных семействах. Например, описание сильфонного перехода встречается в семействе механотронов, но может встретиться в криогенной технике или в технологии интегральных схем, ибо выполняет одну и ту же функцию «передачу движения в вакуумированый объем».

Обсудим возможные методы автоматизированной обработки «банка данных» на конкретное отдельно взятое семейство техники.

10.1.Банк данных на семейство техники

Подобно тому, как различные версии трансляторов, например, языка PL/1, имеют товарный вид, то есть собственный номер, дату и место завершения, и распространяются среди вычислительных центров как промышленная продукция, так и банк данных на конкретное семейство техники может иметь товарный вид и товарные функции благодаря тому, что комбинаторная технологическая память делает его чрезвычайно компактным.

В этом случае можно наладить централизованное информационное обеспечение конструкторских коллективов НИИ, КБ и заводов постоянно пополняемыми версиями фактографических данных по семейству. На наш взгляд именно таким образом может быть решена задача децентрализации проектно-конструкторских данных о научно-технических достижениях по семействам техники. При этом во всей системе межотраслевого обмена ^[37] семейства становятся основным целостным объектом информационного обеспечения. Задачи стандартизации, в частности, так же могут решаться (при таком подходе) с ориентацией в основном на семейства, а не на разрозненные блоки разных семейств.

Однако чтобы решить задачу децентрализации, необходимо предварительно решить задачу интеграции (или централизации). Для этого все коррективы фактографических данных должны накапливаться и постепенно формировать очередную версию банка данных на конкретное семейство. В одном месте должны собираться и обрабатываться новые статьи, новые патенты по данному семейству техники (и комплектующим семействам), новые стандарты, новые инструктивные материалы, нормали, технические условия, технические требования, чертежно-технологическая документация и т.д.

В этом, на наш взгляд, один из возможных путей реализации так называемых интегральных систем ^[38], осуществляющих о одноразовую обработку и ввод фактографических данных в систему. Между такими системами может быть налажен обмен версий, причем, когда забирается предыдущая N-я и заменяется на (N + 1)-ю, то N-я может содержать предложения пользователя по коррективам, которые, возможно, войдут в (N + 2)-ю версию.

10.2. Возможность реализации на существующих ЭВМ

Комбинаторная технологическая память может быть реализована в виде файла на дисковом накопителе ЭВМ ЕС-1020. Это будет последовательно обрабатываемый файл прямого доступа, который составит структурную основу для всех задач, решаемых при проектировании и производстве систем данного семейства. Для работы с таким файлом необходима небольшая библиотека простых управляющих программных модулей, экранный пульт и графопостроитель для вывода графических данных о конструкционных альтернативах деталей узлов и блоков изделий данного семейства.

Несложно при смене версий и в процессе эксплуатации автоматизированной системы предусмотреть «избирательное распределение» фактографических сведений, то есть предварительное ознакомление руководителей проектов и конструкторов со всеми отличиями данной версии от предыдущей.

В отношении предпочтительных языков программирования следует отметить, что существующая дисковая операционная система ДОС ЕС ЭВМ-1020 вполне пригодна для начала экспериментов. Перспективными являются языки FORTRAN, РЬД, ASSEMBLY. На последующих этапах, в случае успеха исследовательской программы, желательно применение с одной стороны языка APL (для диалоговых процедур) и языка LISP (для обслуживания логики системы).

Заключение

Попытаемся с помощью аналогии подчеркнуть отличие предложенного формализма от традиционных подходов и постановок теории исследования операций. Эту аналогию построим на далеком, на первый взгляд, сравнении приборостроения с физической географией.

Как никакая другая наука, физическая география всегда корректно и вплотную работала с двумя фундаментальными категориями — с понятиями «известное» и «неизвестное». В самом деле, все «известное» в данной науке аккуратно наносилось на карты, а все «неизвестное» в результате отчетливо обозначалось в виде множества «белых пятен» на этих картах.

Самое интересное заключается в том, что эти белые пятна имеют очертания, дающие их площадь и форму. Они могут фигурировать как объекты обсуждения. Они автоматически обозначают собой весь набор основных проблем физической географии. Они видны как возможные объекты будущих исследований. Их местонахождение, форма и площадь позволяют оценить трудоемкость этих возможных исследований. Белые пятна на картах можно рассматривать как простейшие «модели неизвестного», тогда как остальная площадь карт заполнена «моделью известного».

