Лабораторно-практическая работа №7

Выбор варианта технического решения и его оценка, поиск оптимального варианта по дереву решений.

 

Цель: Научиться выбирать критерии оценки конструкции технического объекта и реализовывать (программировать) алгоритм поиска оптимального варианта на дереве решений.

 

Теоретические сведения

Создание новых конструкций относится к задачам структурного синтеза. При рассмотрении таких задач в САПР необходимо решать вопросы представления информации о структуре системы, а также вопросы, связанные с поиском средств улучшения технических решений для элементов системы. Наиболее наглядным и эффективным способом являются графы и деревья, например, И-ИЛИ-деревья. Обычно И-деревья применяются для описания структуры конкретных систем. Эти деревья представляют собой совокупность вершин, сгруппированных на различных иерархических уровнях. Каждый иерархический уровень представляет собой проектируемую систему с различной степенью детализации. Нулевой иерархический уровень (система) является наиболее абстрактным, а последний – наиболее детализированным. Отображение структуры целого класса подобных систем осуществляется с использованием И-ИЛИ-деревьев, которые выражают накопленный опыт в разработке систем определенного типа. Построение общего И-ИЛИ-дерева технических решений обычно производят путем объединения И-деревьев нескольких конкретных систем.

Техническое решение включает в себя информацию о функциональных элементах системы: они представляют собой множество деталей, узлов, предназначенных для выполнения определенной функции, а также об особенностях их конструктивного исполнения, геометрической формы, основных признаках и параметрах. Принято разделять функциональные элементы и их конструктивные решения на различных иерархических уровнях. Поэтому в узлах И размещают функциональные элементы рассматриваемого класса систем, а с узлами ИЛИ связывают альтернативные варианты конструктивных решений выделенных функциональных элементов. Целесообразно ограничить исходное множество систем только наиболее перспективными решениями, обладающими высокими технико-экономическими показателями. В дальнейшем расширение множества вариантов осуществляется не только по техническим решениям, но и по отдельным ее функциональным элементам. Расширение множества технических решений позволяет отыскивать на нем не только перспективные существующие системы, но и новые аналогично методу морфологического анализа. Применение такого подхода формирует словарь предметной области, в которой существует рассматриваемая система, и позволяет при создании САПР приступить к разработке классов для выделенных понятий (абстракций). Принятие проектных решений требует учета столь большого числа взаимодействующих факторов, что проблема может стать нерешаемой. При этом экономические, технические и прочие факторы переплетаются настолько сильно, влияют друг на друга, что их учет целесообразно проводить только в комплексе, системно. Разумный компромисс заключается в декомпозиции системы и самого процесса проектирования, использовании технических и экономических критериев для оценки эффективности исследуемых вариантов системы.

После проведения декомпозиции по всем функциональным элементам можно преобразовывать полученное И-ИЛИ-дерево в различные И-деревья, соответствующие разным конструктивным решениям системы с последующей оценкой их с точки зрения поставленных требований. Для выбора варианта необходима модель, обеспечивающая оценку качества конструкторского решения. Вычислительная поддержка принятия проектных решений связана с необходимостью определения статических, динамических, стоимостных характеристик проектируемых объектов и систем, решения задач оптимизации. Особое место при этом занимают имитационные модели, позволяющие исследовать основные особенности реального поведения различных вариантов проектируемой системы в характерной для нее среде. При этом для различных вариантов конструкции можно проанализировать эксплуатационные характеристики как отдельных элементов, так и всей системы в целом. В ряде случаев это приводит к тому, что физическое моделирование системы становится ненужным. Функции системы неразрывно связаны с целями проектирования, которые также могут быть представлены в виде иерархической структуры, легко представимой в виде графа. Используя граф целей можно на основе экспертных оценок выделять приоритетные цели, а, значит, и более важные функции. При таком подходе цели рассматриваются в основном как технические функции. Типовые процедуры выбора наиболее важных целей выполняются в следующей последовательности: составление сценария развития системы; выделение целей, построение графа с расчетом относительных и абсолютных весов, которые определяются (см. лабораторную работу №3)

,      

где R_ij – абсолютный вес цели; i – номер уровня абстракции; j – номер цели на i-м уровне; r_ij‑экспертная оценка веса j-й цели на i-м уровне без учета связей, выраженная в долях единицы;  – коэффициент связи по заходящим связям (i, m – номера связанных уровней вершин; j, k – номера связанных вершин соответственно на уровнях i и m).

