Разработка метода синтеза эвристических приемов

Актуальность. Одним из инновационных направлений современного развития систем автоматизированного проектирования (САПР) является интеллектуализация. Интеллектуализация САПР помогает поддерживать и интенсифицировать творческую активность разработчиков новых изделий и технологий. В результате повышается качество проектируемых объектов и производительность труда проектировщиков. Особенно высока потребность в автоматизированной поддержке интеллектуализации на этапе концептуального проектирования (КП) систем, когда решения принимаются в условиях высокой неопределенности.

На этапе КП систем решаются сложные неформализованные задачи исследования и проектирования. Решение данных задач основывается на интуитивном применении инструментария когнитивных технологий. В настоящее время данные технологии необходимы при проектировании сложных систем, характеризующихся многоаспектностью происходящих в них процессов. Инструментарий когнитивных технологий использует знания о различных познавательных процессах в сфере мышления человека и при поддержке информационными технологиями позволяет их радикально интенсифицировать. В качестве инструментария могут применяться продуктивные знания, включающие различные эвристические стратегии, тактики, методы, приемы.

Существует множество эвристических методов и приемов, которые представлены в работах следующих ученых: Пушкин В. Н., Буш Г. Я., Альтшуллер Г. С., Коллер Р., Мюллер И., Мэтчетт Э., Половинкин А. И., Дворянкин A.M., Дорохов И. Н., Попов В. В. и др.

Современный период времени характеризуется широким распространением использования эвристических приемов (ЭП) в различных предметных областях. К данному инструментарию обращаются тогда, когда необходимо получить качественный, а не количественный результат. Одной из существенных особенностей ЭП является многозначность, проявляющаяся в том, что у разных субъектов в зависимости от индивидуально-психологических особенностей личности при использовании одного и того же приема получаются разные результаты. Существует несколько фондов ЭП, которые представлены в работах Альтшуллера Г. С., А. И. Половинкина, И. Н. Дорохова.

Современный этап развития общества характеризуется высоким темпом научных исследований, технических и технологических инноваций. Для создания конкурентоспособной продукции на уровне мировых стандартов требуется генерация оригинальных идей. При этом процесс проектирования должен обеспечивать получение новых решений в минимальные сроки при возрастающей сложности объектов проектирования. Это вызывает необходимость проведения работ с целью синтеза новых ЭП. На основании результатов исследований литературных источников установлено, что процесс получения ЭП предположительно представляет интуитивно-направленный синтез, в котором различаются следующие операции: извлечение знаний, классификация, обобщение. Однако данный процесс не имеет строгого научного описания. Поэтому разработка метода синтеза ЭП и использование его в интеллектуальных САПР для поддержки процесса КП систем является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности концептуального проектирования систем за счет разработки метода синтеза ЭП и средств автоматизации выбора ЭП, позволяющих увеличить количество предложений по целенаправленному изменению объекта.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) провести анализ фондов ЭП и методов поиска новых решений;

2) исследовать понятия «эвристический прием» и «метод синтеза эвристических приемов»;

3) на основе системного подхода разработать метод синтеза ЭП;

4) создать и верифицировать методики синтеза ЭП;

5) сформировать фонды ЭП для концептуального проектирования объектов и процессов конкретной предметной области;

6) спроектировать и реализовать оболочку информационно-поисковой системы (ИПС) по ЭП для концептуального проектирования систем и локальные ИПС, использующие синтезированные ЭП.

Объектом исследования в диссертационной работе являются информационные объекты, интеллектуальные и когнитивные процессы при синтезе ЭП.

Предметом исследования являются концепты «эвристический прием» и метод его синтеза.

Методы исследования. При выполнении исследований и решении поставленных в работе задач использовались научные положения системного подхода, системологии, феноменологии, герменевтики, лингвистики, психолингвистики, теории графов, принципы и методы концептуального анализа систем, методы представления знаний в искусственном интеллекте, методы и средства проектирования автоматизированных систем.

Научная новизна.

Впервые построены концептуальные модели понятий «эвристический прием» и «метод синтеза эвристических приемов» в виде интенсиональных семантических сетей, в узлах которых находятся понятия, а дугами являются отношения между ними. 8 I.

С использованием аппаратов лингвистики, феноменологии, герменевтики, психолингвистики выделен и структурирован массив когнитивных процедур, таких как восприятие, понимание, интерпретация, конкретизация, порождение, инверсия, сопровождающих процесс синтеза ЭП.

Впервые разработан метод синтеза ЭП для концептуального проектирования объектов и процессов в различных предметных областях, характеризующийся использованием множества интеллектуальных и когнитивных процедур, реализованных на семантической сети знаний в виде ациклического ориентированного графа.

Достоверность полученных результатов. Обобщения и выводы диссертационной работы основаны на анализе теоретических данных, полученных с применением научных положений системного подхода, системологии, феноменологии, герменевтики, лингвистики, психолингвистики, методов концептуального анализа систем, методов представления знаний в искусственном интеллекте. Достоверность подтверждается результатами верификации разработанных методик синтеза на технических и технологических решениях, защищенных патентами, и использованием объектно-ориентированных фондов ЭП в учебном процессе вуза.

