Прорывные альтернативные технологии

В данной работе предложены и исследованы формализованные модели, призванная служить вспомогательным инструментом при принятии решений перед началом проектирования новой техники и прорывных технологий. Иными словами, — это модель, которая должна обслуживать объективными справочными и расчётными данными процесс проработки и принятия конструкторами замысла новой машины. Модель может составить основу для человеко-машинной информационно-советующей системы по
разработке общего замысла конструкции.

Замысел как объект формального рассмотрения

Разработка замысла предваряет создание технической системы. Актуальность и полнота замысла определяет как полезность будущей машины, так и объём затрат на её разработку.
Обычно замысел сначала проходит фазу основного формирования, а затем корректируется в ходе предметно-преобразующей деятельности, направленной на его реализацию.
Замысел постоянно задаёт цель коллективу разработчиков.
В настоящее время разработка замысла технической системы — это самостоятельная фаза, которую правомерно рассматривать, отделяя её от остального процесса создания системы. Правомерно моделировать её отдельно и искать способы наилучшего обеспечения коллектива разработчиков программными и техническими средствами на этой фазе.
На практике, когда генеральный конструктор в целом определил образ замысла, его «группа общих видов» или «группа общего замысла» проводит более детальную конкретизации идеи с тем, чтобы выдвинуть совокупность конкретных рабочих требований к другим подразделениям коллектива конструкторов.
В ходе этой работы мобилизуется гигантский по совокупному объёму профессиональный опыт разработчиков, перерабатывается масса справочных данных и в итоге создаётся «пакет» технической документации. Весь процесс занимает обособленный интервал времени в последовательности работ по созданию новой машины.

Предпосылки формализации

Разработка общего замысла является первой фазой жизненного цикла технической системы ^[1], состоящего из последовательно выполняемых:

— разработки замысла новой машины;
— проведения целевых исследований (НИР);
— конкурсных аванпроектов;
— опытно-конструкторских работ;
— производства и испытаний опытной партии изделий;
— серийного производства и массовой эксплуатации машин данного типа;
— снятия изделий с производства и вывода из сферы эксплуатации в силу «морального износа».

Ряд предпосылок облегчает подход к формальному рассмотрению фазы разработки замысла. Они обусловлены характерными особенностями данной фазы:

— на этой фазе не проводят никаких предметных экспериментов и физических исследований. Решения принимают исключительно на основе всех уже имеющихся сведений о машинах данного типа. В силу этого фаза, по существу, является полностью информационной;
— основная «технология» данной фазы — это принятие решений компетентными и ответственными лицами. Она заканчивается обязательной итоговой фиксацией результатов решений в виде документов, приобретающих в машиностроении силу закона на многие годы. Важность этих документов и долговременный характер последствий, которые могут быть вызваны их неполнотой, заставили практиков выработать на этой фазе предельную чёткость и стандартизацию работ. Это обстоятельство облегчает анализ и проявляет контуры возможных моделей;
— при оформлении замысла должны быть учтены все сведения, существенные для последующего хода разработки машины, начиная с фазы исследований и кончая предвидимыми условиями снятия образца с производства. Это обстоятельство можно трактовать как требование полноты рассмотрения. Оно однозначно соответствует основному требованию системного анализа ^[2] работать с полной системой. Появляется возможность применять при анализе модели многие стандартные приёмы системного анализа;
— требование полноты рассмотрения и полностью информационный характер фазы разработки замысла неизбежно приводят к идее формирования памяти, в которой в каждый данный момент содержались бы сведения, способные существенно влиять на состав образа замысла, создаваемого конструкторами.

Техническая база и программное обеспечение

Темп разработки в последнее время языков программирования и технических средств позволяет надеяться на реализацию автоматизированных систем для разработки общего замысла на базе уже имеющихся возможностей. Для экспериментов с первичной моделью оказалось достаточно дисковой операционной системы ЭВМ ЕС-1020 и языка PL/I(SUBSET). Дальнейшее совершенствование и развитие модели может осуществляться на более мощных ЭВМ и более развитых современных языков для работы со списками и изображениями.

Особый интерес представляет бурно развивающаяся область — автоматизация процессов в полиграфии ^[3]. Последние достижения в этой области позволяют на базе мини-ЭВМ создать передвижной пункт редактирования типографского набора и окончательного оформления итоговых документов фазы фиксации замысла.

Суммируя, можно выразить основную ориентацию данной работы следующим образом. Сложность техники растёт, и вместе с нею растёт ответственность при принятии замысла новой системы. Удлиняются сроки проработки замысла, увеличивается круг привлекаемых специалистов.

Возникают проблемы организационного характера, проблемы информационного обеспечения коллектива разработчиков. Организация работ на фазе разработки замысла начинает ощутимо влиять на окончательную стоимость и эффективность образцов техники, на длительность экономически выгодной эксплуатации систем данного типа.

Назревает необходимость иметь на фазе разработки замысла сервисную информационно-советующую систему (ИСС), которая отрабатывала бы как можно большее число рутинных функций, по необходимости выполняемых в настоящее время конструкторами. Такая ИСС во многих случаях освободит разработчиков для истинно творческих действий и сократит время разработки и принятия решений.

Литература

Поспелов Г.С. О некоторых проблемах системно-программного планирования и управления в народном хозяйстве. М. — 1972.
Оптнер Л. С. Системный анализ для решения деловых и промышленных проблем. М.: «Сов радио», 1970.
Лабсон, Бушкофф. Компьютеризация процессов редактирования и типографского набора. Мини-ЭВМ в действии. Часть 8. «Электроника», No 11, 1974.

Литературные источники заимствования

Данная тема выполнена с учётом требований, выдвигаемых программным методом управления по отношению к процедурам принятия решений при разработке новой техники и прорывных технологий.

Ряд результатов других исследователей использован при решении поставленных задач. Эти результаты рассеяны в большом числе работ, однако сами эти работы по основной направленности лишь за редким исключением специально посвящены фазе разработки замысла, поэтому упомянем здесь лишь главные, а на второстепенные будем делать ссылки в ходе самого изложения.

В серии более чем 100 работ Ф. Цвикки с 1923 по 1975 год излагает основные идеи созданного им «морфологического анализа». В применении к техническому творчеству идеи «анализа» наиболее полно изложены им в книге F. Zwicky. Entdecken, Erfinden, Forschen im Morphologischen Weltbild. Munich-Zurich-Knaur — 1966. Из работ Цвикки заимствована идея «морфологического ящика». Здесь нами рассмтрен обобщённый многоуровневый аналог морфологического ящика — так называемая комбинаторная структура, или комбинаторный файл.

Ф. Кессельринг в ряде работ рассмотрел группы факторов и обстоятельств, влияющих на выбор замысла конструкции, хотя и не являющихся её функциональными атрибутами и параметрами. Им выделено около 800 критериев, по которым могут оцениваться техническая и хозяйственная полезность конструкций. Ф. Кессельринг — основоположник нового направления в теории и практике технического творчества, которое именуется Объединением Немецких Инженеров (Verband von deutsche Ingeneure) как «полное ответственности хозяйственное конструирование».

Основные идеи хозяйственного конструирования изложены в работах:
Kesselring. Bewertung von Konstruktionen. Dusseldorf — 1951.;
Technisch-Wirtschaftliche Konstruiren. VDI- Fortschritt Berichte. R.1 «Konstruiren-KonstruktionsTechnik» No 1, 1955;
Technische KompositionsLehre. Berlin — 1954.

Из работ Ф. Кессельринга и аналогичных им по направленности работ П.И. Орлова (например, Азбука конструирования. Оборонгиз. М.-Л. — 1941) была выведена необходимость стандартных процедур пополнения базы данных сведениями о технологии производства конструкций и хозяйственной сферы их применения, с тем, чтобы эти сведения, преобразованные к виду альтернатив, выступали в задачах оптимизации в качестве ограничений, либо независимых переменных.

Из работы С. Элюкима и А. Холяна «Формализация составления вариантов решения в задачах конструирования» (Техническая эстетика, No 7, 1970) заимствовано понятие матриц совместимости. В данной работе этому понятию соответствует понятие «комбинант», обобщённое для многоуровневой системы альтернатив.

Работа А. Бергсона «Материя и память», СПб-1913, выполненная им с привлечением обширного экспериментального материала по психологии восприятия и психопатологии (исследование речевой и моторной афазии), содержит малоизвестную гипотезу о том, что процесс вспоминания является всякий раз преимущественно процессом конструирования вспоминаемого образа заново, но никак не поиска его в памяти.

Это значит, что большие совокупности «близких» по замыслу образов не находятся в памяти в готовом виде перед вспоминанием, а представлены некоторым экономным многоуровневым спектром подобразов, которые входят в большинство образов этой совокупности. Кроме того имеется некоторая совокупность механизмов, — своеобразный оператор, — с помощью которого осуществляется «интегрирование» по спектру и восстановление образов «как вспоминаемых» при этом. Данная в сущности техническая идея А. Бергсона использована при построении формализма и алгоритма запоминания данных по «исторической серии образцов и прототипов систем данного семейства».

Из работ Жана Поля Сартра заимствованы идеи, выдвинутые им при обсуждении отрицаемой им так называемой «гипотезы имманентности». Сартр также утверждал, что образы в памяти человека пребывают не в статическом состоянии, а представляют динамический «вычислительный процесс», в котором нет почти никакого соответствия геометрическим атрибутам этих образов.

Из сообщений о проекте «Хиндсайт» и экспериментальных данных, полученных при его выполнении [Айзенсон Р.С. Опыт технического прогнозирования при выполнении проекта «Хиндсайт». В сб. Научно-техническое прогнозирование для промышленных и правительственных учреждений. М.: Прогресс, 1972] была выведена необходимость ограничиваться при построении базы данных рамками узких семейств техники, ибо только при этом условии гарантируется автономность, относительная полнота и целостность рассмотрения.

Глава I. Основная комбинаторная концепция

2.1. Основная функция памяти при формировании замысла

Создание новой техники и прорывных технологий должно, по возможности, проходить так, чтобы не было затрат на разработку тех образцов и их узлов, которые уже были разработаны ранее (или в приемлемый срок и с большой вероятностью будут разработаны другими коллективами, а затем и станут доступны для комплектования данного разрабатываемого изделия или технологии).

Как известно, гарантию этого можно получить, в основном, уже на стадии составления замысла системы. Для этого необходимо запоминать факты машиностроения и предполагаемые технические достижения, которые непосредственно относятся или же логически тяготеют к данному семейству технических систем. А для этого нужна память, на данный момент содержащая «всё» о семействе систем, и такая, которая при предъявлении образа замысла могла бы, как минимум, давать следующие комментарии об узлах и блоках, отражённых в замысле:

‘-1’ — такой узел уже был построен ранее (с указанием авторов);
‘ 0’ — такой конструкции ещё не было;
‘+1’ — узел такой конструкции предполагают построить в других конструкторских коллективах (с указанием фирм).

При этом пока не требуется, чтобы эта память могла «слишком» уточнять, когда, где, как успешно и кто реализовал или собирается реализовать то или иное конструктивное решение.

Легко представить себе и конструкторов, варьирующих образ замысла, и автономную независимую память, которая «наблюдает» эти вариации и комментирует их в выше указанных терминах: «будет-было-не было».

Эта воображаемая ситуация наводит на мысль, что отделение фактов машиностроения и создания технологий от «конструктивного вымысла» и есть основное назначение памяти при её использовании в процедурах формировании замысла. Память, вклинивая прошлое в совершающиеся действия конструкторов, делает это предельно избирательно и при этом реализует вполне определённую функцию полезности.

Результаты проекта «Хиндсайт» дают возможность оценить значимость этой функции в стоимостном выражении ^[4]. Согласно приведённым экспериментальным данным 60% элементов новизны конструкции «приходят» со стороны уже в ходе разработки, не говоря уже о сведениях, мобилизованных при выборе прототипов в начале разработки.

В настоящее же время конструкторы и технологи в ходе технического творчества, из соображений экономии времени и сил, вынужден сам постоянно осуществлять выше упомянутый комментарий собственных решений и решений коллег, базируясь на своём прошлом опыте и недавних сведениях, которые он почерпнул при знакомстве с технической литературой.

Ясно, что при этом ему приходится в одно и то же время выступать в двух противоположных ролях: с одной стороны, он должен свободно творить, а с другой, — строго себя ограничивать, непрерывно сверяясь с багажом прошлых научно-технических достижений. Такое противоречие, к сожалению, не всегда оказывается движущим. Очень часто одна из ролей подавляет другую, что в любом случае снижает продуктивность творчества.

В связи с этим в рассматриваемой далее информационной модели комментирующую функцию предлагается передать ЭВМ, поскольку она не является творческой, а является чисто рутинной.
Предполагается осуществлять
эту функцию одновременно и
параллельно с актами творчества.
Минимальными требованиями являются следующие:
— организовать в памяти приём сообщений о прогрессе в машиностроении так, чтобы конструктор был исключён из процесса первичного восприятия путём знакомства с литературой, не ориентированного на конкретную проблему;
— сделать так, чтобы конструктор, при необходимости узнавал о новых событиях научно-технического прогресса исключительно в процессе изобретения, не выходя из него для «изучения литературы по данному вопросу».
— организовать комментарий действий конструктора на основе технологической памяти так, чтобы он стал естественной и привычной рутинной составляющей актов творчества и был совмещён с ними во времени.

Выясняется, что всё это можно обеспечить, только если ограничить эти процессы рамками вполне конкретного функционального семейства создаваемых систем и технологий: часов, фотоаппаратов, летательных аппаратов и т.п.

Литература

Айзенсон Р.С. Опыт технического прогнозирования при выполнении проекта «Хиндсайт». В сб. Научно-техническое прогнозирование для про мышленных и правительственных учреждений. М.: Прогресс, 1972.

2.2. Технические системы и их семейства

Стало традицией, описывая стремительный прогресс техники, отмечать, как быстро сменяют друг друга всё новые и новые поколения технических систем. При этом называют, например, разные по счёту поколения наручных часов, радиоламп, кинокамер, металлорежущих станков, телевизоров, лазеров, автомобилей, бортовых МГД-генераторов, самолётов, ЭВМ и т.д.

Следует особо подчеркнуть, что когда говорят «поколение», то неявно исходят из понятия «семейство». В самом деле, можно ли указать на поколение, не указывая на конкретное семейство технических систем?

Очевидно, это те семейства автомобилей, самолётов, ЭВМ и т.п., осознание которых только и позволяет заметить внутри них перемены и распознать поколения.

Однако в настоящее время нет общепринятого понятия «семейство технических систем», которое фигурировало бы как точное в достаточно широких областях машиностроения. Возможно, это происходит в силу интуитивной «прозрачности» этого понятия. Тем не менее, закономерности развития семейств технических систем почти не изучались.

Значительным исключением является выполненный на эмпирическом уровне массированный проект «Хиндстайт» ^[4], в котором оперируют понятием «семейство» машин, но тоже не определяя его явным образом.

В экономике машиностроения такой подход к миру технических устройств не является характерным.

В данной области практика намного опередила теорию.

Крайняя необходимость не раз заставляла на практике рассматривать совокупность родственных по устройству или назначению машин как семейство и финансировать его развитие как целого. Для иллюстрации назовём лишь некоторые примеры.

Отдельное семейство технических систем стало объектом экономического воздействия ещё в тридцатые годы. Так, например, «в пользу» технологии самолётостроения пришли к необходимости узлового проектирования и создания гамм (параметрических рядов) металлообрабатывающих станков.

Соответствующие проектные работы были проведены к 1934 году в СССР ^[5]. Разработка семьи базовых моделей и модификаций явилась выходом из положения, когда частые изменения конструкций самолётов вели к частым переменам требований к станкам ^[6].

Значительный интерес представляет в этом плане материал книги К. Беккера ^[7]. В ней, в частности, рассказано, как в короткий срок, в течение полутора лет, было разработано целое семейство средств малой истребительной морской техники. Этот пример особенно ценен тем, что разработанное семейство не имело явных прототипов.

Во Франции агрегатный принцип проектирования был реализован, в частности, при создании семейства летательных аппаратов «Мираж». Это семейство состоит приблизительно из 20 типов самолётов различного назначения (разведчик, пикирующий бомбардировщик, ракетоносец, истребитель, аппарат вертикального взлёта и посадки и т.д.), но каждый из них до поры до времени как бы не существует отдельно.

Вместо них существует выпускной набор небольшого числа типовых агрегатов. Эти агрегаты благодаря хорошо отработанным условиям и средствам взаимозаменяемости ^[8] могут по потребности комбинироваться для сборки самолётов разных назначений, как в заводских условиях, так и на аэродромах.

Усложнение мира техники всё настойчивее выдвигает новое требование к характеру процессов принятия решений при разработке систем, — это требование планировать, финансировать и осуществлять развитие семейства машин как целого.

Кроме того, — это требование осуществлять координированное развитие семейств, учитывая, что экземпляры их образцов участвуют в качестве комплектующих частей в самых разных технических комплексах.

Подход, характеризующийся созданием всё лучших отдельных образцов, как главный из подходов всё менее оправдан. Он лишь ускоряет «гонку» в смене поколений, не говоря уже о том, что при таком подходе большинство остроумных конструкций «фильтруется» на стадии опытной эксплуатации и не попадает в экономическую систему для массового производства в заводских условиях в целях извлечения выгоды от разработки.

Создаётся парадоксальное положение, при котором быстрое совершенствование техники всё чаще характеризуют внешне противоположным показателем — быстротой смены поколений, то есть сокращением времени жизни одного поколения систем. Хотя этот показатель говорит одновременно и о несовершенстве этой техники. Это явление отражено в общепринятом понятии «моральный износ техники».

Стремление к совершенству не может характеризоваться, главным образом, частой сменой поколений систем. Там, где разработка проводится всесторонне, наблюдаются как раз поколения-долгожители. При правильном подходе к основам проектирования время жизни одного поколения систем должно возрастать, а не сокращаться.

В связи со сказанным в работе ^[9] говорится о необходимости в первую очередь дать концепцию развития техники, в которой наравне с другими понятиями фигурировали бы такие как «семейство технических систем», «подсемейство», «семейство агрегатов» и т.п. Надо чётко обозначить семейства технических систем и сделать каждое из них объектом продуманного длительного экономического воздействия. Это, в свою очередь, можно сделать, лишь имея модель семейства, пригодную для нужд принятия решений при создании систем новой техники.

Ощущается необходимость в адекватной знаковой модели развивающегося семейства технических систем. Роль, которую она сможет играть в процедурах формирования замысла, в закономерных механизмах его отвергания, либо принятия по ходу технического творчества, может оказаться значительной.

Литература

1. Айзенштадт Л.А., Чихачёв С.А. Очерки по истории станкостроения в СССР. М.: — 1957.
2. Уварова Л.И. Научный прогресс и разработка технических средств. М.: — 1973.
3. Беккер К. Немецкие морские диверсанты во второй мировой войне. М.: ИЛ, 1958.
4. Григорьев В.П. Взаимозаменяемость агрегатов в самолётостроении. М.: Машиностроение, 1969.
5. Капустян В.М., Махотенко Ю.А., Шеверов В.Г. Комбинаторный метод проектирования и анализа систем — «КОМПАС». Электронная техника, серия 9 — Автоматизированные системы управления. Вып. 1(1), 1972.

2.3. Дерево блоков технической системы

Дерево блоков технической системы есть графический образ, естественно вытекающий из накладывающихся друг на друга функционального и технологического принципов (оснований) членения конструкций ^[10]. Это главные основания членения.

Существует и ещё несколько десятков других («не главных») оснований членения, например, в пользу ремонтопригодности, диагностики, «второй жизни» изделия и т.п. Дерево блоков, как образ, необходимо для того, чтобы перейти к другому менее очевидному образу — комбинаторному дереву блоков ^[9] семейства технических систем, а от него — к так называемой комбинаторной структуре.

При рассмотрении технических средств и технических систем их принято последовательно подразделять на функциональные блоки всё меньших и меньших размеров вплоть до технологически не делимых деталей. С другой стороны, при изготовлении технической системы простые блоки собирают из деталей, более сложные — из этих простых и т.д. вплоть до системы в целом.

Если показать это последовательно подразделение графически, то получится традиционное дерево, показывающее для каждого бока, из каких менее сложных блоков он составлен. Такое дерево можно назвать деревом блоков технической системы.

Не исключён конечно и такой способ рассмотрения, когда некоторый «блок» системы рассматривается «как якобы составленный из более сложных блоков». Ничего парадоксального в этом нет. Здесь «работает» не телесная физика дела, а лишь информативно удобный способ рассмотрения.

В состав системы «подключаются (для лучшего понимания сути дела) «все надсистемы, которые так или иначе «по функции» включают в себя некоторые из подсистем данной системы.

Так, можно утверждать, что летящий пассажирским рейсом самолёт — не просто «летательный аппарат», а «состоит» из экипажа (за плечами которого весь опыт прежних рейсов), диспетчерских (рулёжки, зоны подлёта и рейсовых диспетчерских), систем метеоразведки и УВД с их компьютерами, стоящими на земле, но позволяющими совместно летать множеству самолётов данной зоны воздушного движения, диагностической службы на аэродроме прибытия и т.п. И эта точка зрения оказывается весьма информативной и полезной. Рассмотрение совсем иное, хотя тоже употребляется слово «самолёт».

Условный пример обычного дерева блоков показан на Рис. 1.

Сложные технические системы, содержащие большое число блоков, удобнее отображать не с помощью картинки, а в виде иерархического списка. Например, можно использовать «точечную нотацию», принятую в алгоритмических языках ^[11]. Ветвление в дереве блоков заканчивается на так называемой линии деталей, на которой сосредоточены названия конфигураций технологически не делимых деталей и названия материалов, из которых они изготовлены.

На Рис. 1 линия деталей показана пунктиром. В данных типа структура или Outline линии деталей соответствует совокупность всех записей младших уровней, не имеющих потомков.

Литература

Шекунов Е.П. Основы технологического членения конструкции самолёта. М.: Машиностроение, — 1968.
Джермейн К. Программирование на IBM/360. М.: Мир, 1973.

2.4. Комбинаторные совокупности конструкций

В своей работе ^[12] У.Р. Эшби обращает внимание на то, что совокупности, с которыми приходится иметь дело конструктору, являются существенно комбинаторными, то есть они, как правило, последовательно необозримы, хотя каждый член последовательности вычислим и всегда может быть представлен для обозрения.

В частности, это означает, что переход от простых к рассмотрению более сложных систем сопровождается настолько быстрым ростом совокупности финишных вариантов, на которых мог бы остановить внимание конструктор, что даже вычисление их количества становится самоцелью. Получаются поистине «астрономические» и «сверх астрономические» числа. Они настолько велики, что не сразу осознаётся смысл и назначение операций над ними.

Действительно, уже в случае таких, например, систем как оптические квантовые генераторы, жидкостные насосы или радиолампы число основных функционально-компоновочных вариантов доходит до 10³⁰, В таких же семействах как МГД-генераторы или летательные аппараты число скомбинированных функционально-компоновочных вариантов доходит до 10²⁰⁰⁰. Это очень большие числа. Заметим для сравнения, что в упомянутой работе У.Р. Эшби число атомов в видимой части Вселенной оценивается только в 10⁷⁸.

Покажем, откуда берётся такое большое число комбинаций. Рассмотрим лишь линию деталей дерева блоков технической системы, например на Рис. 1. На этой линии сосредоточены сведения о конфигурациях и материале деталей.