Не многие области человеческой деятельности имеют столь выразительные средства для автоматического очерчивания своей проблематики и оценки трудоемкости проблем. Будем рассматривать карту и белые пятна на ней как образец, эталон того, как надо выявлять, делать видимым весь наличный список проблем в том или ином виде разумной деятельности, связанном с инновациями, то есть с выработкой новых конструктивных знаний.

На каждом этапе развития техники теоретическая физика дает ей своеобразную координатную сетку для изображения её достижений и проблем. На «разграфленном планшете» теоретической физики, пользуясь её величинами и основными законами, легко изобразить как то, что принципиально возможно, так и то, что достигнуто на данный момент. Теоретико-физические модели и расчеты дают, на -пример:

верхнюю оценку пропускной способности канала связи при заданной полосе частот;

предельные КПД энергетических машин (паровая турбина, газовая турбина, МГД-генератор, двигатель внутреннего сгорания и т.д.),

предельную удельную энергоемкость тонкой и сверхтонкой очистки вещества и т.д.

В этих оценках можно считать моделью известного все то, что достигнуто приборостроением и машиностроением, а моделью неизвестного — интервалы характеристик, заключенные между достигнутыми и предельно возможными их значениями. Однако все эти оценки суть оценки в целом. Дело сразу осложняется, когда речь заходит о комплексе характеристик какого-либо класса или семейства машин (квалиметрическом и параметрическом их «портретах»).

Например, если у квантового генератора мала выходная мощность или если у автомобиля слишком велик тормозный путь, то нет такой модели, которая дала бы указания, какие блоки в этих устройствах надо заменять более производительными, чтобы сократить разрыв между имеющимися и требуемыми значениями.

На примере физической географии видно, что глобус, как модель, сильно изоморфен объекту исследований — земному шару. Именно благодаря тому, что схвачено целое, оказывается возможным давать всё более мелкие детали. Вряд ли было бы можно различать конфигурации белых пятен, если бы результаты экспедиций оформляли не в виде карт, а в виде текстов, подобных «Хождению за три моря» Афанасия Никитина.

Что же тогда призвано сыграть роль глобуса для накопления знаний в приборостроении и машиностроении, чтобы наглядно разграничилось «известное» и «неизвестное», чтобы неизвестное стало предметом пристального внимания и визуально охватываюсь как целое?

В сущности, решение задачи «картографирования» в конкретных областях приборостроения и машиностроения позволило бы по-новому подойти к постановке целей развития данной области. Действительно, географы, имея ресурсы и набор белых пятен, располагают теми самыми объективными основаниями для выбора целей экспедиции. Точно так же приборостроители могли бы выдвигать цели, имея полный перечень проблем в качестве объективного основания. Пока этого нет, выдвижение целей и построение дерева целей комплексной научно-технической программы будет содержать в себе преобладающую долю субъективизма.

Всеми предыдущими рассуждениями в сущности утверждалось, что областью, пригодной для «картографирования» является область знаний о любом конкретном семействе технических систем. Ограничившись знаниями только о трансформаторах или, например, только о микроскопах, мы сделаем задачу разрешимой.

Очевидно также, что, выбрав приборостроение в целом, мы не продвинемся в решении этой задачи сколько-нибудь вперед. Фонд альтернатив по данному семейству техники, отраженных в научно-технической патентной документации, является остовом для «глобуса» по этому семейству техники.

Задача создания «глобуса» приборостроения может быть сформулирована следующим образом:

переработать исторически накопленный материал по семейству техники так, чтобы получился целостный визуальный образ;

отразить и оформить характеристиками изделий на визуальном образе так, чтобы ясно обозначились «белые пятна» данного семейства техники, как область для направлений возможного развития;

дать формализм, который исходя из наличных ресурсов, прототипов, имеющегося задела и выдвинутых требований помогал бы выбирать, в первом приближении, наиболее перспективные для исследования и конструирования области »белых пятен».