Практическая значимость.

1. Разработан инвариантный инструментарий для синтеза новых ЭП.

2. Сформированы новые объектно-ориентированные фонды ЭП для концептуального проектирования химических процессов и контактных аппаратов.

3. Разработаны ИПС по ЭП для концептуального проектирования химических процессов и контактных аппаратов, использующие созданные объектно-ориентированные фонды.

Положения, выносимые на защиту.

1. Построенные концептуальные модели понятий «эвристический прием» и «метод синтеза эвристических приемов», представленные в виде интенсиональных семантических сетей.

2. Метод синтеза ЭП для концептуального проектирования объектов и процессов, инвариантный к предметным областям.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанная ИПС по ЭП для КП химических процессов «НітргосезБ» (ИПС «НітргосеББ») была использована в учебном процессе на химико-технологическом факультете Волгоградского государственного технического университета по дисциплине «Анализ и синтез химико-технологических систем», что подтверждается актом внедрения, и при подготовке дипломных работ и магистерских диссертаций. Использование ИПС «ЬПтргосезэ» в лабораторном практикуме позволило улучшить научное методическое обеспечение учебного процесса.

Апробация работы. Основные положения диссертации представлялись на международной конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград, 2009), XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011), а также на электронной конференции «Новые информационные технологии и системы» (2007).

Соответствие паспорту специальности. Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 05.13.12 — «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», а именно: пункту 1 — «Методология автоматизированного проектирования в технике, включая постановку, формализацию и типизацию проектных процедур и процессов проектирования, вопросы выбора методов и средств для применения в САПР" — пункту 2 — «Разработка научных основ создания систем автоматизации проектирования и автоматизации технологической подготовки производства (САПР и АСТПП)" — пункту 3 -«Разработка научных основ построения средств САПР, разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов для синтеза и анализа проектных решений, включая конструкторские и технологические решения в САПР и АСТПП».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе, 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 4 статьи в научно-теоретических журналах, 3 статьи в сборниках трудов конференций, получено 1 свидетельство об отраслевой регистрации электронного ресурса.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из списка сокращений, введения, пяти глав с выводами, основных результатов работы, списка использованных источников, приложений. Общий объем диссертации 273 страницы, в том числе 64 рисунка, 11 таблиц, списка использованных источников из 93 наименований.

В первой главе рассмотрены основные положения системологии и их применение к предметной области «эвристический прием», проанализированы существующие фонды ЭП и методы поиска новых решений.

Во второй главе проведены исследование понятий «эвристический прием» и «метод синтеза эвристических приемов», исследование ЭП на основе лингвистического подхода, сформулированы основные требования к ЭП и методу синтеза ЭП, определены методологические основания процесса синтеза ЭП, рассмотрены процедуры синтеза ЭП, разработан метод синтеза ЭП, построены модели структурированной системы метода синтеза ЭП и его составляющих процедур.

В третьей главе разработаны методики синтеза ЭП для объектов и процессов химической технологии, проведена верификация разработанных методик на технологических и технических решениях и на фонде эвристических правил, сформированы объектно-ориентированные фонды ЭП.

В четвертой главе описаны метод и методики решения задач КП на основе выделения конфликта между параметрами объекта и разрешения его на основе частных ЭП, описана архитектура созданной оболочки ИПС по ЭП для КП систем «ЕуМєіЬосі» (ИПС «ЕуМєШосі»), описаны подсистемы и алгоритмы их функционирования, разработаны локальные ИПС.

В пятой главе приведены примеры использования ИПС «НішргосеБз» и локальной ИПС по ЭП для КП контактных аппаратов «ШтгеасШг» (ИПС «Нітгеасіог») для решения задач поиска предложений по изменению данных объектов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. На основе положений системного подхода получено новое решение актуальной научной задачи в области создания САПР, заключающееся в разработке ранее неизвестного метода синтеза ЭП и средств автоматизации выбора ЭП для повышения эффективности концептуального проектирования систем за счет увеличения количества предложений по целенаправленному изменению объекта.

2. Проведен анализ фондов ЭП и установлено, что они представляют собой эмпирический набор правил преобразования технических систем, которые не содержат способа интерпретации и другие параметры их использования. Проведенный анализ методов поиска новых решений позволил выделить тенденции их развития, которые должны быть использованы при проектировании метода синтеза ЭП.

3. На основе системного концептуального анализа впервые построены и исследованы концептуальные модели понятий «эвристический прием» и «метод синтеза эвристических приемов», позволяющие сформулировать требования к данным объектам и в последующем осуществить разработку метода.

4. С использованием аппаратов лингвистики, феноменологии, герменевтики, психолингвистики выделен массив когнитивных операций, сопровождающих процесс интеллектуального синтеза ЭП.