Однако, одну и ту же деталь, даже не изменив её конфигурации, часто допустимо изготовить из иного материала, например вместо стали — целиком из бронзы или пластмассы.

Если в реальной конкретной технической системе подменить некоторые детали другими с той же конфигурацией, но из иных материалов, то несмотря на неизменность вида чертежей, система получится уже иная. У неё будет та же главная полезная функция, но слегка изменятся её элементы поведения. Иными окажутся вес, надёжность, ремонтопригодность и т.д.

Пусть в системе, состоящей из К деталей, каждую деталь можно из готовить использовав какой-то один из двух материалов, тогда число различных возможных материальных составов системы будет, очевидно, 2^K.

Если же по каждой детали увеличить число возможных материалов до пяти, то число комбинаций будет равно 55K0. Учитывая, например, что даже в обычной механической печатающей машинке около 2 000 деталей, мы видим, что число материальных компоновок действительно очень быстро растёт с увеличением номенклатур конструкционных материалов деталей.

Но практика показывает сплошь и рядом, что замещению (подмене) можно подвергнуть не только материалы деталей. С таким же успехом можно заменять иными и конфигурации деталей, схемных решений узлов и целых блоков и даже центральные физические процессы, составляющие рабочую сущность системы, лишь бы при этом не очень сильно изменилась её главная полезная функция, то есть целевое назначение и общий процесс системы.

Так в автомобиле детали можно изготовлять из самых разных материалов. Можно менять конфигурацию салона и кузова, ставить колёса и фары различных конструкций и количеств, менять число мест и дверей салона.

Двигатель может быть поршневым, роторным или шаровым. Это может быть двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель с источником тока и даже (в наше время!) паровая машина. Рама автомобиля может быть сварная прямоугольная, или её можно делать в виде трубы «как в автомобилях Шкода» и т.д.

Перечисленные варианты уже дают, примерно 5000 вариантов компоновки. Другие возможные замены обеспечат громадное число автомобилей-комбинаций. Большинство из них не имеют основания быть нефункциональными.

Для того, чтобы учитывать все возможности реальной замены блоков и узлов конструкции, далее вводится пара сопряжённых понятий — альтернативы и комбинанты.

Литература

Эшби У.Р. Несколько замечаний. В сб. «Общая теория систем», М.: Мир, 1966.

2.5. Альтернативы и комбинанты как сопряжённные понятия

Альтернативы отражают все локальные варианты возможной взаимной замены различных узлов и блоков изделия. Альтернативы определяют все пути преобразований образа замысла машины при конструировании.

Бл(1) — б(11), б(12), б(13), …
Бл(2) — б(21), б(22), б(23), …
Бл(3) — б(31), б(32), б(33), …
………..
Бл(n) — б(n1), б(n2), б(n3), …
где Бл () — функциональный блок конструкции, а б(,) — конкретные альтернативные способы выполнения, изобретённые на данный момент.
Но если производить одновременную замену блоков «в двух разных местах» системы
б(I,k) — б(I,p)
б(J,l) — б(J,q),

то не всякая из таких парных замен оказывается правомерной. Для того, чтобы зафиксировать информацию о том, какая из 1 формальных 0 замен правомерна, а какая — нет, служит «двойственное» понятие комбинант.

В результате понятие альтернатив и понятие комбинант оказываются сопряжёнными: совокупность всех альтернатив формально порождает множество комбинаций, а отношение комбинантности ограничивает (сужает) это множество и показывает, что действительно возможно, а что — нет.

Таким образом, все вместе, — альтернативы и комбинанты, — очерчивают то, что можно назвать совокупными конструктивными и технологическими возможностями реализации машин данного семейства. В самом деле, когда происходит работа с альтернативами, каждый элементарный выбор конструктора, разрешённый комбинантами, означает переход к несколько иной машине, то есть к модификации, принадлежащей к тому же семейству. Получается как бы группа модификаций с групповой операцией — действиями конструкторов, которые не выводят из данного семейства систем.

Рассмотрим эти понятия в более содержательном плане.

Изучая конкретные образцы техники из некоторого семейства, например, из семейства летательных аппаратов, можно убедиться, что действительно, свойством функционально замещать друг друга в конструкции обладают не только материалы, из которых изготовлены детали, но функциональные блоки любой сложности.

Так в самолётах вертикального взлёта и посадки (СВВП) ^[14] блок создания подъёмной силы на вертикальном участке полёта можно различны- ми способами выполнить в виде:
а — группы поворачивающихся винтов, размещённых в кольцевых гон долах — «Белл X-22A», (рис. 2д)
б — группы вентиляторов, размещённых в крыльях — «Райан», (рис. 2ж)
в — группы поворачивающихся маршевых турбореактивных двигателей — «Дорнье — D31», (рис. 2а)
г — основного маршевого двигателя с дефлектором, отбрасывающим струю вниз перпендикулярно фюзеляжу, (рис. 2з)
д — специального отдельного газо-турбинного двигателя, предназначенного только для взлёта и посадки и выключаемого на марше — «Мираж 3V», (рис. 2в)

Точно также различным можно выбрать, например, расположение маршевых двигателей на аппарате относительно крыла:

а» — расположение на пилонах под крылом, (рис. 3а)
б» — расположение в корневой части крыла, (рис. 3г)
в» — расположение на концах крыла, (рис. 3в)
г» — хвостовое расположение, (рис. 3б)

При этом, как видно, функционально-эквивалентные блоки и конфигурации сильно отличаются друг от друга из-за физической разнородности их центральных рабочих процессов.

Замещая в общей схеме СВВП одни блоки на другие, можно как и в случае замены материалов деталей, формально получить иные конструкции, причём многие из них будут функциональны и реально осуществимы.

На приведённых примерах мы наблюдаем сложные замещения. Аппараты уже резко отличаются друг от друга, а не лишь слегка, как в случае простых замен одних материалов другими. Сильно различны общие виды и сборочные чертежи конструкций. Что же касается сфер сборки изделий и технологии производства материалов, деталей, узлов и блоков, то в них различия ещё более значительны.

Условимся как при простых, так и при любой сложности заменах называть все объекты, замещающие друг друга, то есть функционально-эквивалентные в конструкциях, — альтернативами.

Ряды, или серии, функционально-эквивалентных объектов, процессов и способов будем называть альтернативными линейками.

Однако, одного лишь исчерпывающего знания рядов альтернатив недостаточно для того, чтобы при заменах всегда получались жизнеспособные конструкции. Как уже было замечено, выбор двух разных блоков в двух разных альтернативных линейках не всегда является независимым.

Например, нельзя одновременно:

а — расположить двигатель на пилонах под крылом и
б — использовать их как поворотные для создания тяги на вертикальном участке полёта СВВП

Точно так же несовместимы альтернативы г. и г» в приведённых выше примерах альтернативных линеек.

Если выбор пары блоков из двух разных альтернативных линеек независим, то будем называть такую пару блоков комбинантными или просто — локальными комбинантами.

Как видно, альтернативы и определяемые на их базе парные комбинанты — это сопряжённые взаимно дополнительные понятия. Благодаря наличию перечисленных наборов альтернатив, появляется и возможность говорить о комбинантах. Те и другие вместе обуславливают необходимое разнообразие финишных конструктивных вариантов, потребное для решения технических проблем данного семейства изделий. Было бы естественно, с точки зрения элементарной логики, говорить также и о тройных комбинантах, которые отнюдь не сводятся трём парам двойных комбинант, четверных и т. д. (В какой-то момент здесь придётся перейти к двойственному описанию — описывать не те сочетания, которые допустимы (их будет невозможно запоминать из-за огромного их числа), к запоминанию лишь катахрезных (связанных с деструкциями и авариями) сочетаний, которых гораздо меньше , Но в задачу данной работы это не входит, так как путь незначительного обобщения получаемого здесь формализма очевиден.

Для того, чтобы удерживать в неразвёрнутом виде всё разнообразие конструктивных вариантов «изделия в целом» и разворачивать вариант лишь тогда, когда в этом действительно возникает необходимость, надо, очевидно, уметь учитывать все наличные альтернативные линейки и соответственно — все связанные с ними комбинанты.

Можно предложить списковые и графические средства для отображения альтернативных линеек и матричные (или тоже списковые) средства для фиксации комбинант.

В данных типа «структура» будем представлять альтернативные линейки как группы записей на одной и той же «странице». Для отличения альтернатив внутри линейки введём индекс внутри записи, то есть первый идентификатор завершим отрезком А1, второй — А2 и т.д.

При предварительной неизбежной ручной работе по составлению картотек, служащих для перевода во внутримашинную базу данных, можно рекомендовать опробованный следующий способ нумерации альтернатив и расположения их в картотеке:

1.3.А6.7.А1. Хвостовое расположение маршевого двигателя;
1.3.А6.7.А2. Расположение маршевых двигателей на пилонах;
1.3….

Здесь 1.3.А6.7. — префикс (или корень, или опорная часть) ключа, одинаковый у всех альтернативных записей данной линейки, а «суффиксы» (подключи, наращиваемая часть) А1., А», … — служат для визуального (а затем и алгоритмического) различения (идентификации) альтернатив внутри линейки. Картотека с такой «точечной алфавитно-цифровой нотацией» ключей упорядочивается лексикографически.

Для символического показа альтернативных линеек на рисунках введём следующий естественный трёхмерный ортоглиф: будем изображать альтернативную линейку в виде стопы положенных друг на друга дисков и стрелки, как бы способной соскальзывать с одного диска на другой, подобно реохорду в реостате. Каждому блоку-альтернативе в линейке соответствует один диск в стопе ортоглифа. Перевод стрелки с диска А1, например, на А6 означает замену блока А1 на А6. На рис. 4 приведены соответствующие пояснения общего строения ортоглифа.

Для фиксации парных комбинант используем матрицы в полном соответствии с тем, как это предлагают в работе ^[13] А. Холян и С. Элюким. В этих матрицах в качестве входного столбца выступают позиции одной линейки альтернатив, а в качестве входной строки — позиции второй линейки.

На пересечении строки и столбца матрицы стоит символ ‘1’, если соответствующая им пара альтернатив комбинантна, и символ ‘0’, если применение этой пары внутри одной конструкции катахрезно (ведёт к нарушению функций, деструкции, поломке, быстрой коррозии, аварии и т.п.).

Такие матрицы будем называть элементарными матрицами совместимости. Матрицы совместимости, учитывая специфику вычислений на ЭВМ, полезно перевести в удобную для расчётов форму в виде массива битовых строк.

Каждому отличному от нуля элементу первоначальной матрицы совместимости размером (p x k) ставится в соответствие битовая строка длиной k+p, причём в этой строке позиции ненулевые: та, которая соответствует номеру столбца данного (ненулевого) элемента в матрице, и та, которая соответствует номеру строки.

В этом случае массив будут содержать лишь столько битовых строк, сколько отличных от нуля элементов имеется в исходной матрице. Если единиц в исходной матрице «подавляющее большинство», то нужно применить обратное представление. Если же — примерно поровну, то неважно, какое из представлений применять.

Эти массивы битовых строк задаются на младших уровнях структуры на тех же страницах, на которых записано уточнённое имя-префикс, одинаковое для обеих альтернатив (тождественная опорная часть индекса), которое и является ключом доступа к массиву. Далее при обсуждении поясов альтернатив будут введено наглядное представление для всей совокупности комбинант данного семейства технических систем.

Определённые таким образом альтернативы и комбинанты будем применять при построении простой структуры, служащей для полного учёта всех имеющихся на данный момент альтернатив и комбинант.

Такой структурой является так называемая комбинаторная структура.

Литература

1. Холян А., Элюким С. Формализация составления вариантов в задачах конструирования. — Техническая эстетика, 1970, No 7, с.3-5.

Курочкин Ф.П. Основы проектирования самолётов с вертикальным взлётом и посадкой. М.: Машиностроение, 1970.

2.6. Комбинаторная структура

1.Комбинаторная структура является обобщением «морфологического ящика» Ф.Цвикки. Она служит порождающей структурой и остовом для так называемой технологической памяти — информационного объекта, предъявляющего все сведения, которые относятся к конкретному семейству техники и могут потребоваться конструкторам в ходе проектирования или повлиять на принятие решений ими.

Комбинаторная структура — это иерархический список специального вида с организацией, подобной той, что принята для данных типа структура в алгоритмическом языке PL/I. Она обладает уникальным свойством изображать некоторое семейство технических систем в целом, хотя и ни одной из систем в отдельности.

Это как бы коллективный портрет семейства, но такой, на котором изображения систем совпали по идентичным их частям, но выходят друг из-за друга оригинальными (только им присущими) частями. Из такой «смеси» , с первого взгляда, невозможно выделить ни одной конкретной конструкции. Аналогичное впечатление оставляла бы фотография, на которой по ошибке засняли бы с наложением несколько в чём-то сходных, а в чём-то различных предметов.

Чтобы такой «портрет» имел информационную полезность, надо уметь не только «смешивать» изображения, но и однозначно отделять их от этой «смеси».

Если речь идёт о действительных графических образах, то целесообразность их смешения на плоскости носителя сомнительна. В случае же списковых «изображений» полезность их смешивания и последующего разделения может оказаться чрезвычайно высокой. Особенно высокой она оказывается, если отделение осуществлять с помощью комбинаторных процедур.

Тогда, наряду с описаниями уже известных (запомненных в комбинаторной структуре) систем, удаётся выделить гораздо большее число таких комбинаций списочных данных, которые являются описаниями совершенно новых, принципиально возможных, но по каким-то причинам не реализованных конструкций (систем). Именно за эту способность комбинаторно порождать описания большого числа новых, принципиально возможных конструкций структура названа комбинаторной.

2.Занимаясь некоторым конкретными семейством технических систем, например, самолётами вертикального взлёта и посадки (СВВП), конструктор не может одновременно удерживать в мысленном поле зрения (так называемом «кадре внимания») образы всех существующих, а тем более — огромного числа возможных конструкций. В лучшем случае его внимание в каждый данный момент занято 1 ментальными манипуляциями 0 лишь с одним целостным умственным образом, например образом того или иного характерного функционального блока одного из СВВП.

Две из этих ментальных манипуляций просты по своей внешней сущности и состоят в том, что, конструктор:

— пытается мысленно членить блок на менее сложные составляющие его блоки (ветвление по делимости),
— не пытаясь членить блок, выдвигает на его место сразу некоторый альтернативный, принципиально иной вариант реализации той же функции (ветвление по альтернативности).

Перенос внимания от блока к блоку постоянно склоняет мысль конструктора следовать одному из этих путей (разумеется, если конструктор думает, исключительно, об устройстве блоков, а не об их поведении во время работы конструкции).

Но что оставит за собой «зона внимания» конструктора, когда он пройдёт, предположим, по всему наличному множеству знаний об устройстве. различных систем данного типа?

Можно сказать, что пробегая (и тем исчерпывая) по всему наличному множеству сведений об устройстве, — сведений аморфно разбросанных по различным публикациям, техническим документам, опыте других проектировщиков, — «структурирующее» внимание конструктора «перекристаллизует» эту аморфную массу в некоторую регулярную иерархическую списковую струкутру. Повторимся, что для этого конструктору достаточно задаваться всего двумя вопросами (и, отвечая на них, «упаковывать» информацию) о том:

— есть ли принципиально другие варианты выполнения данного блока и, если (больше) нет, то
— из каких частей (функциональных подблоков) состоит данный блок и искать ответы на эти вопросы всеми доступными способами.

3.Рассмотрим часть подобного иерархического списка, который получается при обработке массива данных об устройстве и функциях аппаратов вертикального взлёта и посадки. Этот достаточно условный, но показательный пример охватывает лишь малую часть вопросов, возникающих при эскизном проектировании этих аппаратов.

Форма приводимого ниже списка и способ нумерации его отдельных позиций удобны при первичной «ручной» обработке данных перед их превращением в машиночитаемые данные типа списков, файлов или таблиц баз данных. Первоначально этот список может быть оформлен в виде обычной картотеки, которая будет естественно пополняться заполняемыми карточками по мере поступления новых структурных данных.

«Точечная нотация» индексов и их лексикографическое упорядочение позволяют быстро (даже вручную) находить в этой комбинаторной структуре (картотеке) нужное место — обрабатываемый индекс-адрес засылки данных (вставки новой карточки). Когда же картотека, в основном, оформлена, можно переходить к переносу её информации в записи в таблицах базы данных.

Замечание 1 Курсивом в списке даны служебные повторяющиеся, дублирующие вспомогательные (при чтении списка) локальные списки ветвления информации, смещённые на три пункта вправо. В базу данных они не вводятся, так как характер ветвления данных запоминается уже в структуре индекса посредством «точечной нотации». При необходимости эти списки ветвления восстанавливаются программно путём «компиляции» структуры индексов. Этот приём позволяет более надёжно следить за целостностью базы данных и правильностью устройства соответствующей ей комбинаторной структуры. «Курсивные» списки ветвления помогают при чтении выборочно и последовательно переносить зону внимания.

Иерархический список альтернатив устройства узлов и блоков самолётов вертикального взлёта и посадки (СВВП) (фрагменты)

СВВП

Планер аппарата
…
Двигательно- силовая установка
ПЛАНЕР АППАРАТА

11.1. Крыло
11.2. …
11.3. Оперение
1.1. КРЫЛО
11.1.2. Отъёмная часть крыла
1.1.3.
1.1.2. Отъёмная часть крыла
11.1.2.1. Число несущих плоскостей
11.1.2.2. Форма крыла
11.1.2.3.
11.1.2.4. Положение плоскости крыла относительно фюзеляжа по высоте
1.1.2.1. Число несущих плоскостей
1.1.2.1.а1. Ни одной
1.1.2.1.а2. Одна несущая плоскость
1.1.2.1.а3. Две несущих плоскости
1.1.2.2. Форма крыла
1.1.2.2.а1. Прямое крыло
1.1.2.2.а2. Стреловидное крыло
1.1.2.2.а3. Треугольное крыло
1.1.2.2.а4. Крыло с переменной по размаху стрелой
1.1.2.2.а5. «Парабола Черановского»
1.1.2.2.а6. Обратная стрела
1.1.2.2.а7. Крыло переменной геометрии
1.1.2.2.а8. Крыло-кольцевой канал
1.1.2.4. Положение плоскости крыла относительно фюзеляжа по высоте
1.1.2.4.а1. Крыло над фюзеляжем (высокоплан)
1.1.2.4.а2. Крыло под фюзеляжем (низкоплан)
1.1.2.4.а3. Крыло на уровне осевой линии фюзеляжа (среднеплан)
1.3. Оперение аппарата
11.3.1. Горизонатльное оперение
11.3.2. Вертикальное оперение
1.3.1. Горизонтальное оперение
11.3.1.1. Размещение в общей схеме планера
1…
1.3.1.1. Размещение в общей схеме планера
11.3.1.1.1. Положение по отношению к крылу вдоль фюзеляжа
11.3.1.1.2. Положение по высоте (узел закрепления)
…
1.3.1.1.1. Положение по отношению к крылу вдоль фюзеляжа
1.3.1.1.1.а1. В носовой части фюзеляжа (схеме — «утка»)
1.3.1.1.1.а2. В хвостовой части фюзеляжа
1.3.1.1.2. Положение по высоте (узел закрепления)
1.3.1.1.2.а1. Закрепление в корневой части киля
1.3.1.1.2.а2. Закрепление в средней части киля
1.3.1.1.2.а3. Закрепление в верхней части киля
1.3.2. Вертикальное оперение
11.3.2.1. Размещение в общей схеме планера
11.3.2.2. …
1.3.2.1. Размещение в общей схеме планера
11.3.2.1.1. Положение по высоте по отношению к фюзеляжу
11.3.2.1.2. Положение по отношению к фюзеляжу в направлении вдоль 1кромки крыла
11.3.2.1.3. Наклон рулевых плоскостей к вертикали
1.3.2.1.1. Положение по высоте по отношению к фюзеляжу
1.3.2.1.1.а1. В верхнем полупространстве
1.3.2.1.1.а2. В нижнем полупространстве (убирающееся при посадке)
1.3.2.1.1.а3. Часть оперения выше фюзеляжа, а часть — ниже
1.3.2.1.2. Положение по отношению к фюзеляжу в направлении вдоль
1.3.2.1.2.а1. Не разнесённое вертикальное оперение
1.3.2.1.2.а2. Разнесённое вертикальное оперение
1.3.2.1.3. Наклон рулевых плоскостей к вертикали
1.3.2.1.3.а1. Вертикальные рули
1.3.2.1.3.а2. Наклонные рули (V — образная схема)

. . . . . . .

Двигательно — силовая установка

3.1. Движители для создания тяги на марше
3.2. Движители для создания тяги на вертикальных участках полёта и при зависании
3.1. Движители для создания тяги на марше
3.1.1. Тип движителя
3.1.2. Схема размещения маршевых движителей на планере
3.1.1. Тип движителя
3.1.1.а1. Винты в кольцевых каналах
3.1.1.а2. Турбореактивные двигатели
3.1.1.а3. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель
3.1.1.а4. Турбовинтовые двигатели с автоматом Юрьева
3.1.1.а5. Прямоточный пульсирующий двигатель Челомея
3.1.1.а6. Поршневой двигатель с цилиндром Магнуса
3.1.2. Схема размещения маршевых движителей на планере
3.1.2.1. На крыле (по вертикали)
3.1.2.2. Вдоль крыла
3.1.2.3. На фюзеляже
3.1.2.4. На пилонах
3.1.2.1. На крыле (по вертикали)
3.1.2.1.а1. На крыле движителей нет
3.1.2.1.а2. Движители над крылом
3.1.2.1.а3. Движители под крылом
3.1.2.1.а4. Движители на одном уровне с кромкой крыла
3.1.2.2. Вдоль крыла
3.1.2.2.а1. На крыле движителей нет
3.1.2.2.а2. В корневой части крыла
3.1.2.2.а3. Движители в средней части крыла
3.1.2.2.а4. Движители в концевом положении на крыле
3.1.2.3. На фюзеляже
3.1.2.3.а1. На (и в) фюзеляже движителей нет
3.1.2.3.а2. Движители в хвостовой части фюзеляжа
3.1.2.3.а3. Движители в средней части фюзеляжа
3.1.2.3.а4. Движители в носовой части фюзеляжа
3.1.2.4. На пилонах
3.1.2.4.а1. Нет движителей на пилонах
3.1.2.4.а2. Размещение на пилонах под крылом
3.1.2.4.а3. Размещение на пилонах в хвостовой части фюзеляжа
3.1.2.4.а4. Размещение на пилонах в носовой части фюзеляжа
3.1.2.4.а5. Размещение на пилонах в средней части фюзеляжа
3.2. Движители для создания тяги на вертикальных участках полёта и при зависании
3.2.1. Основная группа подъёмных движителей
3.2.2. Группа вспомогательных движителей
3.2.1. Основная группа подъёмных движителей
3.2.1.1. Способ создания тяги на вертикальном участке полёта
3.2.1.2. Размещение движителей для создания тяги на вертикальных участках полёта
13.2.1.3. …
3.2.1.1. Способ создания тяги на вертикальном участке полёта
3.2.1.1.а1. Перевод маршевых двигателей в режим подъёмных
3.2.1.1.а2. Использование специальных подъёмных движителей
3.2.1.1.а1. Перевод маршевых двигателей в режим подъёмных
3.2.1.1.а1.а1. Путём отклонения струи вниз перпендикулярно фюзеляжу
3.2.1.1.а1.а2. Поворотом блока с движителем в вертикальное положение 0
3.2.1.1.а1.а1. Путём отклонения струи вниз перпендикулярно фюзеляжу
3.2.1.1.а1.а1. С помощью щиткового дефлектора для отклонения струи
3.2.1.1.а1.а1. С помощью коммутатора струи маршевого двигателя
…
3.2.1.1.а1.а2. Поворотом блока с движителем в вертикальное положение
3.2.1.1.а1.а2.а1. Поворачивается только двигатель
3.2.1.1.а1.а2.а2. Поворачивается всё крыло
3.2.1.1.а1.а2.а3. Посадка, взлёт и зависание при вертикальной ориентации всего аппарата
…
3.2.1.1.а2. Использование специальных подъёмных движителей
3.2.1.1.а2.1. Тип движителя
3.2.1.1.а2.2. …
3.2.1.1.а2.1. Тип движителя
3.2.1.1.а2.1.а1. Подъёмный винт
3.2.1.1.а2.1.а2. Подъёмный вентилятор
3.2.1.1.а2.1.а3. Турбореактивный подъёмный двигатель
3.2.1.2. Размещение движителей для создания тяги на вертикальных участках полёта
13.2.1.2.1. Размещение в фюзеляже
13.2.1.2.2. Размещение в (на) крыльях
3.2.2. Группа вспомогательных движителей Z

Рассматривая пример комбинаторной структура на СВВП, мы видим, что между «ветвлениями» информации по «частям» и «по альтернативам» имеется некоторое однозначное соответствие.