Предложенные в данной работе способы организации данных и элементы соответствующего формализма мы рассматриваем как первый шаг в направлении решения этой важной проблемы.

Экспериментальное внедрение автоматизированных систем фактографического информирования, несмотря на простоту и ясность предложенной идеи комбинаторной технологической памяти и сравнительную несложность программного обеспечения, которое, безусловно, будет эволюционировать вместе с файлом, может встретить значительные трудности. Эти трудности во многом связаны с отсутствием опыта практической работы на основе методологии системно-морфологического анализа ^[39-42].

На наш взгляд, целесообразно начать проведение конкретной исследовательской программы на ряде семейств электронной техники. Проведение такой программы позволит приблизить решение одной из важных задач, поставленных перед отраслевой системой научно-технической информации.

Литература

1. Глушков В. М. Введение в АСУ. Киев, «Наумова думка «, 1974.
2. Митюшин Ю. В., Фокин В. М., Махотенко Ю.А., Гуськов А. А. Автоматизированная система научно-технической информации отрасли. В сб. «Электронная промышленность», К 5 , М., ЦНИИ «Электроника», 1973.
3. Махотенко Ю. А., Новикова Л. С. Зарубежные ин -формационные системы по электронике и смежным областям науки и технике. «Обзор по электронной технике», выпуск 6(273). М., ЦНИИ «Электроника», 1971.
4. Информационно-поисковые системы, разработанные в СССР и за рубежом. Издание МолдНИИНТИ, Кишинев, 1974.
5. Бахарев А. Т., Раузиня О. X., Соделль Б.Б. Некоторые вопросы построения фактографической информационно-пои -сковой системы. В сб. «Информационные системы». Рига, «Зинатне», 1970.
6. Фельдман Е. М. Некоторые вопросы разработки документально-фактографической ИПС по нормативно-технической документации. В сб. «Научно-техническая информация», сер. 2, № 4, М., ВИНИТИ, 1972.
7. Васильев П. П. и др. Система информационного обеспечения данными по унифицированным деталям и узлам общемашино -строительного применения. «Стандарты и качество», № 3, 1973.
8. Горькова В. И., Петрина А. М. Фактографическая информационно-поисковая система с автоматической корректировкой терминов. В сб. «Проблемы информатики. Заочный семинар». Вып.7, Новосибирск, «Наука», 1973.
9. Петрина А. М. Информационно-поисковый язык фактографической информационно-поисковой системы. В сб. «Научно-техническая информация», сер. 2, № 1, М., ВИНИТИ, 1973.
10. Автоматизированная документально-фактографическая информационно-поисковая система по НТД — «АИПС-СТАНДАРТ». Прос -пект выставки «НТИ-74», М., ГИВЦ ГОССТАНДАРТ СССР, 1974.
11. Якушева А. Д. Основные принципы построения отраслевой автоматизированной фактографической ИПС. Тезисы сообщения на координационном совете ВИМИ 14.05.74 г., М., ВИМИ, 1974.
12. Вушке Г. И. Разработка фактографической ИПС по кадрам, центрам и учреждениям по информатике. В сб. «Научно-техническая информация», сер. 2, № 3, М., ВИНИТИ, 1974.
13. Бойко В. В. Подход к созданию автоматизированной международной отраслевой системы фактографической информации по изделиям тракторного и сельскохозяйственного машиностроения. В сб. «Проблемы создания и развития международной системы научной и технической информации». Вып. 3, М., МЦНТИ, 1975.
14. Кристальный Б. В., Раскина А. А., Сидоров И. С. О понятии «фактографическая информация». В сб. «Вопросы информационной теории и практики», № 28, М., ВИНИТИ, 1975.
15. Малинин С. Г., Румшинский Б. Л. Принципы построения международной автоматизированной фактографической системы по электротехническим изделиям. В сб. «Проблемы создания и развития международной системы научной и технической информации», вып. 3, М., МЦНТИ, 1975.
16. Поспелов Г. С., Ириков В. А. Программно- целевое планирование и управление. М., «Сов. радио», 1976.
17. Поспелов Г. С. Объект управления — наука. » Наука и жизнь», И 11, 1975.
18. Капустян В. М., Махотенко Ю. А. Вопросы научной методологии анализа информационных систем. В сб. ВИНИТИ «Науч -но-техническая информация», сер. 2, № 9, 1971.
19. Капустян В. М., Махотенко Ю. А. О роли научной статьи в процессах принятия решений. В сб. «Электронная техника», серия 10, выпуск 4(36), М., ЦНИИ «Электроника», 1970.