5. Разработан ранее неизвестный метод синтеза ЭП для концептуального проектирования объектов и процессов, инвариантный к предметным областям и основанный на множестве интеллектуальных и когнитивных процедур, организованных в ациклическую ориентированную семантическую сеть. Метод позволяет учитывать описание предметной области и получать массивы решений с различным уровнем новизны за счет изменения количества и качества признаков системы, уровня ЭП.

6. На основе разработанного метода созданы конкретные методики синтеза ЭП для концептуального проектирования химических процессов и контактных аппаратов, верифицированные на технических и технологических решениях, защищенных патентами.

7. В процессе решения прямой задачи синтеза ЭП — от общего к частному — путем интерпретации были разработаны новые объектно-ориентированные фонды ЭП для концептуального проектирования химических процессов и контактных аппаратов, которые содержат описания 248 и 226 приемов, соответственно.

8. Спроектирована и реализована оболочка ИПС по ЭП для концептуального проектирования систем «ЕуМєЙіосі», разработаны локальные ИПС «Нітргосезв» и «Ніт-геасіог», апробированные в процессе решения задач и позволяющие получать предложения по изменению химических процессов и контактных аппаратов.

Список опубликованных печатных работ.

В изданиях, входящих в «Перечень российских рецензируемых научных журналов», рекомендованных ВАК РФ:

1 Цыканова, М. А. Объектно-ориентированный фонд эвристических приемов для проектирования аппаратов химико-технологических систем / М. А. Цыканова, J1. Н. Бу-тенко // Известия ВолгГТУ. Сер. «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах»: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. — Волгоград, 2007. — Вып. 2, № 2. — С. 58−60.

2 Цыканова, М. А. Процедуры получения частных эвристических приемов объектно-ориентированного фонда для проектирования аппаратов химико-технологических систем / М. А. Цыканова, JI. Н. Бутенко // Известия ВолгГТУ. Сер. «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах»: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. — Волгоград, 2008. — Вып. 4, № 2. — С. 102−104.

3 Цыканова, М. А. Синтез частных эвристических приемов для проектирования химических процессов / М. А. Цыканова, J1. Н. Бутенко, О. А. Базрова // Известия ВолгГТУ. Сер. «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах»: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. — Волгоград, 2011. -Вып. 10, № 3.-С. 125−128.

4 Цыканова, М. А. Синтез эвристических приемов для концептуального проектирования химических реакторов емкостного типа с неподвижным слоем катализатора / М. А. Цыканова, Л. Н. Бутенко, О. А. Базрова // Вестник МИТХТ. — 2012. — Т. 7, № 2. -С. 43−47.

5 Цыканова, М. А. Формирование фондов эвристических приемов для концептуального проектирования объектов и процессов химической технологии / М. А. Цыканова, Л. Н. Бутенко, О. А. Базрова // Вестник компьютерных и информационных технологий. -2012.-№ 7.-С. 28−33.

В прочих изданиях:

6 Цыканова, М. А. Объектно-ориентированный фонд эвристических приемов для проектирования химических систем / М. А. Цыканова, Л. Н. Бутенко // Современные наукоёмкие технологии. — 2008. — № 2. — С. 122−123.

7 Цыканова, М. А. Разработка информационного обеспечения автоматизированной системы для концептуального проектирования аппаратов химической технологии / М. А. Цыканова, Л. Н. Бутенко // Информационные технологии в образовании, технике и медицине: матер, междунар. конф., 21−24 сент. 2009 г. / ВолгГТУ [и др.]. — Волгоград, 2009. — С. 99.

8 Цыканова, М. А. Метод синтеза эвристического приема / М. А. Цыканова, Л. Н. Бутенко // Современные проблемы науки и образования. — 2009. — № 6. — С. 32.

9 Цыканова, М. А. Применение системного подхода при изучении эвристического приема / М. А. Цыканова, Л. Н. Бутенко // Современные проблемы науки и образования. — 2009. -№ 6. — С. 33.

10 Цыканова, М. А. Разработка метода синтеза эвристического приема / М. А. Цыканова, Л. Н. Бутенко // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. — 2010. — № 4. — С. 54−56.

11 Цыканова, М. А. Концептуальный анализ понятия «эвристический прием» / М. А. Цыканова, Л. Н. Бутенко // Современные наукоёмкие технологии. — 2010. — № 5. -С. 69−74.

12 Когнитивные технологии для проектирования химических систем / Л. Н. Бутенко [и др.] // XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Волгоград, 25−30 сент. 2011 г.). В 4 т. Т. 4 / РАН, РХО им. Д. И. Менделеева, Администрация Волгогр. обл. [и др.]. — Волгоград, 2011. — С. 543.

13 Свидетельство об отраслевой регистрации электронного ресурса № 90 от 13.07.2009 г. Информационно-поисковая система по эвристическим приемам для концептуального проектирования систем / Е. А. Овечко, Л. Н. Бутенко, М. А. Цыканова — ИИО РАО. — 2009.