Это соответствие обнаружено нами и на других семействах таких, как радиолампы, жидкостные насосы, оптические квантовые генераторы, МГД-генераторы. Выбранный способ описания структур и альтернатив принципиально не ограничивает число уровней членения. Скорее здесь ограничение может последовать со стороны технологий и экономики производства систем. Известна, например, так называемая задача симплификации, которая ставится как требование «Иметь в конструкции по возможности меньше уровней членения и меньше составных деталей». Видимо, это первая из оптимизационных задач, которая безотносительно к любым функциональным и технологическим свойствам моделируемых систем может быть поставлена и решена на комбинаторных структурах в общем виде. Пути решения других оптимизационных задач с аддитивными критериями (типа весовой сводки) и конъюнктино-дизъюнктивными системами ограничений также легко просматриваются.

4.Если в альтернативных линейках комбинаторной структуры мысленно как-то оставить по одной позиции, а остальные «вычеркнуть» (вместе, разумеется, с подчинёнными позициями всякой только-что вычеркнутой альтернативы), то оставшийся «какой-то» список, во-первых будут односвязным деревом, во-вторых будет изображать дерево блоков-признаков какой-то, возможно осуществимой конструкции.

Выполняя эту процедуру вычёркивания всеми различными способами, получим самые разные «комбинации-конструкции». По простой оценке «сверху» число таких различных комбинаций равно произведению длин локальных подсписков ветвления по альтернативам в данной конкретной комбинаторной структуре данного конкретного семейства систем. Например, приведённая часть комбинаторной структуры на СВВП содержит списковые изображения более ста миллионов схем компоновки самолётов вертикального взлёта и посадки.

Большой когнитивный интерес представляет тот факт, что комбинаторная структура может «предложить» несоразмерно большее число осуществимых комбинаций, чем то, какое в состоянии реализовать весь соответствующий данным машинам научно-технологический промышленный комплекс. Как правило, лишь «ничтожная» доля возможных комбинаций представлена в практически действующих или проектируемых образцах изделий.

Это обстоятельство должно подсказывать какие-то необычные эвристики в поиске путей совершенствования машин и всего проектного дела.

В свете сказанного важен и следующий вопрос: «Что же на самом деле совершает конструктор, когда изобретает в конкретном проекте две-три новых альтернативы выполнения некоторого блока изделия? Ведь при этом его деятельность оборачивается также и прибавкой в целом в данном семействе технических систем (и не только в данном!) десятков и сотен тысяч новых возможных и физически реализуемых конструкций-комбинаций».

Из этого можно заключить, что информационным объектом, который сильнее всего чувствует воздействие мысли конструктора, оказываются вовсе не чертежи конкретного проектируемого изделия, а «чертежи» всех проектов подобных изделий, которые были выполнены ранее, выполняются сейчас или еще будут выполняться в будущем. Появляется некий новый объект управления в проектном деле. Свойства его и «закон его движения» следует вскрыть и изучать в целях управления. Возможны далеко идущие комбинаторные последствия.

На рис. 2а- 2з помещены примеры пробных извлечений комбинаций из приведённой комбинаторной структуры на СВВП. Они специально подобраны так, чтобы, по большей части, соответствовать известным, действующим образцам аппаратов. Содержательный материал был заимствован из работ ^[14-17].

5.Итак, комбинаторная структура (далее К-структура) обладает первыми простейшими, но необходимыми атрибутами памяти: пользуясь К-структурой, можно (конечно же только в уме конструктора) порождать новые образы.

Это подспорье такому свойству памяти как воображение, фантазия.

Кроме того, в К-структуру можно принимать сообщения о новых научно-технических достижениях в деле развития данного семейства технических систем (независимо от того, сделаны ли они в родственных или тематически далеко отстоящих проектах!). Это поддерживает такое свойство памяти как внимательное восприятие.

Покажем на примерах, как, пользуясь К-структурой, можно на базе воображения конструктора и его аналитических способностей сделать однозначно организованными следующие два противоположных по «логике» действия полезных процесса:

А. — построение краткого реферата, описывающего воображаемое поведение ещё никогда не реализованной конструкции, соответствующей кимбинации из К-структуры,
В. — смысловой анализ краткого реферата, описывающего устройство и поведение реальной новой конструкции, с выделением только элементов новизны, присущих этой конструкции и засылкой информации о них в К-структуру.

А. Составление реферата о возможном поведении конструкции

Остановимся в К-структуре на СВВП на следующих позициях альтернативных линеек (т.е. произведём в ней выбор):
1.1.2.1. Число несущих плоскостей?
1.1.2.1.а2. Одна.
1.1.2.2. Форма крыла?
1.1.2.2.а6. Обратная стрела.
1.1.2.4. Положение крыла относительно фюзеляжа по высоте?
1.1.2.4.а2. Под фюзеляжем.
1.3.1.1.1. Положение горизонтального оперения по отношению к крылу вдоль фюзеляжа?
1.3.1.1.1.а1. В носовой части фюзеляжа (схема «утка»).
1.3.2. Вертикальное оперение?
1.3.2.1.1.а1. В верхнем по отношению к крылу полупространстве.
1.3.2.1.2.а1. Не разнесённое,
1.3.2.1.3.а1. В хвостовой части фюзеляжа.
3.1.1. Тип маршевого движителя?
3.1.1.а4. Два турбореактивных двигателя.
3.1.2.1.а2. Под крылом,
3.1.2.2.а3. В средней части.
3.2.1.1. Способ создания тяги на вертикальных участках полёта?
3.2.1.1.а1. Перевод маршевых двигателей в режим подъёмных,
3.2.1.1.а1.а1. Путём отклонения струи вниз,
3.2.1.1.а1.а1.а1. С помощью дефлектора.

Общий вид соответствующей произведённому выбору конструкции приведён на рис.5. Профессионально-прозаический текст, описывающий поведение этой возможной конструкции, может быть, например, таким:

СВВП с крылом типа «обратная стрела». Тяга на вертикальных участках и в режиме зависания создаётся двумя маршевыми турбореактивными двигателями путём поворота широких закрылков перпендикулярно плоскости крыла и оси фюзеляжа.

В аэромобильном блоке создаётся высокая воздушная подушка.

Аппарат не нуждается в аэродромной полосе и взлетает с наклоном почти вертикально. В хвостовой части – не разнесённое вертикальное оперение. Горизонтальное оперение переднерасположенное. При взлёте и посадке для выравнивания аппарата применён вспомогательный вентиляторный движитель в носовой части аппарата, питающийся от маршевых двигателей.

В. Приём в К-структуру сообщения о создании новой конструкции

Воспользуемся рефератом, составленным по патенту Италии No533751 от 27 сентября 1955г., в котором заявлен аппарат вертикального взлёта типа «летающая тарелка».

Абсолютно маневренный аппарат С. Маттолини

Аппарат отличается от традиционных машин подобного назначения. Движитель для создания тяги на вертикальных участках полёта и в режиме зависания представляет собой принципиально новый движитель «циркулярного типа».

В его основе быстро вращающаяся конструкция в виде двояковыпуклой линзы. При вращении «линзы» вокруг «оптической оси» (рис. 5) возникает два присоединённых к обшивке линзы тороидальных вихря.

Условия обтекания таковы, что над «линзой» создаётся разрежение, а под нею — добавочное давление, которые и обуславливают подъёмную силу. При сложных движениях аппарата возникает, связанный с «линзой» гироскопический момент, который мог бы искажать маневр.

Для компенсации такого момента внутри «линзы» предусмотрен маховик, вращающийся в направлении, противоположном направлению вращения линзы и имеющий такой же момент инерции, что и «линза». Маховик, линза и кабина экипажа кинематически соединены планетарной передачей.

В результате кабина в полёте не вращается, а маховик и линза по отношению к ней вращаются в противоположных направлениях. Для создания тяги на марше на начальном участке сначала используется «эффект перекоса Юрьева», а затем включаются два турбореактивных тяговых двигателя, расположенных на пилонах на кабине экипажа.

Аппарат обладает абсолютной маневренностью и может летать на любых дозвуковых скоростях на циркулярном движителе. При разгоне до сверхзвуковых скоростей вихревые торы отрываются от обшивки линзы и далее аппарат летит с остановленной линзой и маховиком как диск с небольшим углом атаки. Перед выходом в дозвуковой диапазон производится новая раскрутка маховика и линзы.

Получив это сообщение, специалист, ведущий актуализацию данных в базе данных по К-структуре, осмысливает текст (патент реален, данные не вымышлены!), выделяет элементы новизны, то есть новые альтернативы, которых до этого в К-структуре не было и «засылает» их в К-структуру.

Это будут следующие новые альтернативные позиции:

1.1.2.2.а9. Крыло, круглое в плане
3.1.2.3.а5. Маршевые двигатели на пилонах в нижней части кабины экипажа
3.2.1.1.а2.а4. Подъёмный и маневровый движитель циркулярного типа
3.2.1.2.1.а3. Подъёмный движитель расположен вокруг кабины экипажа по кольцу
и т.п.

Как ни странно, но число новых добавляемых альтернативных позиций даже в этом специфическом случае будет невелико, так как в силу развитости предметной области многие элементы описанной легендарной «летающей» тарелки уже содержатся в К-структуре в силу неизбежного сходства с прототипами по тем или иным узлам её и блокам.

Например, то, что маршевые двигатели турбореактивные уже ранее (при описании другого аппарата!) записано в позиции 3.1.1.а4., а то, что крылья (даже такие!) находятся на одном уровне с осевой линией кабины экипажа — в позиции 1.1.2.4.а3. и т.п.

Благодаря этому свойству К-структуры, приём и воспроизведение сообщений о новой конструкции-комбинации можно проводить в две чётко выраженных стадии:
— стадию анализа множества элементов строения конструкции с разбиением на два множества:
= множество элементов прототипов, уже введённых в К-структуру, известных (с известными их индексами в К-структуре),
= множество новых решений функциональных элементов конструкции, которых не было при запоминании предыдущих конструкций-комбинаций (с выделением для них новых адресов-индексов).
— стадия выделения в К-структуре указанных подмножеств, запись элементов новизны в соответствии с выделенными адресами; запись некоторых дополнительных «паспортных» данных, необходимых для последующей возможной операции восстановления полного или частичного описания проанализированной конструкции-комбинации, то есть, по существу, — её запоминание.

Вспоминание должно допускать как полное, так и частичное восстановление списочного «образа» конструкции. Таким образом, вместо всякий раз поэлементного громоздкого приёма данных об устройстве новой конструкции при пополнении К-структуры со временем становится возможным запоминать всё меньшее и лишь небольшое (но значительное, значимое!) множество элементов новизны и перенести внимание на данные, необходимые для организации целого из списочного материала, который в К-структуре уже имеется от ранее проанализированных конструкций.

Но названную организацию целого так же можно проводить лишь в минимально необходимом объёме, то есть оставить данные в свёрнутом виде, так как воспроизведение полного описания, возможно, так никогда и не понадобится. Организацию целого, но в свёрнутом виде можно обеспечить с помощью иерархических массивов битовых строк.

В каждый данный момент работы К-структуры её состав, её разветвлённость сильно определяют характер данных, которые в неё могут быть приняты. Принимаются не любые данные, а лишь те, для которых при данном состоянии К-структуры может быть выделен смысловой адрес-индекс, которые по смыслу могут быть добавлены.

Смысл, уже заключённых в К-структуре записей как бы притягивает смысл поступающих записей с элементами новизны. Можно представить себе ситуацию, когда составлена К-структура на летательные аппараты, ограничиваясь 1938 годом.

Если аналитику, ведущему пополнение К-структуры, предложить затем пополнить такую структуру сообщением о новшествах по «механизации крыла» последних самолётов КБ им. П.О. Сухого, то у аналитика будут долговременные и серьёзные затруднения. Возможно, он вообще не справится с этой задачей, так как в К-структуре будет иметь место «пропуск» данных, начиная с 1938г. Не будет возникать смысловых ассоциативных связей.

Однако описанная ситуация не так уж условна. Даже при тщательном наблюдении за некоторым семейством техники и неукоснительном пополнении её всеми поступающими новыми данными иногда бывают случаи прорывного конструирования, когда в конструкции воплощаю «вдруг» несколько сотен новых патентов, и она по смыслу «плохо» соотносится с прежним семейством: много новых связей со средой, много новых полезных функций и применений и т.п. и, как следствие, — очень большое число новых элементов строения и новых элементов поведения. Приём такой конструкции в К-структуру сопряжён с большой аналитической работой.

Обсуждённое свойство К-структур «присоединять данные избирательно» можно назвать свойством их смысловой односвязности («семантической односвязности»), а обусловленный этим свойством избирательный приём данных можно соответственно назвать «аналитико-семантическим приёмом данных». Он существенно отличается от «бездумного» физического приёма данных, то есть простой записи данных на некий физический носитель (буде они поступили по «каналу связи») , без осознания их смысла и значения для приёмника. Просто «в порядке поступления». Представляется, что информационные меры, предложенные в теории связи, здесь (в нашем случае) попросту не применимы. Малейший новый элемент может преобразить возможности К-структуры до неузнаваемости.

6.Отметим отдельно ещё одно важное свойство К-структуры. Это свойство набора её альтернатив логически выстраиваться в группы, между которыми наблюдается иерархическая зависимость в смысле развивающихся на ней (К-структуре) процедуры выбора и процесса выбора. Речь идёт о сложной зависимости 1совместного 0включения или не включения тех или иных альтернатив в рамки одной комбинации-конструкции. Произвольная постановка такой целевой или ограничивающей задачи здесь не проходит без предварительного учёта «топологии» К-структуры. Поясним это.

Уже в приведённом условном примере К-структуры на СВВП мы видим так называемые цепочки и каскады последовательного выбора альтернатив строения блоков и узлов машины в задачах конструирования. Зависимость между отдельными актами выбора (выборов в разных подсписках альтернатив) в каждой такой цепочке однонаправленная, иерархическая.

Например, только тогда можно думать над тем, какой вариант дефлектора струи маршевого двигателя выбрать, когда уже пройдена следующая цепочка

3.2.1.1. Способ создания тягина вертикальном участке полёта

3.2.1.1.а1. + телей в режим подъёмных¦

3.2.1.1.а2. Перевод маршевых двига Использование специаль ных подъёмных движит.

L-T————————

—+———————-¬

¦ 3.2.1.1.а1.а1. + — — — — + 3.2.1.1.а1.а2. ¦

¦ Путём отклонения реак- ¦ Путём поворота блока

¦ тивной струи вниз пер- ¦ движителей в целом

¦ пендикулярно фюзеляжу ¦

L-T————————

—+———————-¬

¦ 3.2.1.1.а1.а2.а1. + — — — — -¦ 3.2.1.1.а1.а2.а1. ¦

¦ При помощи дефлектора ¦ При помощи коммутатора

L-T———————— газового потока

—+———————-¬

¦ 3.2.1.1.а1.а2.а1. ?? ¦

¦ ??? ¦- — — — — + ??? ¦

L————————-

Очевидно, что конструктору не пришлось бы размышлять над вариантом дефлектора, не сделай он три вышележащие предыдущие акты выбора, как они показаны в виде вертикального каскада. Его 1 внимание могло повернуть на любом из трёх «перекрёстков», показанных ответвлениями вправо от каскада. Тогда вообще не пришлось бы думать о дефлекторе, а размышлять о чём-то многом другом.

Следует отметить, что чем ниже спускается внимание конструктора по каскаду выбора, тем конкретней становится та «физика дела», которая будет работать в машине (становится всё более определённым список элементарных физических процессов, которые будут проявлены в материалах и веществах в работе машины), тем ближе конструктор к эскизам и сборочным чертежам на конкретные блоки изделия.

Когда все каскады-цепочки пройдены до конца, перед конструктором оказывается минимальный набросок конкретного сложного физического процесса во всём многообразии его понятийных определений, который собираются вызвать, реализовать в конкретной сфере машиностроения, в конкретной среде. Но лишь набросок. Подчеркнём, что это набросок конкретного физического процесса, несмотря на то, что конструктор отправлялся в своих изысках от технического задания, сформулированного в весьма приближенных, в лучшем случае — абстрактных теоретических понятиях.

Таким образом, К-структура может оказаться удобным семантическим средством для упорядочения (или стенографирования) самого процесса принятия решений в ходе технического творчества. В этом случае К-структура сыграет роль центрального минимального (хотя и сложного!) опорного смыслового объекта, своеобразного «трамплина» для воображения конструкторов (и упорядочения областей приложения расчётных и сервисных программ ЭВМ).

Возможность принимать решение об устройстве будущей конструкции не «сразу вдруг», а «обстоятельно» в несколько каскадов вдоль многих цепочек последовательного выбора может дать массу удобств (хотя может породить и замысловатую рутину как всякий сложный организационный процесс). Эта возможность формализована далее в модели при определении так называемых поясов альтернатив и установлении строгого понятия иерархии и направлений выбора в задачах конструирования.

7.Подведём итоги
— комбинаторная структура — это компактный, неразвёрнутый, но полный списковый портрет семейства технических систем;
— в К-структуре отражены сведения об устройстве всех известных машин данного семейства, а также сведения об устройстве автономно испытанных аналогов блоков таких машин и сведения о прогрессивных подходящих патентных и рационализаторских решениях;
— К-структура способна порождать «сверхастрономическое» число вариантов списковых описаний конструкций, которые «могли бы быть», но по тем или иным причинам не реализованы;
— К-структура на данное семейство технических систем есть открытый семантический объект, способный избирательно присоединять к себе новые сведения о подходящих данному семейству научно-технических достижениях из любой области машиностроения;
— благодаря комбинаторному свойству смысловые данные об элементе, который может присутствовать во многих конструкциях, записывается в К-структуре лишь один раз и в одном строго смыслоопределённом месте.

Литература

1. Zwicky F. Entdecken, Erfinden, Forschen im morphologischen WeltBild. Munich – Zurich, Knaur, 1966.
2. Дисковая операционная система ЕС ЭВМ. PL/I: Введение, описание языка, пособие для программиста.
3. Горащенко Б.Т., Дьченко А.А., Фадеев Н.Н. Эскизное проектирование самолёта. М.: Машиностроение, 1970.

1. Маттолин С. Абсолютно маневренный аппарат вертикального взлёта и посадки. Итальянский патент No 533751.

Глава II. Технологическая память

3.1. Необходимость пополнения комбинаторной структуры

«Конструктивное изучение машин должно затрагивать все стороны дела, все обстоятельства работы машины, все физические свойства реальных тел, так как инженер строит машины и сооружения не из воображаемых, упрощённых материалов, а из действительных тел, добываемых в природе, и все свои выводы, суждения и расчёты должен основывать на полном и всестороннем знании всех свойств именно этих реальных тел и материалов… Таким образом, упрощать и пренебрегать инженер не может. Он должен знать всё, всё уметь и принимать во внимание все действительные свойства тел и обстоятельства явлений и свободно, в природе, и несвободно, в его машинах, происходящих»

А.И. Сидоров.

Основные принципы проектирования и конструирования машин. М.-1929 ^[19]

1. Немногим более пятидесяти часов проходит с того момента, как из природных залежей (месторождений, рудников, разрезов) возьмут сырьё, до того момента, как с конвейера сойдёт автомобиль, сформованный из материалов, полученных из этого сырья.

Поток природных материалов устремляется на завод, чтобы под влиянием потока мощности и потока мобильного человеческого знания превратиться в готовую продукцию. Так обстоит дело с любой серийной продукцией, а не только автомобилем. Вещества, прежде рассеянные в природе, концентрируют и превращают в высококачественные детали, узлы и блоки автомобиля.

Первый из названных формующих потоков легко представить. Его значения можно считывать по показаниям счётчиков расхода энергии.

Но нет такого «счётчика», и не все отдают себе отчёт в том, сколь огромный объём всевозможных знаний активируется, мобилизуется (приходит в движение), превращается в итоге в поток управляющих данных и целиком определяет изготовление узлов и блоков изделия.

Тот, кто знаком с «технической подготовкой производства» предмет но, знает, что рождение и серийное изготовление даже очень простых с виду изделий окружено техническими сведениями и знаниями буквально как облаком, распределённым в производственной системе. Эта вторая формующая «стихия» — поток данных — имеет важное экономическое значение. Основательный эмпирический качественный анализ движения «субстанции» этой «стихии» производственных систем и её экономическое значение убедительно продемонстрированы в книге Фритца Махлупа «Производство и распространение знаний в США» ^[20].

Теоретические подходы к анализу движения знаний, в том числе и в производственных системах общества, развиты в книге В.И. Черныша «Информационные процессы в обществе» ^[21]. Исторический анализ становления процессов производства знаний при создании средств новой техники проведён в книге Л.И. Уваровой «Научный прогресс и разработка технических средств» ^[6].

Эти и другие исследователи констатируют, что информационная насыщенность процесса производства конкретного изделия весьма велика. Отсюда легко понять, что ещё большей она должна быть в процессах проектирования изделий, так как там работа идёт со многими вариантами, а в итоге — полная определённость. В процессе проектирования надо помнить и рассматривать данные не об одной финишной системе, а практически обо всём семействе. Лишь в этом случае можно надеяться произвести правильный выбор.

Память, дающая сведения для процесса проектирования систем, должна быть существенно шире, чем просто совокупность сведений об устройстве всех известных образцов изделий. Она должна давать ещё и массу дополнительных сведений, необходимых для выбора замысла конструкции.

Комбинаторная структура, следовательно, должна быть пополнена и превращена в так называемую полную технологическую память (ПТП).

2. Как было показано, комбинаторная структура делает возможной регулярную и систематическую работу с альтернативами, которые суть различные варианты строения узлов и блоков конструкций.

Точно так же, подобно К-структуре, технологическая память должна делать регулярной, систематической и, что самое главное, — тесно согласованной работу с альтернативами, принадлежащими разным областям выбора, допускаемым условиями и обстоятельствами формирования образа замысла.