Экспертные оценки возможных вариантов технических решений применяют, например, в виде матриц, в которых указываются преимущества и недостатки выделенных технических решений. В качестве критериев можно использовать также показатели качества, рекомендованные ГОСТ 14.202–73.Каждому критерию назначается вес a_j, который оценивает важность этого критерия при проектировании вашего узла (см. лабораторную работу №3). Оценкой решения в каждом узле является сумма произведений веса каждого критерия на оценку решения по этому критерию. Оценка варианта объекта в целом есть сумма оценок принятых решений в каждом узле, входящих в данный вариант.

Таким образом, модель технической оценки варианта конструктивного решения рассматривается в виде суммы оценок по каждой цели для каждого элемента системы

,                                       

где Q – оценка реализации целей заданным вариантом объекта (системы);

a_j - коэффициент значимости j-й цели (примем оценку значимости в виде R_ij без учета уровня  декомпозиции i);

k_ij - оценка i-го варианта элемента системы с точки зрения удовлетворения j-й цели (j-му критерию).

В лабораторной работе №3 Вы определили несколько критериев К_j (количественные оценки целей), по которым следует оценивать проектируемый вами объект (узел). Для оценки качества технических решений для объекта строят матрицу оценок k_ij. В матрице оценок строки (i) соответствуют И вершинам Вашего дерева, а столбцы (j)‑ критериям оценок. Элементами матрицы являются оценки данной вершины (i) по данному критерию (j). Оценки преимуществ и недостатков каждой вершины не должны включать в себя оценку подчиненных вершин. Если вершина не имеет самостоятельного значения, то в матрице проставляются нули.

Наилучшим вариантом конструкции объекта является И - дерево, полученное из И-ИЛИ дерева технических решений путем отсечения в каждой ИЛИ - вершине всех вариантов кроме одного, обладающего максимальной оценкой.

Порядок выполнения работы

 

1 Изучить теоретические сведения.

2 По индивидуальному заданию лабораторной работы №3. Оцените каждый альтернативный вариант решения (узел И), связанный с одной вершиной ИЛИ сконструированного Вами дерева по каждому из критериев качества.

3 Заполнить матрицу оценок.

4 Разработать программу оценки вариантов решений на дереве И-ИЛИ.

5 Осуществить оценку варианта объекта, выбранного в интерактивном режиме.

6 Найти и вывести на печать оптимальный вариант.

7 Оформить отчет.

8 Подготовиться к защите лабораторной работы.

 

Рекомендации: Модифицируйте программу, написанную при выполнении предыдущей лабораторной работы: Программа должна вводить количество критериев, оценки каждой вершины И по каждому критерию. Должна быть предусмотрена возможность интерактивного выбора варианта, расчет и вывод его оценки. Программа должна искать вариант с наибольшей оценкой (оптимальный вариант), выводить результаты расчетов в виде дерева и указывать его оценку.

 

Содержание отчета:

 

1 Фамилия И. О., группа, тема, цель.

2 Таблица оценок.

3 Распечатка текста программы.

4 Распечатка входа и выхода программы.

5 Выводы по работе.

 

Вопросы для контроля и самостоятельной работы

 

1 Каким образом выбираются критерии оценки вариантов технического решения в каждом узле и объекта в целом?

2 Что такое вес критерия и что такое оценка вершины по какому-либо критерию? Поясните разницу. Из каких соображений назначается то и другое?

3 Как осуществляется оценка варианта решения исходя из оценок вершин И, включенных в вариант? Опишите алгоритм расчетов. Как влияют на оценку варианта выбранные веса критериев?

4 Опишите алгоритм выбора оптимального варианта технического решения.