20. Zwicky F. Morphology of Propulsive Power. » Soc. for Мог -phological Research». Pasadena, Calif., 1962.
21. Zwiсkу F. Entdechen, Erfinden, Forsehen in Morpholo-eischen Weltbild. Munchen, Zurich, Knauev, 1966.
22. Кesselring F. Die Technische Kornpositionslehre. Berlin, 1954.
23. 0pлов П. И. Азбука конструирования. «Оборонгиз.М.-Л.,1941.
24. Бepгсон А. Материя и память. СПб., 1913.
25. Айзенсон Р. С. Опыт технического прогнозирования при выполнении проекта Хиндсайт. В сб. «Научно-техническое прогнози -рование для промышленных и правительственных учреждений», М., «Прогресс», 1972.
26. Капустян В. М., Махотенко Ю. А., Шеверов В.Г. Комбинаторный метод прогнозирования и анализа систем. В сб. «Электронная техника», серия «Автоматизированные системы управления , № 1(1), М., ЦНИИ «Электроника», 1972.
27. Бepлин Г. С. Электронные приборы с механически управляемыми электродами. М., «Энергия», 1971.
28. Губep А. Микельанджело. М., «Искусство , 1953.
29. Мейлах Б. С. На рубеже науки и искусства. Л., «Наука», 1971.
30. Черенин В. П. Решение некоторых комбинаторных задач оптимального планирования методом последовательных расчетов. Материалы к конференции по опыту и перспективам применения математических методов и ЭВМ в планировании. Новосибирск, 1962.
31. Корбут А. А., Финкельштейн Ю. Ю. Декретное программирование. М., «Наука», 1969.
32. Xолян А., Элюким С. Формализация составления вариантов решения в задачах конструирования. «Техническая эстетика», № 7, 1970.
33. Боумен У. Графическое представление информации, М., «Мир», 1971.
34. Мельников Г. П. Сущность предикции и способы её языкового выражения. В сборнике «Инвариантные синтаксические значения и структура предложения». Доклады конференции по теоретическим проблемам синтаксиса. М., «Наука», 1969.
35. Моррис У. Наука об управлении. Байесовский подход. М.,
36. Капустян В. М., Махотенко Ю. А. Алгоритм перебора вариантов конструктивных решений. В сб. «Электронная техника», серия 7, «Технология, организация производства и оборудование», вып. 6(70), 1975.
37. Малов В. С., Артамонов Г. Т. Информационное обеспечение научно-технического прогресса. I V-я Всесоюзная конференция «Проблемы развития единой системы научно-технической информации в стране». Москва, 24-27 сент. 1974 г.,М., ВИНИТИ, 1974.
38. Черный А. И. Интегральные информационные системы. М., ВИНИТИ, 1970.
39. Капустян В. М., Махотенко Ю. А., Чердаков Ю. А. Морфологический анализ исполнительных функций систем управления. «Обзоры по электронной технике», серия «Автоматизированные системы управления», выпуск 2(195), М., ЦНИИ «Электроника», 1974.
40. Чистяков В. М. Информационный анализ. В сб. «Информатика и её проблемы», выпуск № 8, Новосибирск, «Наука», 1974.
41. Одрин В. М., Картавов С. С. Некоторые итоги и перспективы развития морфологического анализа систем. Институт кибернетики АН УССР. Препринт № 73-62, Киев, 1973.
42. Капустян В. М., Махотенко Ю. А. Принцип организации информации в автоматизированных фактографических системах для инженерного прогнозирования. В сб. «Научно-техническая информация», серия 2, № 8, 1976.
43. Капустян В. М., Махотенко Ю. А. Системно-морфологический анализ стадии замысла новых технических систем. В сб. «Опыт и проблемы управления наукой». Тезисы докладов VI-го Киевского Симпозиума по науковедению и научно-техническому прогнозированию. Часть III, Киев, 1976.