К таким областям выбора, кроме ассоциативно-ведущего по смыслу множества альтернатив К-структуры, в первую очередь можно отнести:

— возможности выбора функциональной внешней среды (того, во что будет «погружено» изделие при всевозможных режимах (целях) его работы, какие объекты будут контактировать с ним, в какие процессы оно будет по замыслу или вопреки ему вовлекаться, и т.п.) и
— возможности выбора среди принципиально различных вариантов технологий производства изделия в целом и технологических альтернатив производства узлов и блоков всех уровней и оснований членения.

В названных областях заключены большие возможности выбора, не только не уступающие по многообразию набору альтернатив К-структуры, но и чаще превосходящие его в несколько раз. Можно сказать, что полная технологическая память (ПТП) содержит в себе К-структуру лишь как «рядовое» (хотя по задающему смыслу и главное — родовое!) подмножество альтернатив; рядовое в смысле отношения объёмов. Но К-структура в то же время занимает среди подмножеств ПТП исключительное (родовое) положение, так как только завершив её можно получить возможность вообще строить ПТП, добавлять альтернативы других подмножеств. Действительно, не назвав всех вариантов строения узлов изделия, мы не будем иметь «предмета обсуждения» и уточнения, то есть не сможем говорить о вариантах изготовления, «среде обитания» и т.п. узлов и блоков изделия.

Итак, К-структура оказывается тем родовым остовом, на который наращиваются по смыслу все остальные данные, способные значительно повлиять на выбор замысла конструкции. Сама же идея смыслового наращивания дополняющих данных воплощена в стандартной, однозначно определённой процедуре связного пополнения К-структуры. Для этого достаточно ввести для указанных дополнительных областей выбора точно те же приёмы организации данных, те же приёмы ветвления информации, что и при записи фрагментов К-структуры.

Таким образом, ПТП — это структурно-альтернативные, «климатически»-альтернативные, экономически-альтернативные и другие (список принципиально открыт: лишь бы была смысловая связность с родовой К-структурой) данные с такой организацией, которая обеспечивает связную и согласованную работу с альтернативами во всех областях выбора, ощутимо влияющих на формирование замысла технической системы.

3. Рассмотрим сначала, как происходит пополнение К-структуры данными о среде функционирования и технологии производства изделий.

Содержательные примеры из различных областей машиностроения будем брать, руководствуясь исключительно их удобностью для иллюстраций идеи.
Рассмотрим, как в К-структуре можно отобразить ситуации, когда:
а. Фрагмент среды выполняет роль функционального блока в конструкции;
б. Фрагмент среды и блок конструкции вступают в контакт, который может влиять как на функциональные характеристики, так и на саму среду;
в. Выбранный технологический способ производства того или иного блока изделия влияет на функциональные характеристики конструкции в целом и этого блока, в частности.
а.) Рассмотрим рис. 6. На нём условно представлена часть комбинаторной структуры на электронное изделие — автогенератор. Одна из показанных на рисунке альтернативных линеек является составной в том смысле, что часть её позиций называет (номинирует) изготовляемые (с приложением труда) блоки, а другая часть — фрагменты среды, которые способны вступать в функционирование как полноценные блоки изделия без всяких затрат труда на их создание.

Это явление замены блоков конструкции фрагментами внешней среды широко распространено в машиностроении. В качестве других бросающихся в глаза примеров можно назвать:

— скальное основание вместо бетонного фундамента установки,
— ровную поляну с прочным дерновым покрытием в качестве полевого аэродрома,
— природное озеро как «радиатор» и водяной резервуар металлургического предприятия разомкнутого цикла,
— воздух атмосферы как «баллон» с окислителем, всегда имеющийся за бортом самолёта пока он летит в достаточно плотных слоях,
— всевозможные чистые культуры брожения в реакторах микробиологических установок,
— набегающий поток воздуха как хладоагент для двигателя в мотоцикле и т.д.

Условимся впредь все такие возможности функциональной подмены технологически изготовляемых блоков фрагментами внешней среды, которые специально не создаются, а лишь для этого приспосабливаются, показывать в списках ветвления (альтернативных линейках) как полноправные альтернативы. Их специфика должна быть ясна из текста формулировки альтернативной позиции.

Чтобы проанализировать случаи б. и в. введём естественные определения.

Определение 1. Пусть имеются данные типа структура. Группу записей (k+1)-го уровня, заключённых между двумя ближайшими записями k-го уровня, будем называть страницей.
Определение 2. Страницы С1 и С2 будем называть непосредственно связанными, если одна из них имеет уровень на единицу больший и, кроме того, все записи этой страницы целиком содержаться между какими-либо двумя соседними записями другой из страниц.
Определение 3. Связанные страницы С1 и С2 будем называть ортогональными, если на одной из них перечислены блоки (подблоки), а на другой — альтернативы строения какого-либо одного блока. При этом безразлично, какая из страниц имеет уровень старше.
б.) Часть блоков любой конструкции так или иначе граничит с внешней средой. Поэтому относительно любого блока правомерно ставить вопрос о его контактах со средой как в ходе изготовления, транспортировки, хранения, монтажа, так и эксплуатации. В сущности, если для каждого блока изделия перечислить все его возможные контакты со средами, то суммируя по всем блока, можно будет получить «минимум описания» внешней среды семейства систем. Заметим, что это будет интегральное описание среды на большом интервале времени, имеющее смысл только для данного семейства систем в целом. Взяв другое семейство, мы обнаружим, что описание его внешней среды совершенно иное, хотя конструкции «обитают» казалось бы в одном и том же хозяйственно-техническом и географическом регионе.

Системная среда данного семейства будет, таким образом, представлена совокупностью возможных контактов между образцами конструкций и фрагментами среды.

Рассмотрим страницу (карточку), непосредственно описывающую состав подблоков данного блока (рис.6). На этом рисунке страницы показаны как реальные объективированные страницы (карточки), но они полностью соответствуют введённым выше определениям.

На это странице в силу того, что она принципиально открыта для пополнения, можно дописать перечень контактирующих с блоком фрагментов среды. Заметим, что за общим наименованием фрагмента (контакта) может, как показано на рисунке, скрываться сложное комбинаторное содержание, предполагающее дальнейшую конкретизацию.

В подструктуре, характеризующей данный «контакт» сосредоточены сведения о том «какой вообще может быть» системная среда (с учётом её собственной комбинаторности), когда она реализует данный контакт. Сведения в этой подструктуре организованы так, что на одних страницах производится декомпозиция фрагмента среды, а на ортогональных им даются варианты этих фрагментов, то есть в сущности естественные альтернативные линейки.

в.) Способ изготовления того или иного блока (и даже соединения двух блоков) может сильно влиять на характеристики поведения этого блока и изделия в целом. Например, сварные соединения будут обладать существенно разными свойствами (прочностью, трещиноустойчивостью, коррозионной стойкостью, поверхностной фактурой и т.п.) в зависимости от того, как они выполнены:

— сваркой электронным лучом,
— газовой сваркой,
— лазерной сваркой,
— дуговой сваркой
— в вакууме,
— на воздухе (под флюсом/без флюса),
— в атмосфере инертного газа,
— сваркой трением,
— точечной сваркой (обычной, импульсной,…)

Следовательно можно широко управлять качеством изделия, потенциальными характеристиками его поведения, выбирая самые разные альтернативы технологических операций при его производстве. При неизменном в сущности чертеже, одинаковом внешнем виде двух изделий (с идентичными деталями из одних и тех же материалов) выполненных по разной технологии они будут иметь разные характеристики эффективности и полезности.

Условимся при разбиении блока на подблоки приводить на одной и той же странице добавочный подсписок всего из одной записи:

«технология сборки и отладки блока» или «технология изготовления детали», если речь идёт о детали.

За простой номинацией (названием) технологической операции может скрываться сложнейший комбинаторный смысл, который так же может быть проявлен, выяснен только путём дальнейшей конкретизации. Здесь комбинаторика появляется из-за того, что более мелкие, подчинённые технологические процедуры (операции, переходы, режимы) сами имеют многочисленные альтернативы выполнения. Например, при производстве тонких нитей (проволок) насчитывают до двухсот переходов, каждый из которых имеет не одну альтернативу.

Таким образом, сведения об изготовлении деталей, узлов и блоков конструкции «стыкуются» с К-структурой во-первых по всем страницам, на которых приведены списки ветвления на части (подблоки), и во-вторых, от каждой стыковочной позиции как от уточнённого имени строится комбинаторная подструктура на технологию данного назначения. Ясно, что при подготовке производства многие изобретения новых альтернатив «получают прописку» именно в этих подструктурах. Недаром говорят, что «за плечами изделия стоит его невидимая технология».

Рассмотрим ещё одну область альтернатив выбора, которые могут существенно влиять на выбор замысла. Эту область выбора можно условно обозначить как «ситуационно-конъюнктурную».

4. Часто случается, что конструкция с замечательными функциональными характеристиками оказывается неприемлемой на практике и не идёт в серийное производство, то есть экономическая выгода от её разработки не извлекается, да и затраты не окупаются.

Когда в таких случаях выносят заключение о неприемлемости конструкции, то есть по сути принимают решение, негативно «оправдывающее» весь объём убытков от разработки, то такое решение тщательно и объективно аргументируют. Аргументы бывают, например, такого характера:

— нет возможности разместить производство на существующих агрегатных заводах,
— необходимо ввести слишком много новых сборочных инструментов, приспособлений, оснастки и заново обучить слишком большой контингент рабочих сборочных предприятий,
— машина не приспособлена к перевозке её крупными партиями железнодорожным и морским транспортом, требует предварительной разборки, сложной упаковки и крепёжных приспособлений,
— появились другие машины, сводящие к минимуму всю полезность машин данного образца, делающие его не конкурентоспособным,
— и т.п.

В каждом подобном случае у специалистов и лиц, принимающих решения о неприемлемости конструкции, возникает мысль, что ведь можно же было бы предвидеть подобные ситуации ещё до начала разработки изделия или в ходе развёртывания производства.

Достаточно было активировать дополнительный ряд данных, существенных в этом плане для выбора замысла, сделать их предметом внимания разработчиков. Но легко сказать. Ведь для этого такие данные надо «привязать» к альтернативам строения и технологий данного изделия. Надо обеспечить такой режим принятия конструкторских и технологических решений, при котором эти данные невозможно не увидеть и не задаться рано или поздно вопросами о:

— контактах блока со средами,
— заделе, имеющемся в промышленности для его производства,
— вариантах технологии производства,
— кадрах специалистов, которые будут готовить производство

Здесь таблицы промышленной статистики приобретает очерченный смысл, становятся настоящими операндами для принятия решений. Но обратим особое внимание на то, что обсуждаемые характеристики относятся скорее к тому, что находится вне и как бы далеко от рассматриваемых машин и их функциональных блоков и деталей. Хотя и ассоциированы с ними.

Это как бы внешние не функциональные, но важные «элементы поведения» блоков и образцов изделия. Здесь, говоря о вещи, мы характеризуем её через многие сущности, которые этой вещью не являются.

Не имея по существу никакого отношения к тому будет ли блок функционировать и если будет, то как, они тем не менее прямо определяют его право на жизнь. Внешние элементы поведения сами могут иметь иерархию характеристик. О них можно говорить, прежде всего, как о желательных, нежелательных и катахрезных (вредных, недопустимых, катастрофогенных, …)

В силу сказанного необходимо обеспечить следующее. Как только в кадр внимания специалистов попал тот или иной внешний элемент поведения (полезный, нейтральный, катахрезный) должно:

— выяснить, имеются ли в К-структуре страницы и альтернативные линейки, ассоциированные с данным элементом поведения по смыслу,
— если такие страницы и линейки имеются, то проверить и множества (списки) на полноту,
— найти недостающие данные, используя любые доступные источники (справочники, монографии, опыт специалистов, даже рекламные проспекты и дайджесты),
— определить адреса и уточнённые имена, по которым эти данные должны быть заведены в К-структуру,
— анализировать (разложить на смысловые составляющие постранично) и принять данные в К-структуру без существенных редукций их смыслов.

Таким образом, требование полноты ассоциаций при формировании замысла может быть выполнено только при наличии хорошо проработанной информационной технологии пополнения К-структуры новыми смысловыми позициями. Отметим, что это требование не может быть удовлетворено существующей методологией разработки «логических схем баз данных», так как не предполагает доминирования неограниченной «открытости» данных для пополнения по смыслу (как только этот новый смысл появился в результате изобретения.) Логические схемы баз данных принципиально не ориентированы на феномен неограниченных изобретений. То же относится любому формально-логическому исчислению.

Определение: Комбинаторную структуру, пополненную данными о всех (от функциональных до внешних) существенных для раз работки замысла изделия элементах поведения конструкций, будем называть базой полной технологической памяти.

Обсуждение понятия полной технологической памяти продолжено в следующем разделе.

Пополнение К-структуры данными для вычисления значений различных целевых функций (критериев отбора) в задачах оптимизации обсуждается отдельно в соответствующей главе.

Литература

1. Сидоров А.И. Основные принципы проектирования и конструирования машин. М.: 1929.
2. Махлуп Ф. Производство и распространение знаний в США. Пер. с англ. М., Прогресс, 1966.
3. Черныш В.И. Информационные процессы в обществе. М.: Наука, 1968.

3.2. Технологическая память

«…я, право, не переношу…, когда память представляют себе так, будто нечто засовывают в ящик до востребования или как свёрток сдают в камеру хранения.»
Стаффорд Бир. На пути к кибернетическому предприятию. В сб.:

Принципы самоорганизации, М.: Мир, 1966 ^[22].

Процессная комбинаторная память это сложный односвязный объект, который при определённых условиях способен возвращать серии ранее предъявленных ему образов, но такой, что эти образы не хранятся в нём, а каждый раз перед предъявлением собираются в нём из элементов.

В силу этого и по многим другим причинам (например, потому, что в ней принципиально отсутствует «поиск в хранилище данных» по причине отсутствия «хранилища» как такового) память названа процессной. В самом деле, любое обсуждение такой памяти может проводиться главным образом как обсуждение процесса разборки образа при запоминании и сборки при вспоминании. Вовсе не идёт речь о хранении образов, присущем традиционным информационно-поисковым системам.

О процессно-комбинаторной памяти можно говорить скорее как о генераторе образов, снабжённом некоторым алгоритмом, который отделяет образы, соответствующие действительным фактам машиностроения, и опускает образы-комбинации либо «из сферы вымысла», либо противоречивые по природе.

Привычные понятия «библиотека» и «склад», «хранилище» и «банк» породили стойкий, претендующий на безальтернативный абсолют, взгляд на память исключительно как на «склад данных», «базу данных», «банк данных». Смысл один, хотя в названиях эксплуатируются вроде как разные метафоры. Это обстоятельство, видимо, и заставило Ст. Бира высказать то резкое суждение, которое приведено в эпиграфе данного раздела.

Действительно, роль памяти сплошь и рядом (нисколько не задумываясь об альтернативе) сводят к закладке данных на хранение, хранению данных, транспортировке этих данных время от времени, к выходу из хранилища. В результате при таком одностороннем подходе настоящие глубинные свойства памяти маскируют, подменяют их неоправданно зауженными, а то и вовсе чуждыми памяти (привнесёнными) «складскими» заменителями.

Так с конструированием этого одностороннего типа памяти связывают большое число проблем, свойственных больше складам и складированию, а не собственно явлению памяти и процессам запоминания-вспоминания.

Между тем, для представления памяти можно метафорически заимстовать и другой в такой же степени привычный образ — образ заводского сборочного цеха. Можно попытаться строить память наподобие сборочного цеха. Тогда перед конструктором памяти предстанут преимущества, вытекающие из такого подхода.

Память-склад хранит все образы отдельно. По запросу она транспортирует их к выходу. Для этого она должна находить место, адрес, по которому «прописан» образ. Именно в этой процедуре и скрываются все классические проблемы информационного поиска, среди которых подавляющая доля не решена (и видимо никогда не будет решена в силу ложной постановки).

Память-цех не хранит ни одного образа. Она хранит лишь части или «атомы» образов ^[23] и «технологические карты», пользуясь которыми память собирает образ из атомов. При этом » 1остаточная 0″ процедура поиска элементарна, с нею не связано ни одной проблемы.

Память-склад проводит поэлементный приём очередного запоминаемого образа.

Память цех воспринимает новый образ дифференциально, принимая лишь немногие элементы его новизны — отличия от всех принятых до него образов.

Следует специально отметить, что высказанная мысль и проведённая аналогия не являются чем-то совершенно новым. Подробное обсуждение устройства и особенностей функционирования памяти-цеха было проведено А. Бергсоном в конце XIX века ^[24].

При этом утверждалось, что память человека устроена именно таким образом и для обоснования гипотезы были привлечены обширные материалы различных психологических экспериментов из нейропсихологии, психопатологии и психиатрии.

На практике, в тех областях, где идея памяти-склада с очевидностью не реализуема, производственная необходимость заставляет переходить к процедурам памяти-цеха. Не во всех 1таких 0случаях это ярко выражено. Можно упомянуть два наиболее показательных примера.

В фенологии и биологической систематике, в таксономическом анализе ^[25], имеющих дело с громадными совокупностями слабо различимых друг от друга объектов, сделаны попытки накапливать и запоминать лишь признаки всего семейства объектов (обычно помещаемые в определители видов и подвидов), а к имени объекта (латинскому названию) подходить отвечая на серию вопросов о наличии/отсутствии того или иного признака у отловленного экземпляра. Если в результате цепочки таких «вычислений» конкретное имя получить не удалось, значит отловлен представитель нового вида/подвида/трибы… В этих науках продолжаются исследования, направленные на построение целостных вычислимых моделей отдельных видов, родов, классов, семейств, одним словом, — «образцов» растительного и животного мира — так называемых «таксонов».
В практике чертёжного хозяйства постепенно установилась ситуация, при которой из-за дефицита помещений отказались от хранения всей совокупности чертежей по всему гомологическому ряду типовых проектов зданий, сооружений, машин и т.п. Вместо этого по мере возникновения потребности, набор чертежей по данному типовому проекту воссоздают заново, пользуясь техникой копирования и системой методов плоскостного макетирования:

— фотомоделей,
— чертежей-заготовок,
— аппликаций,
— наклеек,
— магнитных (прозрачных) темплетов и т.п. ^[26].

Мы видим, что идея памяти-цеха не столь уж парадоксальна и эксплуатируется в жизни, хотя и в зачаточной, не всегда осознаваемой форме.

Простейший «цех», демонстрирующий бесконечное разнообразие, — это обычный детский калейдоскоп. Не зная, что такое калейдоскоп и находясь под давлением примата памяти-склада, специалист по «проблемам информационного поиска», пожалуй, будет в затруднении, пытаясь оценить «объём памяти» этого устройства. Он скажет, что это устройство с очень большим, а скорее даже бесконечным объёмом памяти, так как орнаменты его идут не повторяясь. Но., конечно, он обязательно скажет, что неясно назначение этой «ИПС», так как образы, которые «вспоминает» калейдоскоп, на его взгляд, ни к чему не привязаны в реальной практике.

Действительно, орнаменты калейдоскопа не обладают значимостью. Так уж он устроен. (Разве что для художника по узорчатым тканям он может быть чем-то полезен). Образы калейдоскопа и вправду лишены конструктивного значения, благодаря которому память, собственно, и выполняет свою функцию полезности в экономии мышления. Кроме того, если бы образы, порождаемые каледоскопом, даже и имели бы значимость, то полезность их была бы сомнительной, так как они появляются случайно без увязки с какой бы то ни было деятельностью, которую память по самой своей сущности должна обслуживать.

К-структура на семейство машин весьма подобна многоуровневому калейдоскопу. Пока процесс построения её образов ничем не связан, не регламентирован, она будет порождать их безотносительно к данному конкретному процессу разработки данного конкретного образа замысла на данном шаге его преобразования. От памяти требуется спонтанный активный отклик — реакция на строение замысла, его эскиза. Весь вопрос в том, каким, насколько богатым и полезным может быть этот отклик.

Перед тем как начать использовать К-структуру как вспомогательное средство в процессах разработки замысла, надо решить задачу управления полной технологической памятью, строящейся на её основе.

Путь решения этой задачи управления памятью пролегает через обсуждение номенклатуры функций, которые память должна выполнять в процессе разработки замысла новой машины. В первую очередь, это функция отыскания множества прототипов. Вторая важнейшая функция – функция прогнозирования с целью минимизации собственных затрат на разработку (её по аналогии можно назвать функцией отыскания «прогнотипов». Хотя понятие «прогнотип» гораздо сложнее понятия «прототип». Отыскание прототипов и прогнотипов открывают путь решения многочисленных задач, связанных с «методом аналогий и гомологий» и «тактикой разумного эгоизма». Эти методы и решаемые с их помощью задачи направлены на выработку больших объёмов (но ограниченно-достоверных, гипотетических!) проектно-технических знаний.)

Важное место среди функций памяти занимает функция регулярной работы с ограничениями, в многочленную совокупность которых должен «вписываться» образ замысла. Ну и, несомненно, важную роль играют самостоятельные (автономные) служебные функции памяти, связанные с задачами оптимизации замысла по тем или иным критериям (целевым функциям конструирования).

В главе «Задачи оптимизации» подробно обсуждён регламент взаимодействия коллектива конструкторов с ПТ-память на базе К-структуры в режиме так называемой сопряжённой оптимизации, когда интуитивный выбор причудливо (но закономерно!) переплетается с численной оптимизацией, а ПТ-память работает в режиме комментария (оперативной оценки результатов проводимой интуитивной оптимизации). Регламент работы при осуществлении других из выше перечисленных функций памяти для своего выяснения требует специального обсуждения, специальных постановок и отдельных исследований, которые лишь упомянуты в данной работе.

2. Память-цех на базе К-структуры характеризуется тем, что в ней проходит не поиск образа, а его многоуровневая сборка, и поэтому приходится обсуждать не «проблемы сбора, хранения и переработки информации», а например, следующие проблемы:

— проблема выделения оснований для процесса ответного построения образа («реакция образом на образ»);
— проблема экономных и быстрых вычислительных процедур построения образа;
— проблема равновесной буферизации фрагментов, часто повторяющихся в оперативно воссоздаваемых ответных образах;
— проблема комфортности режима комментария и предъявления ответного образа разработчикам замысла;
— проблема сочленения изображения с контекстуальным (фактографическим) значением этого изображения:
— проблема построения конкретно-исторического обрамления (фрейма, контекста) изображения (когда, кем, где, в каких количествах реализована конструкция или есть ли составной прототип для образа замысла, 0каков он, как вели себя проторешения и т.п.)
— проблема прогностического обрамления (фрейма, контекста) изображений (какой фирмой, когда, где и с какой вероятностью будут реализованы части изображенной конструкции; будут ли доступны технологические ленты? Удастся ли выгодно приобрести лицензии? В каких отраслях и каков будет спрос на изделие с проектируемыми характеристиками? И т.п.)
— проблема ситуационного обрамления (фрейма, контекста) (кто, где в каких объёмах и по каким стандартам выпускает данный комплектующий блок изделия? Где, кем и как успешно были применены комплектующие блоки? Каков темп выпуска комплектующих? Каковы возможности увеличения объёмов выпусков в случае размещения заказа на производство данного блока? Сколько машин данного состава можно будет ремонтировать в единицу времени при максимальном напряжении ремонтных заводов? И т.п.)

Все эти проблемы должны решаться в силу того, что таковы естественные «информационные потребности» разработчиков при формировании замысла. Принимая решение о разработке новой машины руководитель и разработчики должны знать какие возможности («моральные ресурсы») заключены в производстве старых образцов.

Образ, который собран из материала, взятого в ПТП, будет содержать хорошо заметные пробелы в области элементов значений, если по ним не поступали исторические, отчётные, либо прогностические данные. Память-скалд при всём желании не может обеспечивать подобного «побочного» («картографического») чрезвычайно полезного свойства предъявляемых ею образов.

Определение: Полной технологической памятью будем называть комбинаторную структуру (базу памяти), пополненную данными обо всех элементах поведения конструкций, существенных для выбора замысла, — плюс систему процедур, обеспечивающих сборку и стыковку изображений и значений и синхронный комментарий по поводу действий конструктора на каждом шаге преобразования образа замысла.

Литература

1. Бир С. На пути к кибернетическому предприятию. — В кн.: Принципы самоорганизации. Пер. с англ. М.: Мир, 1966. с 125.
2. Горанский Г.К. Автоматизация конструирования машин с помощью ЭЦВМ. — В кн.: Автоматизация умственного труда в машиностроении. Тр. науч. сессии отделения механики и процессов управления и научного совета по комплексной проблеме «Кибернетика». М.: Наука, 1969, с.50-67.
3. Бергсон А. Материя и память. — Собр. соч. СПб., пер. с франц. В. Базарова. Изд-во Семёнова, 1914, т. 2.
4. Смирнов Е.С. Таксономический анализ. Изд-во МГУ, М,: 1969.

Алфёров А.В. Механизация и автоматизация проектно-конструкторских работ. Изд-во «Энергия», м.: 1973.

Глава III. Задача оптимизации

4.1. Идея иерархии выбора решения в задачах конструирования

В ситуации, когда число вариантов конструкции необозримо велико, а сами варианты, сравниваемые попарно дают «непрерывный» спектр между неразличимостью и полным несходством, хотя и получаются путём комбинирования простых исходных элементов, следует найти и чётко определить метод «постепенного» выбора конструкции с заданными свойствами.

При этом метод должен обеспечивать выделение нужной конструкции без излишней работы внимания, то есть без построения и рассмотрения каких бы то ни было попутных бракуемых вариантов.

Чтобы пояснит сказанное обратимся к аналогии. Представим себе художника, который делает отдельно очень большое число окончательных карандашных рисунков, каждый из которых отличается от некоторых других лишь в деталях, но все они предназначаются лоя выражения одного и того же сюжета. Пусть завершив труд, художник выбирает тот из рисунков, который ему представляется наилучшим.

Очевидно на практике (и не только рисовальной) никто не поступает так расточительно. Сначала художник тонкими линиями намечает общую композицию (сверяясь с предыдущими этюдами-прототипами), затем он переделывает и уточняет только некоторые её детали и переходит к нанесению, казалось бы, внешне беспорядочной сетки линий, захватывающей чуть больше того, что будет той или иной деталью рисунка.

Добавляя и убирая длинные приблизительные штрихи, художник приходит к ситуации, когда можно начать более детальную штриховку заготовки рисунка. После штриховки принципиально возможен возврат на предыдущие уровни детальности/общности и даже исправление общей композиции. В конечном итоге художник проводит тончайшую растушевку рисунка и закрепляет его.

Из приведённых описаний видно, как постепенно проступает сущность будущего произведения и лишь в конце появляется итоговый вариант, — с самого начала один, без сопровождения множества «субоптимальных» рисунков.

Для усиления впечатления приведём несколько выдержек из книги А. Губера «Микельанджело» ^[27], характеризующих 1технику 0 работы скульптора.

… Микельанджело постепенно снимал «лишний» мрамор, извлекая из глыбы фигуру…… в своих стихах Микельанджело 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 её, придавая нужную форму и выделяя детали. Наконец последнийэтап — полировка…

Таким образом, в творчестве и технике работы как художника, так и скульптора ясно видна иерархия выбора: сначала грубая, а затем всё более тонкая отделка.

Эта иерархия есть проявление некоторой функции целесообразности, внутренне присущей технике художественного творчества. Если осмелиться предположить теперь, что методам технического творчества внутренне присуща примерно та же функция целесообразности, — некоторый резонный принцип экономии, — то надо разрабатывать метод иерархического выбора строения конструкции, который так же осуществлялся бы явно и давал бы в конечном итоге всегда один вариант и не вызывал к рассмотрению и парному сравнению менее удачные варианты конструкций.

Принимая это предложение, можно констатировать по аналогии, что для конструктора роль глыбы мрамора играет К-структура и построенная на её базе память. От неё «откалывают куски самой разной величины», когда вычёркивают из альтернативных линеек большинство альтернатив (в пределе — кроме одной) и вместе с ними нижележащие порождаемые ими комбинаторные подструктуры. В графической интерпретации этот процесс выглядит как остановка скользящих стрелок и разрушение альтернативных линеек.

Но пока процесс вычёркивания (остановки) не упорядочен каким-то организующим принципом, он будет похож на откалывание кусков мрамора наугад в надежде, что в результате всё-таки получится некое произведение искусства.

Чтобы это было не так, надо выделить в комбинаторной структуре некоторый базис, некоторую систему координат, которая позволяла бы осуществлять многоуровневую схему выбора с возможностью обратной связи между уровнями (возможностью как бы «брать ход назад» в процессе выбора).

Не углубляясь в сущность тнтеллектуального процесса технического творчества, надо дать конструкторам в руки ту «технику иерархии», которая так хорошо видна в работе скульпторов и художников.

Базисом, позволяющим осуществить иерархию выбора в К-структуре, является набор так называемых поясов альтернатив, которые определяются далее.

Литература

Губер А. Микельанджело. Государственное изд-во «Искусство», М.: 1953.

4.2. Пояса альтернатив как иерархические уровни выбора в задачах конструирования

1. Понятие поясов альтернатив проясняет внешние очертания механизмов творчества и оказывается наиболее подходящим основанием для построения простейших формальных моделей выбора вариантов конструкций. С помощью поясов альтернатив открывается то общее, что есть в любом творческом процессе — иерархия выбора.

Начнём с пояснений качественного характера.

Среди множества ситуаций локального выбора, в которые по ходу дела попадает конструктор, не все ситуации являются независимыми друг от друга. Первая группа ситуаций выбора лишь обрамляет лицо будущей конструкции. Вторая группа ситуаций, целиком определившаяся только после первого выбора, очерчивает «силуэт» конструкции, третья намечает структуру и т.д. При этом осуществление выбора в предшествующей группе существенно снижает свободу выбора (многообразие выбора) в следующей за ней, то есть имеет место ярко выраженная иерархия выбора.

После того, как выбор закончен, то есть определился каждый конкретный элемент конструкции, можно всегда проследить путь, который привёл к выбору именно данного элемента строения, а не какого-нибудь другого.

Этот путь есть всегда цепочка последовательного выбора. Пример одной из таких цепочек приведён в разделе «Комбинатораная структура».

Цепочка последовательного выбора, которая приводит к определению конкретной формы каналов охлаждения рабочей лопатки турбореактивного двигателя, показана на рис. 7. Это одна из цепочек последовательного выбора, интенциально возможная при постепенном определении элементов конструкции маршевой силовой установки самолёта вертикального взлёта и посадки. Дело не дошло бы до обсуждения формы каналов в теле лопатки турбтны, если бы мысль (внимание) конструктора ещё в начале цепочки склонилась бы к выбору поршневого двигателя ^[28].

Иерархия выбора и цепочки последовательного выбора наблюдаются в любой области машиностроения независимо от величины и сложности рассматриваемых технических систем. Пример цепочки последовательного выбора при определении элементов электровакуумного датчика механических премещений — механоторона — дан на рис. 7а. Содержательные данные об альтернативах заимствованы из работ ^[29-34].

Таким образом непосредственное рассмотрение примеров говорит о том, что в задачах конструирования иерархия выборов всюду действительно имеется.

2. Прежде чем дать точное определение поясов альтернатив, введём графические интерпретации (ортоглифы) введённых ранее понятий «дерево блоков», «альтернативная линейка», «комбинаторная структура».

Дерево блоков

Наряду с традиционным изображением дерева блоков, показанным на рис. 8а., будем использовать круговое изображение, показанное на рис. 8б. В нём уровни разбиения заменены на круги разбиения, а декомпозиция системы на блоки, таким образом, идёт от центра к периферии по кругам всё большего радиуса.

Как уже было определено, стопа поставленных друг на друга дисков есть ортоглиф альтернативной линейки. По мере выработки новых знаний, то есть изобретения всё новых блоков альтернативные линейки растут, так как добавляются альтернативы. Эту постоянную тенденцию линеек к росту отметим с помощью так называемой оси альтернатив, которую направим перпендикулярно плоскости декомпозиции.

9. В полученной системе координат, состоящей из оси альтернатив, основной плоскости декомпозиции и семейства параллельных ей плоскостей, построим наглядное изображение К-структуры.

Пусть задана альтернативная линейка, как стопа поставленных друг на друга дисков. Нижний диск «стоит» на первой плоскости декомпозиции, и для этого диска можно на этой плоскости показать (на кругах разбиения), из каких блоков он состоит (рис. 9.). Но альтернативы, составляющие второй, третий и т.д. «этажи» этой линейки, тоже требуют «расписания» их на подблоки.

Поэтому условимся проводить их декомпозицию в плоскостях, специально проведённых на соответствующих им высотах и параллельных самой нижней плоскости. Приняв эту условную «альтернативометрию», мы увидим, что К-структура легко переводится в обозримый образ, причём её построение сопровождается уступообразным подъёмом вверх, всё дальше от нижней плоскости и по радиусам на периферию.

Любая цепочка последовательного выбора при этом будет представлена восходящими уступами, как показано на рис. 10. Пример изображения К-структуры дан на рис. 11.

Установим соответствие между частями получившегося образа и строением списков в данных типа структура языка PL/I. Центральной вершине геометрического образа соответствует сам факт определения структуры оператором DECLARE. Объектам, помещённым на рисунке на первом круге разбиения, соответствуют все записи первого уровня структуры.

На втором уровне помещены все записи второго круга разбиения, независимо от строения уточняющих имён. Структура уточняющих имён задаёт связь между записями на кругах разбиения. На рисунке им соответствуют как фиксированные, так и скользящие стрелки, проведённые между элементами ортоглифа.

Теперь дадим точное определение поясов альтернатив, для удобства сопровождая его графической иллюстрацией.

Определение: Первым поясом альтернатив комбинаторной структуры назовём совокупность альтернативных линеек таких, что уточнённое имя каждой из них не содержит в себе отрезка, соответствующего уточнённому имени какой бы то ни было другой альтернативной линейки.

Определение: К-ым поясом альтернатив комбинаторной структуры назовём совокупность альтернативных линеек, таких что уточнённое имя любой из них содержит как подстроку (К-1) и только (К-1) уточнённых имён альтернативных линеек других поясов альтернатив.

Поясним это на графической модели. Двинемся от центральной вершины наглядного образа комбинаторной структуры. Будем двигаться по некоторому простому пути (без возвратов) в направлении линии деталей. Каждый такой путь обязательно будет цепочкой последовательного выбора, то есть вдоль неё встретиться последовательность альтернативных линеек.

Будем нумеровать встречающиееся линейки по простейшему правилу: первую встретившуюся — номером 1, вторую — 2, третью — 3 и т.д. Так как из центральной вершины К-структуры в любую другую пролегает всего один простой путь, то независимо от порядка перебора простых путей, каждая линейка альтернатив получит свой номер однозначно.

Теперь приведённые выше определения можно интерпретировать следующим образом: первый пояс альтернатив — это совокупность линеек, которые получили номер 1, линейки второго пояса помечены номером 2 и т.д.

На рис. 12 дана символическая иллюстрация понятия поясов альтернатив. На рис. 7. дана условная 1содержательная 0иллюстрация этого понятия.

Введём специальный вид комбинаторных структур, которые мы будем называть плотными.

Определение: Комбинаторная структура называется плотной, если её пояса альтернатив совпадают с её уровнями.

В наглядном изображении К-структуры это соответствует тому, что пояса альтернатив совпадают с кругами разбиения.

Любая К-структура может быть специальной процедурой приведена к плотному виду. Графическая иллюстрация уплотнения структуры произвольного вида дана на рис. 13. Смысл процедуры ясен из пояснительных надписей к рисунку. В дальнейшем изложении будем рассматривать только плотные К-структуры. Наглядное изображение плотной К-структуры дано на рис. 13а.

3. Сделаем теперь несколько замечаний по поводу физической интерпретации поясов альтернатив, которую конструкторы вырабатывают стихийно, неосознанно усваивая эту сторону достижений в своей предметной области.

Если конструктора попросить дать определение, например, самолёта, то чем собраннее он подойдёт к такой просьбе, тем подробнее будет освещать в своём ответе, какие бывают самолёты, их агрегаты, блоки и узлы. Он в любом случае сделает попытку заменить «точное определение» самолёта обширным описанием семейства самолётов.

Конструктор при этом, почти определённо, не даст ни одного полного описания ни одной конструкции, но подробно осветит варианты компоновки планера, силовой установки, высотного оборудования, специального оснащения и т.п. Его понимание сущности самолёта с помощью понятия альтернатив будет передано как общий взгляд на семейство систем.

Вот что говорит по этому поводу основатель морфологического конструирования Ф. Цвикки: «…В имеющейся литературе трудно найти удовлетворительные определения таких хорошо известных устройств, как насосы, электрогенераторов, телескопы и т.д. Точное определение таких кажущихся простыми устройств, как сопло, оборачивается наиболее трудной задачей, и я сомневаюсь, удастся ли справиться с этой задачей даже объединёнными усилиями здравого смысла и изощрённых познаний любой группы людей.»

Когда на практике конструктор работает с понятием, например, «крыло», его профессиональная уверенность опирается не на то, что он знает «раз и навсегда», что такое крыло. Напротив, она основана на неполном во всякий данный момент знании, на категориальной неоднозначности языка, на способности конструктора воображать и предвидеть, на его готовности конкретизировать «до конца неуловимую сущность крыла» ровно настолько, насколько этого требует конкретная решаемая задача конструирования.

Таким образом, мгновенного и окончательного понимания сущности крыла (как и любой «функции» в конструировании) не существует, но существует другой — «функциональный образ», способствующий продвижениям в понимании, насколько этого требует задача.

Возможность и способность конкретизировать, уточнять до мельчайших деталей образ и, наконец, перейти к нему как к физическому объекту (который можно испытать уже не мысленно, а экспериментально) — вот что придаёт профессиональную уверенность. Конструктор работает с образами и понятиями. Его профессиональный опыт частично «конденсирован» в технических терминах, даже словах. Хорошего специалиста характеризует ясность понимания терминов своей области. Но что значит тут понимание?

В алгоритмическом языке В.Ф. Турчина «РЕФАЛ» даётся, на первый взгляд, удовлетворительный ответ на этот вопрос: «…что значит понимать слово? Понимать абстрактное понятие — значит уметь его конкретизировать в каждой заданной ситуации; понимать сложное понятие – значит уметь свести его к ряду более простых. И то и другое означает замену языкового объекта, занимающего более высокое положение в языковой пирамиде, на ряд объектов, занимающих в ней более низкое положение. Эту операцию мы будем называть конкретизацией языкового объекта… Операцию конкретизации можно также определить как момент перехода от имени к значению.» ^[35].

Практические наблюдения показывают, что конструктор в задачах конструирования новой машины делает свой выбор дедуктивно, постепенно конкретизируя понятия, с которыми он в данный момент явно (или на совсем осознанно) работает.

Но так или иначе, окончательный выбор строения конструкции можно трактовать так, как будто он произошёл последовательно: сначала фиксировали некоторые позиции в первом поясе альтернатив, затем — во втором, третьем и т.д. вплоть до полной определённости объекта. Картина и будет такой, если не допускать известной неравномерности конкретизации. Можно условно утверждать, что остановиться на конкретном объекте не удастся, не проходя все пояса альтернатив на пути конкретизации. Такая точка зрения удобна для понимания так называемых процессов стенографирования действий конструктора.

Учитывая сказанное выше, можно утверждать, что когда происходит процесс последовательного выбора, понятия претерпевают многоступенчатую конкретизацию от пояса к поясу.

При этом в поясах альтернатив последовательно снимается неопределённость по поводу того, какие конкретные физические процессы будут вызваны к жизни в материальной оболочке системы, каково будет её поведение.

Представляет интерес хотя бы в общих чертах качественно обсудить, какую долю в снятии этой неопределённости вносит выбор в каждом поясе альтернатив, и как эта доля зависит от номера пояса.

Легко видеть, что основной выбор физических процессов, которые предполагается вызвать в материале системы, оказывается определённым уже после выбора в первом поясе альтернатив. Например, тип силовой установки самолёта определяется в первом поясе альтернатив, путём выбора среди:

— поршневой,
— турбовинтовой,
— прямоточной пульсирующей реактивной,
— ядерной,
— ядерно-электрической,
— турбореактивной

Выбрав одну из этих позиций, можно там самым выбрать только центральный рабочий (физический) процесс силовой установки. Этим определяется физика явления, но не конкретные черты установки.

Итак, после выбора в первом поясе альтернатив определяется список конкретных физических процессов, взятых в качестве основных рабочих процессов. Что касается выбора вспомогательных рабочих процессов, то он ещё совершенно неясен, более того, для выбранных основных процессов по этой причине не ясна даже схема их связи в будущей архитектуре системы.

Содержательная иллюстрация этого обстоятельства дана на рис. 14. на примере выбора вариантов основных процессов МГД-генератора. Показано, что при том же составе (списке) процессов магистральный цикл потока (или «принцип действия») может быть устроен двумя разными способами.

На самом деле из-за недостатка места не показаны ещё четыре возможных схемы магистрального цикла. Ясно, что в каждом из шести случаев последующее «материальное» облачение выбранной схемы будет разное, может быть до такой степени, что неискушенный наблюдатель не сможет впоследствии даже занести их в разряд однотипных энергетических установок.

Следующий за этим выбор во втором поясе альтернатив имеет более прикладной характер. Он приводит к тому, что под процессами, выбранными в первом поясе, выстраиваются группы функционально подчинённых им процессов (рис.15.).

Третий и последующие акты выбора достраивают и завершают пирамиду процессов, которые предполагают вызвать в материале системы при реализации основного функционального процесса, ради которого машина и мыслится.

При построении замысла конструктор пользуется «идеальной» расчётной физикой, в которой не учитывается и специально отбрасывается бесконечно сложная сущность реальных объектов, которые будут поставлены на место мыслимых. Вместе с замышляемой пирамидой процессов в конструкцию будут привнесены («прорвутся» в неё помимо воли конструктора) и нецелевые, но весьма значимые процессы, которые проявят себя при испытаниях реального образца.

Действительно, так как именно такую систему ещё никто не создавал, элементы её поведения не известны до конца. Среди них могут оказаться как неожиданно и радикально полезные, так и катахрезные. Но большинство будут нейтрально-сопутствующими.

Выполнив свою роль в составлении замысла, конструктор, следовательно, должен уступить место специалистам-испытателям. Экспериментальный образец системы не во всём подчиняется той «идеальной» физике, которая была уместна, когда делался выбор, скажем, в первом поясе альтернатив.

Мы видим, следовательно, как при мысленном продвижении от первого пояса альтернатив сначала возрастает, а затем убывает вклад конструктора в состоятельность замысла, как падает роль спекулятивной физики, и постепенно нарастает значимость суждений и процедур, проводимых не изобретателями, а экспериментаторами, испытателями, экономистами, а то и вовсе — статистиками.

Так, например, во время ВОВ поступили сведения, что самолёты Лавочкина во фронтовых условиях «не добирают» в скорости 72 км/час против заявленной. Нависла угроза репрессии.

И только фронтовые статистики спасли положение, систематизировав и взвесив (по вкладу в снижение скорости) ряд отнюдь не конструктивных причин (полёт с выпущенным шасси, неправильная регулировка подачи масла, неплотно закрытый фонарь кабины, утраты крышек смотровых лючков и т.п.), которые понемногу ухудшали аэродинамику полёта, но в сумме давали ощутимый эффект.

С другой стороны следует подчеркнуть и то очевидное обстоятельство, что исследователи и только они открывают принципиально новые процессы и эффекты, вообще, и непредвиденные физические процессы в конструкции, в частности, то есть поставляют конструкторам новый материал для осмысления и использования в высоких поясах альтернатив.

В заключение можно сказать в грубом приближении, что первым и последним поясами альтернатив занимаются по существу профессионалы, умеющие исследовать поведение систем, тогда как всеми промежуточными поясами альтернатив заняты специалисты, умеющие вызывать, создавать желаемый тип поведения, уменьшать и увеличивать параметры отдельных частей общего процесса в конструкции. Они вызывают нужный (требуемый) процесс и тем создают то, чего в истории природы ещё не было ^[37].

Литература

1. Пономарёв Б.А. Двухконтурные турборективные двигатели. Ордена Трудового Красного Знамени Военное изд-во Министерства Обороны Союза ССР, М.: 1973.
2. Берлин Г.С. Электронные приборы с механически управляемыми электродами. М.: «Энергия», 1971.
3. Лебединский М.А. Технология электровакуумного производства. Госэнергоиздат, М.-Л.: 1961.
4. Семёнов Ю.А. Производство подогревателей катодов электровакуумных приборов. Госэнергоиздат, М.-Л.: 1962.
5. Блискунов Н.А., Каменецкий И.Я. Технология производства электровакуумных приборов. Госэнергоиздат, М.-Л.: 1959.
6. Спаи стекла с металлом. Электровакуумное производство. М., СР, 151.
7. Кауфман М.С. и др. Производство спиралей, сеток и вводов электровакуумных приборов. М.-Л.: 1962.
8. Программирование на языке РЕФАЛ. I. Неформальное введение в программирование на языке РЕФАЛ. Препринт No 41 за 1971г. ИПМ АН СССР.
9. Kesselring F. Technische Kompositionslehre. Anleitung zu tech nisch-wirtschaftlichem und verantwortungs-bewusstem Schaffen. Berlin, Springer Verlag, 1954.

Адамар Ж.С. Исследование психологии процесса изобретения в области математики. М.: Сов радио, 1970.

4.3. Пополнение К-структуры данными о комбинантах

После того, как определены пояса альтернатив, данные о комбинантах получают возможность своей естественной организации. По поводу запретов (как систематического изображения катахрез) наступает полная ясность. В самом деле, естественно было бы предположить, что эти данные должны рассредоточиться в виде независимых групп в соответствии с поясами альтернатив. Если этого не сделать,, то перебирая потенциально запретные пары альтернатив, пришлось бы просматривать огромное множество пар, попросту бессмысленных, физически совместно невообразимых. Непосредственная проверка показывает справедливость этой ментальной установки (предположения).

Действительно, само строение К-структуры таково, что не для каждой пары альтернативных линеек надо осмысливать и определять комбинантность. Например, как показано, на рис.16., вовсе не надо определять комбинантность для тех пар альтернатив, которые в силу строения К-структуры никогда не попадут одновременно в 1 рамки 0 одной конструкции. Если допустить к рассмотрению такие пары, то пришлось бы то и дело рассуждать о возможности или невозможности «некоторой квадратности круга». Точно так же оказывается тривиальной матрица комбинант для тех пар линеек из двух различных поясов альтернатив, между которыми имеется простой путь, ведущий от верхней к нижней через некоторое число поясов. В этом случае о комбинантности рассуждать нечего, так как «вопрос уже решён наверху».

Таким образом, остаётся определять только комбинанты на смысловых пересечениях линеек альтернатив только одного и того же пояса и то — лишь в локальных группах. Грубо говоря, чем ниже пояс альтернатив, тем больше в воображаемой блочной матрице его совместимости блоков, принципиально закрытых для обсуждения. Их бессмысленно означивать чем бы то ни было, даже нулями. Матрица оказывается всё более блочно-разреженной.

Теперь представим себе, что комбинанты с самого начала определены как отдельные блоки в матрицах совместимости каждого пояса альтернатив. Эти матрицы формально введём следующим образом. Пусть в k-ом поясе альтернатив имеется m линеек a_i и в каждой линейке — имеется l(i) альтернатив.

Тогда можно построить блочную матрицу С^(k)_ij/kl размерами m x m блоков и суммарным размером S l(i). В этой матрице в допустимых для смыслового сравнения блоках на скрещении строки и столбца пары альтернатив проставляется символ «1», если альтернативы совместимы и — «0», в противном случае. Так будут определены парные комбинанты для допустимых пар альтернатив данного пояса.

Рассмотрим теперь случай, когда альтернативные линейки в паре взяты из разных поясов альтернатив. Покажем, что соответствующие матрицы вообще определять не надо. Для этого рассмотрим весь набор матриц, выстроив их по возрастанию номера пояса альтернатив.

Легко видеть, что если в некоторой клетке стоит 0, то это «индуцирует» равенство нулю всё более обширных блоков в матрицах нижележащих поясов альтернатив, и эта «индукция», осуществима алгоритмически (программно, — если речь идёт о базе данных по комбинантам). Это обстоятельство иллюстративно показано на рис.17. как «пирамида» матриц совместимости. При продвижении от вершины этой пирамиды к основанию можно заметить, что показатели соместимости могут лишь ухудшаться. Это значит, что разрешение комбинировать в рамках одной конструкции блоки из двух данных классов не распространяется на всех представителей из взятых классов, а последовательно уточняются в плане появления дополнительных частных запретов в матрицах нижележащих поясов. От пояса к поясу суммируются запреты всё более частного и мелкого характера.

Таким образом, нет необходимости определять комбинантность в «межпоясных» матрицах, если любые сведения о совместимости можно с таким же успехом в несколько приёмов (по числу разделяющих их поясов) записать максимально экономно в матрицах совместимости всех заключённых между ними поясов.

Как было условлено ранее, мы рассматриваем лишь полные К-структуры. В структурах этого вида данные о комбинантах легко записываются после того, как они «расслоились» в группы по поясам альтернатив. Поскольку в плотных К-структурах уровни и пояса альтернатив совпадают, условимся записывать матрицу совместимости данного пояса альтернатив «там же», где записаны имена позиций (вершин) данного пояса. Соответствующая запись должна быть записью младшего уровня в узле той альтернативы сравниваемой пары, у которой индекс лексикографически «меньше». Соблюдение этого условия упрощает алгоритмы расчётных программ и, кроме того, позволяет избежать избыточности, так как для простоты мы не акцентировали до сих пор внимание на том, что блоки во всех матрицах совместимости являются симметричными в силу симметричности самого отношения комбинантности. Таким образом автоматически будет запоминаться только наддиагональный «блочный треугольник».

Отдельная запись-блок матрицы совместимости в данном так определённом «адресном узле» может быть оформлена самыми разными способами в зависимости от возможностей конкретного языка программирования в плане представления структур данных. Это может быть, например, двумерный массив или массив битовых строк.

Кроме того она при известных размерах может быть задана простым перечислением номеров клеток, содержащих нули, или запреты, если в матрице мало нулей, или наоборот, — перечнем номеров клеток, в которых стоят единицы, если запреты занимают значительно больше половины клеток матрицы.

Между этими двумя способами представления может иметь место «локальная эстафета», если по мере разрастания матриц принципиально меняется суммарный характер заполненности их нулями. Критерий определения момента эстафеты и алгоритм реорганизации данных при её осуществлении представляются тривиальными.

Может быть предложено много других эквивалентных способов представления матриц совместимости. Представление в виде массивов битовых строк наиболее удобно для написания текстов программ.

4.4. Пополнение К-структуры данными для вычисления значений целевых функций

Изменения образа замысла разработчики предпринимают под влиянием тех или иных оценок, которые они делают по поводу будущей машины. Способность вообразить устройство и поведение будущей машины — отличительная черта хорошего конструктора. Эта щедрая способность плохо исследована, но она — самый крупный камень в фундаменте человеческой цивилизации.

Итак, представляя замысел как бы уже осуществлённым, конструкторы делают оценки с помощью воображения, аналогии или расчёта. Интуитивно «прикидывают», выискивают положительные и отрицательные показатели поведения будущей машины. Они как бы экспериментируют со сложным объектом, который пока не существует как и все его мысленные попутные модификации. Большинство из них так и не будут осуществлены.

Практика машиностроения пока не располагает возможностями и способностями строить для каждого семейства техники уникальную целевую функцию, то есть такую функцию, которая с исчерпывающей полнотой характеризовала бы конструкцию, не привлекая других показателей.

Кроме того, наблюдая совместную работу конструкторов, легко заметить, что различные многочисленные показатели качества конструкций поочерёдно становятся предметом внимания при обсуждении. В связи с этим было бы несомненно полезным обеспечивать «в параллель» непрерывный процесс вычисления всех таких показателей, с тем чтобы на каждом шаге преобразования замысла совокупность показателей тут же пересчитывалась и подкрепляла интуитивные представления и образы в мышлении конструкторов. Необходим более или менее точный попутный расчёт.

Для того, чтобы хотя бы наметить выполнение этой задачи, необходимо предусмотреть в обсуждённой нами Т-памяти запоминание исходных данных для вычислений.

Опираясь на результаты работ Орлова и Кессельринга ^{[38, 39]}, следует заключить, что необходимо запоминать данные для расчёта, по меньшей мере, 100 различных показателей (целевых функций). Эта задача организации данных для расчёта решается аналогично уже обсуждённой задаче запоминания матриц совместимости.

Условимся для этой цели определять при задании плотной К-структуры в каждом её узле кортеж, например, ста целевых функций, то есть фактически в каждом поясе альтернатив. При этом, естественно, запись, содержащая этот кортеж всегда не должна иметь подчинённых ей записей, то есть ветвление на ней закончено.

Когда конструкторы делают свой выбор, сервисное программное обеспечение в автоматическом режиме реагирует на них, рассчитывает значения всех целевых функций и предъявляет их либо выборочно по требованию, либо в виде сигналов, о том, что те или иные показатели вышли за пределы установленных пороговых значений. Такая работа позволяет проводить так называемую сопряжённую оптимизацию, в процессе которой органически переплетается интуитивная и численная оптимизация образа замысла.

Архитектура и кинематика этого процесса обсуждается далее на частном примере аддитивных целевых функций.

Литература

Орлов П.И. Азбука конструирования. Оборонгиз — 1941.
F. Kesselring. Bewertung von Konstruktionen. Dusseldorf — 1951.;

4.5. Формализация и решение задачи Цвикки

1. Основатель морфологического метода конструирования Ф. Цвики предложил простейшую (но всё ещё почему-то мало популярную) символику, с помощью которой можно «стенографировать», как проходил процесс работы с альтернативами во время того или иного конкретного эпизода технического творчества ^[15].

Полагая, что техническая система должна выполнять К различных функций, он ввёл морфологическую таблицу с К столбцами, рис. 18. и в каждом столбце перечислил все известные на данный момент способы осуществления соответствующей функции.

Получаемые из таких таблиц массивы данных (которые уже трудно вычерчивать и содержать как таблицы) с перечисленными в них альтернативными способами материального воплощения блоков технической системы

Цвикки предложил называть морфологическими ящиками.
При этом он использовал метафору библиотечного каталожного ящика: выдвижная коробка ящика «собирает» сведения об одной и только одной функции изделия, а на каждой «карточке» в данной коробке описан один и только один вариант реализации функции. Чтобы получить описание некоторой конструкции, надо из каждой коробки извлечь одну карточку. К карточек, читаемые подряд дают представление о некой функционально компоновочной идее, которая может оказаться неожиданной и плодотворной. Это не исключает случая, когда она может оказаться просто вздорной и абсурдной.

Некоторым эта метафора не нравится из-за слова «ящик». Невольно приходят на ум «сыграть в ящик», «положить в долгий ящик», что навевает мысли о могилах и кладбищах и т.п. Ну и что!? Так ведь и вся жизнь — дорога к кладбищу. Вполне даже приемлемая метафора!

Морфологический ящик содержит смысловой понятийный материал для описания как уже известных, так и возможных, замышляемых конструкций. Если надо описать некоторую конструкцию, то на морфологической таблице обводят кружками те альтернативы, которые в ней применены (или будут применены!). Соединив отмеченные так альтернативы соседних столбцов отрезками прямой, получают некоторый «многозвенник» – графическое представление «связки идей».

Когда конструктор формирует образ замысла, можно на каждом шаге регистрировать состояние этого образа как некий многозвенник или несколько пока разрозненных многозвенников. При желании конструктор может и сам регистрировать свои действия по изменению замысла подобным способом.

Если в ходе преобразований замысла «всплыли» ранее упущенный при составлении таблица альтернативы или попросту изобретены новые, то их вносят в столбцы таблицы, которые таким образом открыты для наращивания. С метафорой ящика дело ещё проще — в коробки добавляются новые карточки.

Так как новых (ещё никем не рассмотренных) комбинаций в ящике обычно во много раз больше, чем уже рассмотренных, известных и осуществлённых, то конструктор может пользоваться им (ящиком!) как вспомогательной понятийно-графической смысловой опорой, удобно организующей работу с альтернативами. Он может рассматривать новые комбинации, оценивать с помощью своего воображения (уподобления) их реализуемость и полезность.

Но при больших К, по мере роста числа альтернатив в столбцах (числа «карточек» в «коробках») такая работа с альтернативами становится непродуктивной, так как множество комбинаций, которые надо рассмотреть, вообразить и обдумать растёт слишком быстро и становится необозримым. Кроме того, часто попадаются абсурдные комбинации, именно осмысливание абсурдности которых начинает раздражать.

В связи с этим возникает потребность автоматизировать перебор комбинаций и предъявлять конструктору для интуитивной оценки лишь неабсурдные и наиболее перспективные (в строго определённом смысле) комбинации.

Чтобы исключить в задаче Ф. Цвикки просмотр заведомо бессмысленных комбинаций С. Элюким и А. Холян предложили использовать некоторый «фильтрующий» формальный механизм, основанный на уже рассмотренных нами матрицах совместимости. Допустимость сложной комбинации альтернатив можно контролировать, например, вычисляя произведение тех элементов матрицы, которые стоят на скрещении строк и столбцов альтернатив, включаемых в проверяемую комбинацию. Факт обращения произведения в нуль означает, что в выборке альтернатив (комбинации) имеется, как минимум, одна пара физически несовместимых в теле одной конструкции альтернатив.

Заметив, что морфологический ящик Ф.Цвикки является частным случаем плотной К-структуры, когда она содержит всего один пояс альтернатив, перейдём к формальной постановке «задачи Ф. Цвикки» и разработке метода её решения, опирающегося на некоторые простые результаты из теории графов. Справедливо, однако, будет заметить, что К-структура в действительности была разработана на пути многоступенчатого обобщения идеи морфологического ящика Ф. Цвикки.

2. Обозначим через A_ij альтернативу блока конструкции, показанную в i-ом столбце морфологической таблицы под номером j. Обозначим также:
V — некоторую произвольную выборку, подмножество альтернатив из морфологической таблицы;
Р(V) — значение некоторой целевой функции Р на множестве альтернатив V;
p_ij = P(A_ij) — значению целевой функции на выборке, состоящей всего из одной данной альтернативы A_ij.

С_ij/kl — элемент матрицы парной совместимости, соответствующий паре альтернатив A_ij и A_kl.

{X_ij}v — наборы булевских переменных для осуществления выборок (выбирающая переменная) из морфологической таблицы. Так, если альтернатива A_pq вошла в выборку V, то X_pq полагают равным 1. В противном случае X_pq = 0.

Пользуясь этими обозначениями, сформулируем задачу минимизации целевой функции Р на множестве конструкций. Потребуем, чтобы целевая функция была аддитивной, то есть

P (A_ij v A_kl) = p_ij + p_kl

Пусть дана произвольная выборка {X_ij} (i = 1..K; j = 1..l_(i)), тогда

P ({X_ij})= p_ijX_ij

Так как нас интересуют только выборки-конструкции, то естественно потребовать, чтобы

X_ij = 1

что соответствует тому, что из i — го столбца таблицы в выборку включена одна и только одна альтернатива.

Потребуем далее, чтобы выбор был сделан во всех столбцах морфологической таблицы, и чтобы все получившиеся пары альтернатив были одновременно допустимы матрицей C_ij/kl. Этому будет соответствовать следующее равенство.

C_ij_/_kl X_ijХ_kl = K

\085\

Теперь — сама задача оптимизации:

P({X_ij*}) = p_ij X_ij →min.

и при этом выполнены ограничения (a) и (b).

Таким образом получена (поставлена) формулировка задачи целочисленного линейного программирования с ограничениями специального вида.

Именно особенностями этих ограничений мы воспользуемся далее при разработке алгоритма решения этой задачи.

3. Переформулируем поставленную выше задачу Ф. Цвикки в терминах теории графов с тем, чтобы выяснить наглядный (зримый) смысл ограничений (a) и (b). Для этого сначала дадим ряд определений необходимых понятий.

1^о. Пусть задан неориентированный граф P(A,C), где A – множество вершин, а С — множество дуг графа. Подграф A_i графа Р назовём серией, если для любой пары его вершин (A_ik, A_ij) < A_i в Р(А,С) не существует соединяющей их дуги С_ik/ij = C(A_ik,A_ij) и, кроме того, ни один подгараф A<P и такой, что A_i<A, не обладает больше указанным свойством. Любой подграф a_i<A_i обладает указанным свойством и называется подсерией. Отдельные вершины подграфа A_i назовём, естественно, альтернативами. Число вершин подграфа A_i назовём длиной серии.

2^o. Подграф В графа P(A,C) будем называть агрегатом, если для любой пары вершин (A_ij, A_kl) < B всегда имеется соединяющая их дуга С_ij/kl и кроме того, ни один подграф К<P и включающий в себя В, больше не обладает указанным свойством.

Любой насыщенный подграф агрегата В будем называть подагрегатом. Число вершин в агрегате В будем называть модулем и обозначать его |B|. Это определение соответствует определению клики графа, принятому в работах ^[40] и ^[41]. Ясно также, что агрегат является насыщенным подграфом графа Р(А,С).

3^о. Граф Р(А,С), имеющий не меньше двух серий и не меньше двух агрегатов, будем называть 1 морфологическим графом, 0 если он не имеет изолированных вершин, а набор его серий {A 4i 0} является разбиением А на непересекающиеся классы, то есть A_i U A_j = 0 при i >< j и для любой вершины a<A найдётся одна и только одна серия А_k, такая что a<A_k.

Лемма 1. Пусть морфологический граф Р(А,С) имеет К серий и агрегаты, тогда модули агрегатов не могут быть больше К, то есть

|В| <= K

Доказательство: По определению, множество вершин морфологического графа разбивается его сериями на непересекающиеся классы вершин. Пусть имеется агрегат В. Обозначим множество его вершин через {В}. Можно записать, что

{B} = A_ij U A_kl U A_mn U A_pq… U A_rs; (g)

где A_ij < A_i; A_kl < A_k; …

Предположим, что |В| > K. Но агрегат, по определению, не может содержать более одной вершины из одной и той же серии, так как в противном случае он не будет насыщенным графом. Это значит, что в прямой сумме ( 7g 0) каждое «слагаемое» представляет лишь какую-то одну серию, и ни одна из серий не представлена более чем одним «слагаемым». Но тогда число слагаемых не больше К, что прямо противоречит предположению.

4^o. Пусть морфологический граф Р(А,С) имеет К серий. Агрегат, имеющий модуль |В| = К, будем называть конструкцией.

Морфологическому ящику, таким образом, однозначно поставлен в соответствие морфологический граф. Для этого достаточно отождествить серии альтернатив в столбцах морфологической таблицы с сериями графа и провести между вершинами дуги в соответствии со значениями элементов матрицы парных совместимостей. Дуга между A_ij и A_kl проводится, если С_ij\kl = 1, и не проводится в против ном случае.

Таким образом, матрица парных совместимостей трактуется как матрица смежности вершин получаемого морфологического графа ^[40]. Вершинам полученного графа припишем значения целевой функции Р. P(A_ij) = p_ij.

5^o. Величину P(B) = S S p_ij будем называть весом агрегата В. Аналогично определим вес конструкции.

После установления соответствия между морфологическим ящиком и морфологическим графом требования-ограничения (a) и (b) приобретают практически тривиальный зримый смысл. Требование (a) означает, что агрегаты имеют максимально возможный модуль, то есть являются конструкциями в определённом выше формальном смысле. Величина К² в правой части (b) есть не что иное, как число дуг насыщенного графа (включая и петли). Теперь поставленную ранее задачу целочисленного программирования можно переформулировать так: отыскать в морфологическом графе Р(А,С) конструкцию минимального веса.

Алгоритм L.0.

6^o. Назовём упорядоченную совокупность вершин агрегата В «именем» этого агрегата В и обозначим как {В}.

Лемма 2: Для построения имён всех агрегатов графа Р(А,С), имеющих модуль (k+1), достаточно иметь полный набор имён агрегатов графа Р(А,С), имеющих модуль k.

Доказательство: Обозначим агрегат В, имеющий модуль s, через B^s.

Пусть также задан полный набор имён подагрегатов {B^k_j}.

Образуем, пользуясь именами В^k_j, следующие символьные цепочки:

|{B^k_i1}| = k

|{B^k_i1} U {B^k_i2}| = (k+1)

|{B^k_i1} U {B^k_i2} U {B^k_i3}| = (k+1) (d)

|{B^k_i1} U {B^k_i2} U {B^k_i3} U {B^k_i4}| = (k+1)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

|{B^k_i1} U {B^k_i2} U {B^k_i3} U … … {B^k_i(k+1)}| = (k+1)

Если эти (k+1) равенств выполняются, и при этом все В^k_ij попарно различны, то составной символ в последнем из равенств есть имя агрегата, имеющего модуль (k+1).

В самом деле, предположим, что условия (d) выполнены, но граф B^k_i₁ U B^k_i₂ U B^k_i₃ U … … B^k_{i (k+1)}не является агрегатом, то есть в нём имеется пара вершин x и y, не соединённых дугой. Но поскольку все B^k_ij различны и |B^k_ij| = k, то среди них найдётся всего один, который не содержит вершину x, и всего один, который не содержит вершину y. Остальные же (k-1) агрегатов содержат как x, так и y. В таком случае наше предположение противоречит тому, что они являются насыщенными подграфами.

Пусть в графе Р(А,С) имеется хотя бы один агрегат модуля (k+1). Покажем, что существует набор (k+1) под-агрегатов модуля k, которые при объединении дают в сумме этот агрегат. Это утверждение очевидно. Достаточно удалить из этого агрегата поочерёдно одну из вершин, чтобы получился набор (k+1) подагрегатов модуля k, которые при объединении дадут исходный агрегат.

Следствие 1: Условие (d) является полным перечнем условий, проверяемых при работе алгоритма, составляющего имена агрегатов модуля (k+1) из имён агрегатов модуля k.

Следствие 2: Для порождения имён всех агрегатов модуля k морфологического графа Р(А,С) достаточно имён всех «агрегатов» модуля 2, то есть набора дуг (вместе с петлями!) графа Р(А,С) или же попросту — «содержимого» матрицы С_ij\kl.

Для имён подагрегатов любого модуля введём унифицированное представление с помощью данных типа «строка битов» ^[11]. Длину строки битов выберем равной числу вершин графа Р(А,С). Имя некоторого графа В будем представлять заполненным экземпляром битовой строки так, что если в агрегат входит вершина с номером g, то в g-ю позицию битовой строки записано значение ‘1’.

В приложении к работе дано описание алгоритма, который строит имена агрегатов, отправлясь от имён агрегатов модуля 2, то есть дуг.

Алгоритм условно назван как «Алгоритм — L».

При небольших К и малых длинах альтернативных серий задача Ф.Цвикки — задача поиска конструкции минимального веса может решаться с помощью L в два этапа:

— сначала построить все агрегаты модуля k,
— затем выбрать тот из них, который имеет минимальный вес.

При увеличении К и длин альтернативных серий такой способ решения быстро становится неприемлемым. Возникает необходимость в более эффективных алгоритмах, чем алгоритм L. Далее рассмотрен алгоритм, построенный на базе L и условно обозначенный как «Алгоритм — AL».

Алгоритм AL

Для простоты изложения условимся, что альтернативы в сериях упорядочены по возрастанию значения целевой функции, то есть

p_i1 <= p_i2 <= p_i3 <= p_i4 …

Предполагается, что при выделении в сериях подсерий этот порядок не нарушается.

Алгоритм AL состоит в том, что строится последовательность вложенных морфологических подграфов {P_i} графа P(A,C) такая, что переход от предыдущего графа к последующему сопровождается минимально возможным приращением суммарного веса вершин подграфа, и к каждому подграфу поочерёдно применяется алгоритм L. Конструкция минимального веса оказывается построенной в первую очередь и представляет собой глобальный минимум.

Поясним, как строится последовательность вложенных подграфов {P_i}.

Составим так называемую таблицу серий и разностей, показанную на рис 18.

В качестве первого члена последовательности морфологических подграфов рассмотрим подграф Р₁, множество вершин которого составлено из вершин подсерий A₁₁, A₂₁, A₃₁,… , A_K1, имеющих длину единица, вместе со всеми с инцидентными им дугами. Применив алгоритм L, можно проверить, не является ли уже комбинация {A₁₁, A₂₁, A₃₁,… , A_K1} решением. Если она не является решением, то перейдём к построению подграфа Р₂. Для этого рассмотрим столбец D¹₁₂, D²₁₂, D³₁₂,…, D^K₁₂ . Найдём наименьшую из этих разностей. Пусть ею будет, например, D³₁₂. Добавим тогда к множеству вершин Р₁ вершину А₃₂. Выделим из Р(А,С) подграф с получившимся множеством вершин (и дуг из С_ij/kl ) и обозначим его Р₂.

Применим к Р₂ алгоритм L. Если решение будет построено, то задача решена. Если решение не построено, то переходим к выбору графа Р₃. Для этого выберем множество К разностей, которое назовём окаймляющим. Это множество состоит из разностей между весами альтернатив, которые включены в Р₂ и являются самыми тяжелыми среди включённых, и весами самых лёгких альтернатив в каждой серии, не включённых в Р₂. В случае, показанном на рис.18 окаймляющим множеством оказалось { D¹₁₂, D²₁₂, D³₂₃.,…, D^K₁₂}

Снова отыщем наименьшую из разностей в окаймляющем множестве. Пусть это будет, например, D¹₁₂. Тогда присоединим к множеству вершин Р₂ вершину А₁₂ графа Р(А,С) вместе с инцидентными ей дугами. Полученный подграф и обозначим как Р₃ и применим к нему алгоритм L. Если решение не будет построено, то перейдём к отысканию подграфа Р₄. и т.д.

На рис 18. показана некоторая промежуточная ситуация в построении конструкции минимального «веса». Окаймляющим множеством в этой ситуации является множество {D¹₂₃, D²₁₂, D³₃₄,…, D^K₂₃.}

Приведённый итеративный процесс поиска допустимой комбинации минимального веса протекает так, что либо нет ещё ни одного решения, либо искомое решение содержится в первом построенном множестве конструкций. Таким образом, алгоритм AL представляет собой чередование двух процедур:

— построение очередного морфологического подграфа Р_i;
— применение к построенному подграфу алгоритма L.

В программной реализации алгоритма AL при переходе к следующему морфологическому подграфу последовательности {P4i0} используются (не строятся заново) все имена агрегатов, построенных при применении алгоритма L к предыдущему подграфу последовательности.

Это делает алгоритм существенно более эффективным. Далее при обсуждении процесса так называемой сопряженной оптимизации описывается алгоритм, который условно назван AAL. Этот алгоритм содержит алгоритмы L и AL в качестве вызываемых блоков.

Литература

Оре О. Теория графов. Пер. с франц. М., Наука, 1968.
Берж К. Введение в теорию графов. М.: ИЛ, 1960.

4.6. Задачи оптимизации на многоуровневых структурах

Пусть задана многоуровневая структура, соответствующая технологической памяти на некоторое семейство технических систем. Измеримые, например, аддитивные характеристики могут быть приписаны лишь тем смысловым элементам структуры, которые обозначают конкретные физические реалии-объекты. Ими могут быть детали, которые изготовляются как неделимые, зазоры, припуски. Им можно ставить в соответствие довольно длинные кортежи характеристик, среди которых важное место занимают:

— материалоёмкость детали (вес);
— трудоёмкость изготовления (включая энергозатраты);
— установленная стоимость детали (если есть возможность приобрести её как комплектующее изделие);
— габаритные размеры детали;
— и т.д.

Не проведя однозначного выбора, невозможно приписать никаких характеристик ни одному из сложных объектов, показанных в структуре.
В самом деле, например, вес любого составного блока становится известным лишь после того, как выбраны составляющие его детали и определён вес каждой из них.
Сказанное диктует простейшую но несколько парадоксальную на первый взгляд, логику выбора в ходе решения оптимизационной задачи на многоуровневой структуре:

— сначала выбрать комбинации деталей, дающие самые лёгкие соединения во всех «местах» комбинаторной структуры;
— затем выбрать комбинации этих полученных соединений, которые дают самые легкие узлы конструкций во всех «местах» структуры;
— после этого полученные узлы с приписанными им характеристиками скомбинировать в блоки, и «повсеместно» в структуре выбрать самые лёгкие блоки;
— далее комбинировать «повсеместно» полученные блоки, выбрав тем самым самые лёгкие агрегаты;
— и т.д.

Этот процесс выглядит как продвижение с младших уровней структуры на старшие по мере осуществление такого выбора, с передачей вычисленных значений физических характеристик и постепенным формированием выбирающей функции (или в «дуальных» понятиях — многоступенчатое отбрасывание в конкурсе альтернатив).

Благодаря большой разветвлённости комбинаторной структуры (средний модуль ветвления — 7) и максимальному числу уровней в пределах 30, такой процесс отличается быстрой сходимостью. При этом от уровня к уровню и в каждом «месте» К-структуры для расчёта применяется одна и та же процедура , построенная на базе описанного выше алгоритма AL.

Чтобы дать точное описание этого процесса численной поэшелонной оптимизации воспользуемся графическими иллюстрациями рис. и введём необходимые определения.

2. В плотных К-структурах легко обнаружить стандартный фрагмент строения, повторяющийся с некоторыми количественными различиями от уровня к уровню. На рис. 19. такой фрагмент выделен и назван «кустом».

Определение: Пусть страница С2 следует за станицей С1 (не обязательно непосредственно!) строго в смысле данного выше определения следования страниц. Группу записей, состоящую из одной записи на странице С1 и всех записей на странице С2, будем называть кустом, если все уточнённые имена записей на С2 содержат как от резок уточнённое имя названной записи на странице С1.

Примечание: Страница С2 не обязательно должна непосредственно следовать за С1. Между ними в цепи следований может стоять произвольное число страниц. В этом случае записи, составляющие куст, захватывают несколько уровней К-структуры.

Без ограничения общности и чтобы не загромождать обсуждение ненужными бесчисленными «глубокомысленными» оговорками (которые некоторые тик любят выдавать за сердцевину строгости) будем считать, что все младшие записи К-структуры находятся на одном уровне. В этом случае для наглядной иллюстрации рассуждений будет удобен рис.13а. Здесь показана К-структура с тремя уровнями или, что то же в данном случае, с тремя поясами альтернатив.

Алгоритм AAL

Рассмотрим алгоритм численной оптимизации в многоуровневой К-структуре, который условно обозначим как «алгоритм AAL». Основой этого алгоритма является приводимый ниже четырёхчленный итеративный цикл вычислений.

Определение: Запись старшего уровня данного куста будем называть корнем этого куста. Остальные записи данного куста будем называть кроной этого куста.

Пусть в каждом из кустов, например, третьего пояса альтернатив как то (например, с применением алгоритма AL) решена изолированно (без взаимного «межкустового» учёта) задача оптимизации некоторой целевой функции Р. Пусть также полученные значения «преданы» (приписаны соответствующим ячейкам кортежа целевых функций) в корень каждого соответствующего куста, то есть присвоены конкретным альтернативам второго пояса альтернатив. Ясно, что только теперь, в свою очередь, могут решаться с применением алгоритма AL оптимизационные задачи в каждом кусте второго пояса альтернатив.

Рассмотрим один из этих кустов. Пусть в его кроне стрелки остановлены наилучшим (в смысле целевой функции) образом, из допустимых матрицей совместимости второго пояса альтернатив. Легко заметить, что в полученном двухуровневом дереве на нижнем уровне имеются и пары альтернатив, принадлежащих разным кустам третьего (нижележащего) пояса.

Совместимость этих пар не учитывалась при решении на первом шаге оптимизации. Она принципиально на этом шаге не может быть учтена, так как неясно, попадут ли вообще они в рамки одной конструкции одновременно.

Однако теперь проверка совместимости может показать, что в этом дереве имеются пары альтернатив, запрещённые матрицей совместимости третьего пояса. В таком случае поступим следующим образом:

— зафиксируем (составной) куст, захватывающий два уровня и включающий в себя альтернативы, выбранные на втором шаге оптимизации. Корень этого куста есть позиция A4310 в линейке первого пояса альтернатив, а крона составлена из линеек кустов третьего уровня, альтернативные позиции которых попали в двухуровневое дерево, то есть { A _31.22.kl, A_431.11.ij}
— применяя алгоритм AL, решим задачу минимизации Р в выделенном так составном кусте. Когда стрелки будут остановлены, передадим значения Р , полученные из линеек третьего пояса 1 не в корень составного куста, а в те позиции { A _31.22., A_31.11.}, из которых непосредственно исходят остановленные стрелки. Тогда в кусте A_31.pq обновятся значения Р, присвоенные на первом шаге оптимизации;
— применяя алгоритм AL, решим для куста A_31.pq задачу минимизации повторно, учитывая внесённые поправки. Если выбор снова упадёт на позиции A_31.22 и A_31.11, то передадим полученное значение Р в корень A₃₁ составного куста. Если же выбор падёт на новый набор позиций, то образуем, используя их номера-имена, новый составной куст и повторим описанный только что цикл.

Этот локальный итеративный цикл будем повторять до тех пор, пока не удастся пометить корень куста A₃₁ значением Р, полученным на сочетании позиций, разрешённом как матрицей второго пояса, так и матрицей совместимости третьего пояса.

Проведя аналогичные вычисления, пометим значениями Р все альтернативы первого пояса. Решим задачу оптимизации в первом поясе, используя эти значения. Проверим на совместимость те альтернативные пары второго пояса, относительно которых не было ясно, попадут ли они в рамки полученного дерева.

Если имеются запреты, повторим описанный итеративный цикл. Завершив цикл, проверим на совместимость вновь появившиеся пары альтернатив третьего пояса. Если имеются запреты, то составим куст, захватывающий три уровня и проделаем итеративный цикл, в котором поправки значений Р будут передаваться в два приёма: сначала в линейки второго пояса, а затем после вычислений с помощью AL, — в линейки первого пояса.

Продолжим вычисления до тех пор, пока не получим комбинацию, дающую трёхуровневое оптимальное дерево, разрешённое матрицами совместимости всех трёх поясов альтернатив.

Определение: блок матрицы совместимости, соответствующий блоку совместимости альтернативных линеек, взятых из двух разных кустов, будем называть межкустовым блоком.

Перейдём теперь к описанию архитектуры и кинематики всего вычислительного процесса, предполагая вначале, что все межкустовые блоки в матрицах совместимости всех поясов альтернатив К-структуры тривиальны, то есть заполнены сплошь единицами, а значит не являются причинами возникновения итераций.

В этом случае процесс вычислений приобретает простой наглядный вид. Только поняв его, можно будет прейти затем к обобщённой кинематике процесса. Процесс выглядит так: на самом нижнем (k-ом) уровне (поясе) решаются локальные оптимизационные задачи в каждом кусте. Результаты решений передаются на непосредственно выше лежащий уровень, где, ясное дело, решается уже гораздо меньшее число таких задач. Результаты решения передаются в (k-2)-й пояс альтернатив, в котором решается как в третьем «эшелоне» всё та же оптимизационная задача в каждом кусте и т.д.

На многоуровневой К-структуре процесс этих вычислений будет выглядеть как «волна данных», проходящая с периферии (или снизу) К-структуры к её центру (или вершине). В последнем эшелоне расчётов (в первом поясе альтернатив) будет в завершение решена всего одна оптимизационная задача.

В случае же, когда межкустовые блоки матриц совместимости не являются тривиальными, наблюдается гораздо более сложная картина прохождения «осциллирующей» волны данных. При наличии итераций «волна данных», двигаясь от периферии к центру К-структуры, будет как бы отражаться от некоторых из поясов альтернатив, откатываясь на периферию и снова, несколько иным путём, продвигаться к центру, чтобы в конце концов, оставить в своём тылу односвязное дерево блоков с минимальным значением целевой функции Р.

Заметим специально, что «волновая картина» общего вычислительного процесса по существу не зависит от природы алгоритмов L и AL, а целиком определяется строением древовидного остова К-структуры и характером заполнения матриц совместимости.

Отличительной особенностью описанного поэшелонного расчёта в процессе численной оптимизации в многоуровневой К-структуре является возможность максимального распараллеливания вычислений. При расчётах на больших К-структурах, соответствующих сложным техническим системам, например, таким как летательные аппараты, экранопланы, подводные и надводные корабли, ракетно-космические средства, это позволит применять конвейерные многопроцессорные системы. Собственно говоря, здесь конвейерные процессоры найдут своё главное применение.

4.7. Диалоговая или сопряжённая оптимизация

Известные в настоящее время процедуры диалоговой оптимизации, например, обсуждаемые в работе ^[42], предполагают поочерёдную (эстафетную) работу человека и компьютера: конструктор де ставит задачу, затем вводит данные в компьютер, который находит оптимальное решение, соответствующее именно данной постановке и выдвинутой системе ограничений. Затем решение предъявляется конструктору, и он оценивает его пригодность из каких-то иных соображений.

Эти иные соображения стыдливо маскируют наше признание того, что любая формализация несовершенна, как бы мы ни старались. Итак, если решение по иным соображениям не подходит, то снова ставят задачу оптимизации, но при другой системе ограничений. Несовершенство формализации пытаются сгладить игрой на ограничениях.

Эту картину в оптимизационных задачах мы наблюдаем всюду. Итерации повторяют, пока не достигнут консенсус, то есть «единосмыслие» между конструктором и компьютером, хотя это художественная метафора и ясно, что наличие двух «сенсусов» здесь кажущееся: конструктор «примиряется» ведь сам с собой по данному «спорному вопросу».

О компромиссе здесь говорить было бы слишком большой натяжкой. По вопросам «обустройства» подобных, с позволенья сказать, эстафетных квазидиалогов ломается много копий, и зря.

Организация данных о семействе технических систем в виде комбинаторной структуры позволяет осуществлять принципиально новый и существенно более эффективный процесс совместной компромиссной оптимизации образа замысла, когда конструктор и компьютер работают параллельно и одновременно безо всяких вымученных эстафет, когда процесс их взаимодействия вообще не «квантован» на отрезки поочерёдной работы каждого.

На первый взгляд это кажется принципиально невозможным (как и обсуждённая выше память без процессов поиска), но тем не менее это так. Дело в том, что возможна так называемая непрерывная и взаимопроникающая сопряжённая оптимизация, в которой компьютер выступает как полноценная диалоговая сторона (оперативный участник диалога), но только диалог этот идёт между способностями данного конкретного конструктора, принимающего шаговое решение, (через компьютер) со всей мировой культурой конструирования семейств технических систем данного типа. Конечно, при условии, что альтернативы строения данного типа систем, известные в мировой культуре конструирования, своевременно вводят в Т-память. Вряд ли современного конструктора заинтересует диалог с культурой самолётостроения, застывшей на рубеже, скажем, 1938 года, когда ещё не было ни слова о «механизации крыла» хотя и здесь многое может зависеть от постановки задачи.

Чтобы прояснить и силуэтно обрисовать механизм сопряжённой оптимизации рассмотрим сначала особенности процесса интуитивной оптимизации, осуществляемой конструктором при разработке замысла.

Интуитивная оптимизация образа замысла

Наблюдая работу конструктора, можно заметить одно чрезвычайно важное свойство интуиции каждого из них. Это свойство связано со способностью формировать образ замысла конструкции, постепенно переходя от общих абстрактных категорий и понятий к частным понятиям вплоть до тех, которые закреплены за реальными индивидуальными физическими объектами.

Весь процесс многоступенчатой интуитивной конкретизации образа замысла можно квалифицировать (конечно, с риском нелицеприятной критики) как дедуктивный вывод. Но нигде более, как в машиностроении, способность человека не проявляется с такой силой и полезностью.

Но второй ещё более интересной особенностью интуиции инженера-конструктора является его способность проводить дедуктивный вывод с одновременной оптимизацией образа замысла по данному критерию качества (и часто не по единственному!). При ближайшем, вдумчивом рассмотрении это кажется очень странным: ведь конструктор работает не с материей, а на бумаге, карандашом, а машины получаются с нужными физическими материальными характеристиками.

Причём в большинстве случаев результаты такой интуитивной оптимизации оказываются замечательно удовлетворительны, более того, процесс интуитивной оптимизации — единственный пока процесс, под влиянием которого развивается мир техники.

Если ставится задача объединить способности человека с возможностями компьютера, то ясно, что этими замечательными способностями человека пренебречь невозможно (хотя некоторые храбро заявляют!). Но уж если не отказываться их использовать, то, как минимум, надо уметь схватывать результаты этой интуитивной работы и немедленно вводить их в компьютер.

Мы должны уметь на каждом шаге интуитивного преобразования замысла конструктором формально регистрировать сущность этого преобразования. Мы должны уметь «стенографировать» оперативные решения и находки интуиции конструктора в реальном масштабе времени. Только в этом случае мы будем располагать данными для совместной работы с ЭВМ.

Стенографируя процесс интуитивных преобразований замысла, мы должны быть в состоянии на каждом шаге составить отчёт о том, что уже успел сделать конструктор. Для этой цели достаточно иметь К-структуру на данное семейство технических систем. Эскизное проектирование является хорошим примером, на котором можно убедиться в справедливости этого утверждения.

В самом деле, конструктор может периодически сообщать о состоянии замысла, предъявляя элементы (альтернативы) эскиза предполагаемой технической системы. Каждый предъявляемый эскиз, очевидно, допускает декомпозицию в соответствующее ему дерево блоков (признаков конструкции). Это дерево всегда возможно разбить на две части:

— часть, составленную из элементов, которые уже имеются в К-структуре;
— часть, состоящую из элементов новизны, то есть таких элементов, которых в К-структуре до сих пор не было.

Следовательно «зарегистрировать» эскиз в К-структуре значит проделать две вещи:

— пополнить структуру элементами новизны, имеющимися в эскизном дереве;
— остановить в структуре скользящие стрелки на тех позициях (включив и принятые из эскиза элементы новизны), которые отражены в эскизе, и удалить (заблокировать от расчёта) все остальные (невыбранные) альтернативы вместе с подструктурами, которые порождаются ими в периферийных поясах альтернатив.

Поскольку дедуктивный вывод есть последовательный переход от общих ко всё более конкретным понятиям, то при его регистрации будет наблюдаться следующая картина: по мере детализации эскизов в центре К-структуры появится область, свободная от альтернативных линеек, которая будет постепенно распространяться к периферии. Эта область не будет иметь правильной формы (рис.20.), так как обычно эскиз не во всех своих частях прорисован одинаково детально (конкретизирован неравномерно). Но если конструктор доведёт дедуктивный выбор до конца и, не оставив альтернатив, выберет конкретное дерево блоков, то область к этому моменту покроет всё пространство выбора.

Таким образом, «стенограмма» интуитивной работы конструктора по ходу преобразований замысла выглядит как область, накрывающая центр К-структуры и изменяющая свои очертания с каждым шагом преобразования замысла.

Численная оптимизация образа замысла

Чтобы провести процесс численной оптимизации замысла на К-структуре, достаточно задать целевую функцию, то есть выделить её в кортеже 100 целевых функций в меню и в диалоге выставить систему ограничений.

Система ограничений в диалоге фиксируется весьма просто при просмотре таблицы базы данных. Выставить ограничения, значит задать явно или неявно три множества альтернатив:

А_запр — альтернативы, которые конструктор запрещает употреблять при решении оптимизационной задачи («выбывающие из игры»)
А_безр. — «безразличные» альтернативы, которые могут как войти, так и не войти в дерево блоков оптимальной конструкции;
А_обяз. — такие множества альтернатив, из которых хоть одна (какая-то), но должна войти в состав оптимальной конструкции.

Эти три множества, после того, как они определены, позволяют преобразовать К-структуру вполне однозначным образом перед началом оптимизационных расчётов. При этом достаточно:

— вычеркнуть (заблокировать, пометить как отсутствующие) альтернативы А_запр. со всеми порождаемыми ими структурами на нижележащих уровнях (поясах) альтернатив,
— найти на старших уровнях К-структуры записи, доминирующие над всеми представителями из множества А_обяз. и зафиксировать запись с самым старшим номером (минимальная грань), а остальные записи из этой линейки удалить вместе с подчинёнными им подструктурами;
— множество А_безр. при этом окажется учтённым неявно и автоматически.

Таким образом, наложение ограничений приводит просто к сужению состава К-структуры, доступного для расчётного алгоритма.

После этого процесс численной оптимизации проводится в полном соответствии с тем, как это описано в предыдущем разделе.

Сопряжённая оптимизация образа замысла

Процесс интуитивной и процесс численной оптимизации образа замысла теперь надо соединить и составить из них качественно новое функциональное целое так, чтобы протекал действительный диалог конструктора с мировой технической культурой в данной области (по данному семейству систем) и чтобы постоянно были взаимно компенсированы недостатки того и другого способов оптимизации, а преимущества каждого, напротив, были бы усилены другим. Для этого надо соединить «накрест» их входы с выходами, как показано на рис.21.

При этом каждый процесс будет протекать по самостоятельному только ему свойственному механизму, но они будут самым существенным образом влиять друг на друга, так как будут развиваться на общей содержательной основе (своеобразной питательной среде) — К-структуре на данное семейство систем.

Ранее мы показали, как можно «стенографировать» результаты интуитивной работы с тем, чтобы их можно было немедленно ввести в ЭВМ. Покажем теперь, как процесс численной оптимизации может влиять на решения, которые конструктор принимает интуитивно. Для этого рассмотрим процесс, который назван условно как «встречное продвижение», и комментарий, реализуемый Т-памятью по поводу интуитивных решений конструктора в ходе этого процесса «встречного продвижения».

Как уже было сказано, интуитивную оптимизацию, чем бы она ни руководствовалась, по мере её конкретизации можно зарегистрировать как продвижение области, свободной от альтернативных линеек, от центра К-структуры к её периферии в сопровождении мощнейшего прореживания области, ещё не накрытой выбором.

Напротив, численную оптимизацию приходится символизировать как продвижение кольцевой области, которая зарождается на периферии и расширяясь захватывает пояс за поясом в направлении центра К-структуры.

Соединим теперь оба процесса в один. Формально существо составляющих процессов после объединения не изменится, поэтому чисто внешне и назовём его «встречным продвижением».

Рассмотрим очередной шаг интуитивного преобразования образа замысла. Пусть до этого шага в центре К-структуры уже была свободна от альтернатив область W₁, а после него ею стала область W₂.

Обозначим:

А — полное множество альтернатив исходной К-структуры,
W — множество альтернатив, «принадлежащих» области, образовавшейся в центре К-структуры в результате интуитивного выбора. Эти альтернативы, естественно не включаются в процесс численной оптимизации как и все им подчинённые,
(A \ W) — множество оставшихся альтернатив, на которых может стартовать алгоритм численной оптимизации AAL
P(W) — «вес» самой лёгкой конструкции, полученной в результате применения алгоритма ALL к множеству альтернатив (A \ W)

Варьируя область W получим по существу функцию от множества P (W), с помощью которой и можно оценивать и комментировать интуитивные действия конструктора. Например, P(0) есть значение веса конструкции, которая будет извлечена из К-структуры, если оптимизацию полностью «доверить» ЭВМ, а конструкторам вовсе не позволять вмешиваться в этот процесс.

В этих терминах следует понимать:

D (W₁) = [P(A\W₁) — P(0)] — «потеря» эффективности из-за интуитивного вмешательства W₁. Эта величина вычисляется в предположении, что конструкторы больше не вмешиваются и предоставляют дальнейший выбор алгоритму AAL.
D (W₂) = [P(A\W₂) — P(0)] — то же самое, но для вмешательства W₂ DD(W₁_W₂) = [D(W₁) — D(W₂)] — ухудшение или улучшение (в зависимости от знака), достигнутое в результате преобразования-перехода W₁_W₂.

В результате мы на удивление просто получили функционал на множестве преобразований образа замысла (на множестве интуитивных шагов конструктора). Следует особо подчеркнуть, что это есть функционал для абсолютно точной оценки творческой интуитивной деятельности (на конкретных шагах) конструктора.

Неадекватность же этой оценки может быть обусловлена лишь неадекватностью выбранной целевой функции и недостаточно оперативной актуализацией Т-памяти при обработке потоков научно-технической информации о новых технических достижениях.

На том или ином шаге преобразований замысла алгоритм численной оптимизации в качестве ответной реакции может сигнализировать о том, что превышено пороговое значение по той или иной из кортежа целевых функций.

После такого сигнала разработчики (конструкторы) должны будут ознакомиться с составом полного дерева блоков, получающегося в результате сшивки области интуитивного выбора и остаточного выбора, осуществлённого численным расчётом. Возможно, что они будут вынуждены «взять ход обратно» по тем или иным направлениям выбора и попытаться действовать иначе.

Итак, следствием может быть некоторое отступление или же попытка пересмотреть выдвинутые ограничения {А_запр, А_безр, А_обяз}, вызванные формой потребности в свойствах системы. Это откроет новые области К-структуры для алгоритма численной оптимизации.

И каковы бы ни были действия разработчиков и какими бы соображениями они ни диктовались, алгоритм численной оптимизации будет «беспристрастно» выдавать стандартную реакцию — сообщать разработчикам, как далеко их соображения об ограничениях и произведённый выбор уводят от глобального минимума данной целевой функции, который был бы получен при чисто формальном подходе без ограничений. Это всё можно квалифицировать, как способность машины оценивать умение конструкторов ставить задачу на условный экстремум.

Но не следует думать, что большие рассогласования между результатом интуитивной и численной оптимизации будут на практике редкими. Во-первых, это будет происходить в силу неизбежного несовершенства любой и всякой формализации в области творческих процессов.

Во-вторых, первоначальную фиксацию потребности в определённых свойствах системы (ТЗ) тоже нельзя считать раз и окончательно заданной и непогрешимой. В ходе разработки замысла ТЗ может быть неоднократно пересмотрено как в сторону ужесточения, так и в сторону послабления.

Даже при больших D и DD разработчики довольно долго (и часто не без оснований) будут испытывать уверенность в том, что замысел состоятелен, считая, что разница возникла из-за неточно фиксированной потребности. И в большинстве случаев они будут правы – заказчик сам не всегда детально понимает, что ему требуется.

Мы видим, что форма взаимодействия «встречное продвижение» является эффективным инструментом как при выборе структуры конструкции — работе с альтернативами, так и при работе с ограничениями.

При разработке замысла, когда всё более подробно определяется состав дерева блоков будущей системы, сфера её применения и основные технологические процессы производства экземпляров конструируемого образца, возникает необходимость следить за значениями очень большого числа характеристик изделия, иногда весьма затейливо меняющихся вместе с изменением образа замысла.

Такими характеристиками могут быть вес, стоимость производства, мощность, потребляемая в рабочем цикле, число точек профилактического осмотра при эксплуатации и многое-многое другое… В работах ^[38] и ^[39] приведено упоминание о том, что имеется около 800 таких общемашиностроительных показателей, которые могут выступить в качестве целевых функций в большинстве семейств техники.

Современные информационные технологии находятся на дальних подступах к решению этой задачи в полном объёме, но, тем не менее, уже сейчас подобные задачи надо обсуждать, ставить и пытаться решать хотя бы в модельно-упрощённом варианте.

Нет сомнений, что архитектура процесса встречного продвижения, поэшелонные оптимизационные расчёты, а также принципиально новые возможности, связанные с без-поисковой процессной Т-памятью будут большим подспорьем на пути решения таких задач. Этот подход — лишь одна из увлекательных альтернатив, не исключающая другие.

Упомянем ещё о важной функции ауторефлексии, которая должна быть обеспечена, как минимум в форме уже обсуждённого комментария со стороны компьютера, а как максимум представляется следующей: конструкторы должны иметь возможность визуально наблюдать, как развивается на К-структруте процесс встречного продвижения и какие трудности встают на пути алгоритма оптимизации (хотя бы в плане затрат машинного времени).

Необходима визуализация этого многошагового и на каждом шаге итеративного процесса. Это позволит сознательно вмешиваться в процесс не только оперативно, но и на метауровне, осмысливая рациональность структуры всего процесса и внося структурные коррективы.

Неплохие заявки по визуализации сложных развивающихся процессов для коллективного принятия решений сделаны в работе ^[43].

Литература

Бруевич Н.Г. Челищев Б.Е. Искусственный интеллект в технологии. Доклад на VI Всесоюзном совещании по проблемам управления, ин-т проблем управления, М.: 1974.
Displays for command and control centers. Ed. by Gabelman. Slough, Technivisins, cop. 1969 No 23.

Заключение

«Когда каждая отдельная операция приведена разделением труда к употреблению одного простого инструмента, тогда соединение этих инструментов, приводимых в действие одним двигателем, образует машину.»
Ч. Беббедж.
(цит. По К. Маркс. «Нищета философии». 1928. стр.132.)

В данном исследовании реализована попытка предварительного системного анализа процесса технического творчества и предложены основы соответствующей нормативной модели. При этом упор был сделан на то, чтобы результирующая модель получилась достаточно простой, но, тем не менее, всё ещё допускала различные обобщения, анализ «основных эффектов» и дальнейшую её модификацию.

Построение такой модели оправдано только в том случае, если она приспособлена для управляемого эксперимента с целью совершенствования.

В центре модели оказался процесс работы с альтернативами и комбинантами как основной фиксирующий (как бы стенографирующий) процесс в актах творчества. Это закономерно, так как работа с альтернативами неизбежно происходит при выполнении любой из многочисленных частных функций в конструировании будь то, например, определение и запоминание прототипов, оптимизация образа замысла, учёт ограничений и запретов или прогнозирование, предвидение развития функционального семейства систем или технологий.

Построенная модель теперь может служить отправной точкой для всестороннего исследования процессов технического творчества. Следует заметить, что можно оптимистично надеяться на успех такого исследования благодаря особому положению технического творчества среди всех других типов творчества.

Действительно, результаты технического творчества — новые технические системы (экземпляры образцов) — говорят сами за себя. В других предметных областях часто невозможно определить, что, например, данный роман или данная картина, или данная симфония плохи или «никуда не годятся». Но если, например, самолёт «никуда не годится» или плох, то он либо просто никогда не взлетит, либо полетит «плохо», и это будет видно всем.

Логика творчества в машиностроении имеет наиболее простой вид. Её сущность можно с успехом исследовать, хотя формы проявления всё же, как мы видели, чрезвычайно разнообразны. Эмпирическое исследование причинно-следственных связей в практике машиностроения, как это показал проект «Хиндсайт», возможно и является чрезвычайно полезным.

Однако не менее полезным оказывается построение и исследование нормативных моделей процесса технического творчества. Эти модели задолго до построения систем автоматизированного проектирования позволяют в общих чертах предвидеть и предвосхитить механизмы САПР.

Слова Беббеджа, приведённые в эпиграфе, на наш взгляд, справедливы не только для феномена появления новой машины. Они, по-видимому, достаточно хорошо объясняют условия появления и любого другого автоматического или автоматизированного процесса, феномена, явления. Процесс проектирования новой техники не является в этом смысле исключением.

Необходимым и достаточным условием появления автоматизированных процессов создания новой техники, на наш взгляд, являются:

— отделение друг от друга и чёткое осознание отдельных типовых процессов, то есть функций, выполняемых конструктором-творцом в ходе проектирования;
— сведение, там, где это возможно, выполнения рутинной функции к использованию одного простого инструмента (алгоритмов численных расчётов);
— соединение всех инструментов воедино и приведение их в «движение» одним «двигателем» — достаточно мощной ЭВМ или вычисли тельным комплексом.

Следует сразу оговориться, что в силу неизбежного несовершенства любой и всякой формализации, формальной точки зрения на процессы творчества, в полученных таким образом автоматизированных сетях-системах останется диалог, и всегда будет присутствовать второй «двигатель»- неформальное живое воображение конструктора, составляющее предмет его профессии, профессиональной уверенности и жизненной ориентации.

Сознание долга, опережающее обострённое чувство социальной потребности и богатые специальные знания позволяют инженеру-изобретателю ставить научно-технические проблемы и решать их.

Инженер находится в обществе на особом положении. За ним официально закреплён статус создателя новых явлений и процессов, которых ранее ни в природе, ни в искусственных средах не наблюдалось. Создавая новые искусственные среды, то есть новые конструкции, инженер в прикладных целях вызывает новые явления и процессы, опираясь на знание законов и весь арсенал уже освоенных механизмов.

Поскольку почти любая прикладная цель допускает неоднозначное решение, то инженер как член общества несёт всю полноту ответственности за предлагаемое им конкретное решение, как одно из многих возможных.

Он обязан убедительно продемонстрировать полезность именно предлагаемого решения и его предпочтительность по сравнению с другими возможными решениями.

Различные общественные институты предопределяют ряд свойств и требований к будущим решениям технических проблем. К ним относятся экологические, экономические, медико-биологические и другие требования. Эти требования выдвигаются и контролируются, несмотря на то, что цели-то конструирования имеют узкоспециальный характер.

Для контроля выполнения этих требований создан ряд организаций, таких как архстройконтроль, санэпидстанции, комитет охраны труда, служба электромагнитной совместимости и т.п. Исследование характера отношений машиностроения с этими и подобными им институтами может провести строгую границу области в множестве функций, выполняемых инженерами, на которые целесообразно распространять попытки автоматизации.

Не претендуя на полноту, перечислим некоторые из функций, выполняемых разработчиками при формировании образа замысла, для которых, на наш взгляд, могут быть созданы эффективные рутинные вычислительные процедуры.

Умение удачно выбрать прототипы изделия для проведения аналогий с целью мобилизации прошлого опыта и способность предвидеть эволюции среды, заставляющей развивать семейство систем, позволяют инженеру выбирать замысел так, что обеспечивается компромисс между технологической преемственностью и сроком морального износа изделия. Этот компромисс диктуется требованиями календарной экономической эффективности средств новой техники.

Под календарностью здесь понимается то обстоятельство, что изделие не может появиться ни раньше, ни позже календарно-исторического интервала на оси времени (исторической серии машин), в который ему суждено реализовать свою полезность.

Ни раньше, ни позже это не получается. Например, как бы ни были хороши последние модели паровозов, их календарно-историческое время прошло: теперь их эксплуатация всегда будет приносить лишь убытки.

Противоположный пример связан со знаменитым лайнером Queen Elthbett, которое было создано намеренно как материальная комбинация наилучших технических достижений своего времени. Но оно, как самое быстроходное по тем временам, быстро покрыв рейсовую дистанцию слишком надолго оставалось у причальной стенки на обслуживании.

Само обслуживание, как и эксплуатация в рейсе, стоили слишком дорого, и в итоге это разорило около тридцати пароходных компаний, последовательно перекупавших лайнер. В итоге лайнер были вынуждены поставить на вечную стоянку, превратив в морской офицерский клуб, то есть радикально изменив функцию, в которую теперь была включена его материальная оболочка.

В связи со сказанным важными оказываются:

— функция запоминания исторической серии конструкций данного семейства и технологических событий, функционально тяготеющих к нему. Эта функция позволяет вычислять множество прототипов и избегать траты ресурсов на разработку того, что уже было изобретено ранее.
— функция построения картины предвидимого развития систем данного семейства, или функция прогнозирования. Эта функция позволяет определить имена невольных «соавторов» и не тратить ресурсы на изобретение того, что к нужному сроку или даже несколько раньше будет изобретено и реализовано другими и может быть заимствовано в данную разработку.

Правильная оценка актуальности научно-технических проблем и определение возможных побочных последствий их решения позволяет заказчику системы распределить заказ и ресурсы и сформулировать техническое задание так, что будет обеспечен максимальный экономический эффект от разработки. В первую очередь, разумеется, отказ от решения проблем, актуальность решения которых убывает, а также тех, решение которых было бы преждевременным (если даже и успешным!).

Отказ от решения проблем этих двух классов является естественным следствием требования равномерно-пропорционального развития всей технической культуры человечества.

В связи со сказанным большое значение имеют и следующие функции:

— функция учёта и моделирования технических проблемных ситуаций, относящихся к данному семейству систем. Эта функция заключается в отображении в Т-памяти существа проблем и потребностей с максимально возможной полнотой, а также отображения данных, достаточных для предсказания характера развития этих проблем и потребностей по ходу календарного времени.
— функция согласования характеристик будущего изделия с характеристиками функциональной среды и экономической подсистемы, в которых его предлагается реализовать.

В функции согласования важной оказывается та часть, которая связана с машиностроительной нормализацией, стандартизацией и опережающей стандартизацией.

Профессионально-деловое общение, конструктивные диалоги и совещания конструкторов обслуживаются выразительными средствами инженерной графики. В настоящее время большинство из них реализованы в рамках традиционного стандартизованного чертёжного хозяйства, ведение которого становится всё более трудоёмким в связи с усложнением технических систем.

Становится всё более важной функция оперативного объединения средств инженерной графики в одно целое с тем, чтобы в реальном масштабе времени обслуживать конструктивные совещания и фиксировать их итоговые графические результаты.

Существует множество других функций, реализуемых сознанием разработчиков в ходе преобразований замысла изделия. Многие из них до сих пор слабо изучены, хотя и выполняются каждодневно. Некоторые функции не выделены, не обособлены из общего процесса вообще. В связи с этим прогрессивные методы их «вооружённого» выполнения не разрабатываются.

В качестве примера можно назвать функцию контроля функциональной полноты разрабатываемого изделия. Часто при комплексной отладке макетного образца на фазе ОКР выясняется, что просто не предусмотрен ряд блоков (функций) изделия, которые должны реализовать те или иные «фатально необходимые» процессы.

То же самое, но в меньшей мере, обнаруживается на фазе опытного производства, например, во время лётных испытаний самолёта или во время ходовых испытаний плавсредств. Оказывается, что формальные модели таких функций не созданы, остаются «по умолчанию интуитивными», хотя из-за подобных сбоев сроки ходовых и лётных испытаний нередко возрастают в несколько раз.

Между тем при более серьёзном отношении к отработке этой функции большая часть работ и меньшими усилиями могла бы выполняться ещё на фазе замысла. Хрестоматиен теперь пример, повествующий о том, что отсутствие висячего поручня для облегчения входа и выхода из аппарата первого космонавта было обнаружено и восполнено за 45 минут до старта.

Таким образом, разделение труда, автоматизация отдельных функций, подкрепление интуиции разработчиков автоматизированными численными аналогами (рутинное подкрепление) и последующее слияние всех операций в одном комплексе суть отдельные стороны процесса создания систем автоматизированного проектирования (и не обязательно только машин, а и любых других искусственно создаваемых систем!).

Предложенная в данном исследовании модель может послужить вспомогательным средством в дальнейшем исследовании, которое будет предпринято с целью определения номенклатуры функций, реализуемых при разработке замысла. Важность такого исследования трудно переоценить.

Основные результаты данной работы и выводы

На конкретном материале нескольких семейств техники исследован процесс работы с альтернативами при конструировании и предложена процедурная основа создания логических схем баз данных о семействе технических систем или технологий.
Реализован экономный способ запоминания образцов исторической серии семейства изделий в виде номеров и паспортов, основанный на поэшелонной комбинаторной процедуре вычисления номеров и, если потребуется, — восстановления по номеру понятийно-графических описаний конструкции.
Вскрыта диалоговая архитектура задач оптимизации и показана возможность решать эти задачи при условии применения аддитивных (мультипликативных) целевых функций в процессе выбора замысла новой технической системы на многоуровневых комбинаторных базах данных.
Предложены, и реализованы и зарегистрированы алгоритмы решения полностью целочисленной задачи линейного программирования с ограничениями специального вида.
Предложен процесс сопряжённой диалоговой оптимизации, в архитектуре и ходе которого сочетаются преимущества одновременно и взаимозависимо проходящих процессов интуитивной и численной оптимизации образа замысла.

Основной вывод данной работы состоит в следующем.

Построенный формализм в силу его относительной простоты может послужить для двух целей. Во-первых, для создания и практической эксплуатации баз данных по конкретным семействам техники и технологий, что не потребует никаких специальных доработок и будет сводиться лишь к неизбежным и достаточно трудоёмким процессам сбора и преобразования данных.

Во-вторых, формализм может быть подвергнут в дальнейшем различным экспериментальным изменениям с целью его использования как вспомогательного (в том числе методологического) инструмента в психологических и эргономических исследованиях механизмов технического творчества и в особенности структур с ситуациями выбора, в которые попадают конструкторы при создании новой техники и прорывных технологий.

Приложение 1

Расчётная задача решения задачи Цвики

***

Рисунки

Полный список цитируемых публикаций

Поспелов Г.С. О некоторых проблемах системно-программного планирования и управления в народном
хозяйстве. М. — 1972.
Оптнер Л. С. Системный анализ для решения деловых и промышленных проблем. М.: «Сов радио», 1970.
Лабсон, Бушкофф. Компьютеризация процессов редактирования и типографского набора. Мини-ЭВМ в действии. Часть 8. «Электроника», No 11, 1974.
Айзенсон Р.С. Опыт технического прогнозирования при выполнении проекта «Хиндсайт». В сб. Научно-техническое прогнозирование для промышленных и правительственных учреждений. М.: Прогресс, 1972.
Айзенштадт Л.А., Чихачёв С.А. Очерки по истории станкостроения в СССР. М.: — 1957.
Уварова Л.И. Научный прогресс и разработка технических средств. М.: — 1973.
Беккер К. Немецкие морские диверсанты во второй мировой войне. М.: ИЛ, 1958.
Григорьев В.П. Взаимозаменяемость агрегатов в самолётостроении. М.: Машиностроение, 1969.
Капустян В.М., Махотенко Ю.А., Шеверов В.Г. Комбинаторный метод проектирования и анализа систем — «КОМПАС». Электронная техника, серия 9 — Автоматизированные системы управления. Вып. 1(1), 1972.
Шекунов Е.П. Основы технологического членения конструкции самолёта. М.: Машиностроение, — 1968.
Джермейн К. Программирование на IBM/360. М.: Мир, 1973.
Эшби У.Р. Несколько замечаний. В сб. «Общая теория систем», М.: Мир, 1966.
Холян А., Элюким С. Формализация составления вариантов в задачах конструирования. — Техническая эстетика, 1970, No 7, с.3-5.
Курочкин Ф.П. Основы проектирования самолётов с вертикальным взлётом и посадкой. М.: Машиностроение, 1970.
Zwicky F. Entdecken, Erfinden, Forschen im morphologischen WeltBild. Munich – Zurich, Knaur, 1966.
Дисковая операционная система ЕС ЭВМ. PL/I: Введение, описание языка, пособие для программиста.
Горащенко Б.Т., Дьченко А.А., Фадеев Н.Н. Эскизное проектирование самолёта. М.: Машиностроение, 1970.
Маттолин С. Абсолютно маневренный аппарат вертикального взлёта и посадки. Итальянский патент No 533751.
Сидоров А.И. Основные принципы проектирования и конструирования машин. М.: 1929.
Махлуп Ф^[1]. Производство и распространение знаний в США. Пер. с англ. М., Прогресс, 1966.
Черныш В.И. Информационные процессы в обществе. М.: Наука, 1968.
Бир С. На пути к кибернетическому предприятию. — В кн.: Принципы самоорганизации.
Пер. с англ. М.: Мир, 1966. с 125.
Горанский Г.К. Автоматизация конструирования машин с помощью ЭЦВМ. /В кн.: Автоматизация умственного труда в машиностроении. Тр. науч. сессии отделения механики и процессов управления и научного совета по комплексной проблеме «Кибернетика». М.: Наука, 1969, с.50-67.
Бергсон А. Материя и память. — Собр. соч. СПб., пер. с франц. В. Базарова. Изд-во Семёнова, 1914, т. 2.
Смирнов Е.С. Таксономический анализ. Изд-во МГУ, М,: 1969.
Алфёров А.В. Механизация и автоматизация проектно-конструкторских работ. Изд-во «Энергия», м.: 1973.
Губер А. Микельанджело. Государственное изд-во «Искусство», М.: 1953.
Пономарёв Б.А. Двухконтурные турбореактивные двигатели. Ордена Трудового Красного Знамени Военное изд-во Министерства Обороны Союза ССР, М.: 1973.
Берлин Г.С. Электронные приборы с механически управляемыми электродами. М.: «Энергия», 1971.
Лебединский М.А. Технология электровакуумного производства. Госэнергоиздат, М.-Л.: 1961.
Семёнов Ю.А. Производство подогревателей катодов электровакуумных приборов. Госэнергоиздат, М.-Л.: 1962.
Блискунов Н.А., Каменецкий И.Я. Технология производства электровакуумных приборов. Госэнергоиздат, М.-Л.: 1959.
Спаи стекла с металлом. Электровакуумное производство. М., СР, 151.
Кауфман М.С. и др. Производство спиралей, сеток и вводов электровакуумных приборов. М.-Л.: 1962.
Программирование на языке РЕФАЛ. I. Неформальное введение в программирование на языке РЕФАЛ. Препринт № 41 за 1971г. ИПМ АН СССР.
Kesselring F. Technische Kompositionslehre. Anleitung zu technisch-wirtschaftlichem und verantwortungs-bewusstem Schaffen. Berlin, Springer Verlag, 1954.
Адамар Ж.С. Исследование психологии процесса изобретения в области математики. М.: Сов радио, 1970.
Орлов П.И. Азбука конструирования. Оборонгиз — 1941.
F. Kesselring. Bewertung von Konstruktionen. Dusseldorf — 1951.;
Оре О. Теория графов. Пер. с франц. М., Наука, 1968.
Берж К. Введение в теорию графов. М.: ИЛ, 1960.
Бруевич Н.Г. Челищев Б.Е. Искусственный интеллект в технологии. Доклад на VI Всесоюзном совещании по проблемам управления, ин-т проблем управления, М.: 1974.
Displays for command and control centers. Ed. by Gabelman. Slough, Technivisins, cop. 1969 No 23.

Приложение 2

Словарь
катахрезный — связанный с деструкциями, вредом, авариями
ортоглиф — (греч. orto — правильный, стандартный + glyph — очертание)

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Оглавление

Введение

Предмет данной работы

Замысел как объект формального рассмотрения

Предпосылки формализации

Техническая база и программное обеспечение

Литература

Литературные источники заимствования

Глава I. Основная комбинаторная концепция

2.1. Основная функция памяти при формировании замысла

Литература

2.2. Технические системы и их семейства

Литература

2.3. Дерево блоков технической системы

Литература

2.4. Комбинаторные совокупности конструкций

Литература

2.5. Альтернативы и комбинанты как сопряжённные понятия

Литература

2.6. Комбинаторная структура

Иерархический список альтернатив устройства узлов и блоков самолётов вертикального взлёта и посадки (СВВП) (фрагменты)

А. Составление реферата о возможном поведении конструкции

В. Приём в К-структуру сообщения о создании новой конструкции

Абсолютно маневренный аппарат С. Маттолини

Литература

Глава II. Технологическая память

3.1. Необходимость пополнения комбинаторной структуры

Литература

3.2. Технологическая память

Литература

Глава III. Задача оптимизации

4.1. Идея иерархии выбора решения в задачах конструирования

Литература

4.2. Пояса альтернатив как иерархические уровни выбора в задачах конструирования

Литература

4.3. Пополнение К-структуры данными о комбинантах

4.4. Пополнение К-структуры данными для вычисления значений целевых функций

Литература

4.5. Формализация и решение задачи Цвикки

Алгоритм L.0.

Алгоритм AL

Литература

4.6. Задачи оптимизации на многоуровневых структурах

Алгоритм AAL

4.7. Диалоговая или сопряжённая оптимизация

Интуитивная оптимизация образа замысла

Численная оптимизация образа замысла

Сопряжённая оптимизация образа замысла

Литература

Заключение

Основные результаты данной работы и выводы

Приложение 1

Расчётная задача решения задачи Цвики

Рисунки

Полный список цитируемых публикаций

Приложение 2

Институт

Информация

Научные исследования

Институт

Институт

Информация

Информация

Научные исследования

Научные исследования