5.5. Алгоритмы поиска решения на и-или – дереве

Поиск ТР осуществляется в два этапа. На первом этапе сужается область поиска за счет удаления из общего И-ИЛИ-дерева вершин, которые заведомо не могут удовлетворить техническому заданию искомого ТР. На втором этапе на «урезанном» И-ИЛИ-дереве выбирают допустимые и оптимальные ТР.

Алгоритм выполнения первого этапа. Он состоит из следующих шагов.

Шаг 1. Из списка требований технического задания выбирают те, для которых тип свертки во всех промежуточных вершинах одинаков и входит в перечень табл. 29.

Шаг 2. Просматриваются все вершины И-ИЛИ-дерева, которые имеют оценки по списку требований, сформированному в шаге 1. Для этих вершин проверяются ограничения и индуцированные ограничения (из задания на поиск). Вершины, для которых какое-либо ограничение не выполняется, помечаются как временно удаленные из И-ИЛИ-дерева.

Шаг 3. Просматриваются вершины И-ИЛИ-дерева в порядке от концевых вершин к корню. При этом если:

1) у какой-либо И-вершины хотя бы один преемник оказывается помеченным как временно удаленный, то эта вершина также помечается как временно удаленная;

2) у какой-либо ИЛИ-вершины все преемники помечены как временно удаляемые, то эта вершина также помечается как временно удаляемая.

Таблица 29

Ограничения по типам свертки

Тип свертки	Тип ограничения в техническом задании	Индуцированное ограничение для вершин
МИНИМУМ	=А	А
	А	А
	[А, В]	А
МАКСИМУМ	=А	А
	A	А
	[А, В]	B
КЛАСС	=А	=A

На этом выполнение первого этапа заканчивается.

Алгоритм выполнения второго этапа.

Поиск ТР осуществляется путем последовательного перебора вариантов сравнения их показателей со значениями требования технического задания. Имеется два варианта алгоритмического поиска: без требования оптимизации и с требованием оптимизации по одному из показателей (критериев качества).

Шаг 1. На «урезанном» И-ИЛИ-дереве выбирается TР в виде И-дерева и проверяются его вершины на совместимость. Если все вершины совместимы и показатели выбранного (синтезированного) ТР соответствуют требования технического задания, то оно заносится в архив допустимых ТР.

Шаг 2. Повторяется шаг 1, пока в архиве не будет накоплено заданное число допустимых ТР или не будет произведен полный перебор всех ТР на И-ИЛИ-дереве.

Шаг 3. Находится (или берется из архива) допустимое ТР и для него запоминается значение заданного критерия качества.

Шаг 4. Ищется следующее допустимое ТР и его критерий качества сравнивается со значением критерия качества, записанным в памяти после выполнения шага 3. Если критерий качества найденного следующего ТР лучше, то в памяти записывается новое значение критерия качества и соответствующее ему ТР. В противном случае записанное в памяти ТР остается неизменным.

Шаг 5. Шаг 4 повторяется до тех пор, пока не будут найдены на И-ИЛИ-дереве все допустимые ТР. В результате в памяти будем иметь наилучшее ТР.

Здесь приведен простой, надежный, но не самый эффективный алгоритм, работающий по принципу полного перебора. Возможны и более эффективные по быстродействию алгоритмы, основанные, например, на идеях метода ветвей и границ.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ХАРАКТЕРИСТИКА И ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ПРИЗНАКИ ОПЕРАЦИЙ КОЛЛЕРА

1. Излучение — поглощение. Излучение будем соотно­сить с источником энергии, вещества или информации, поглощение — со стоком (местом впадения) энергии, вещества или информации (сиг­налов). Эти две основные операции, противоположные друг другу, представляют собой необходимое условие для создания или ликвидации потока (вещества, энергии или информации). Источники и стоки могут быть природными и искусственными (например, источники — солнце, топливо, генераторы; стоки — звукопоглощающее покрытие, заземле­ние и т. п.). Источниками являются также все естественные источники энергии вещества или сигналов. В технических системах стоком в боль­шинстве случаев служит природная окружающая среда. Для практиче­ского конструирования ТО обе эти операции, по мнению Р. Коллера, обычно имеют сравнительно небольшое значение.

2. Проводимость — изолирование. Для возникновения потока кроме наличия источника и стока требуется, чтобы между ними было проводящее пространство, обеспечивающее движение или распростра­нение потока от источника к стоку (здесь не имеется в виду специаль­ная организация потока, например, с помощью трубопровода).

Примеры проводящего пространства: воздушное пространство электролит и т. п.; примеры изолирования: непрозрачные шторки, изолятор, стенка и т. п.

3. Сбор — рассеяние. Основная операция «сбор» служит для того, чтобы поток (ресурсы) энергии, вещества и сигналов, распространяю­щийся по всем направлениям (рассредоточенный в пространстве или движущийся широким фронтом) заставить протекать в одном направ­лении или сосредоточиться (сфокусироваться) в одной точке. Операцию «сбор» осуществляет, например, параболическая антенна, фокусирую­щая линза, патрубок, через который вытекает жидкость из бассейна.

Операция «рассеяние» служит для того, чтобы имеющийся скон­центрированный или упорядоченный поток рассеять, распространить по всем направлениям или направить более широким фронтом. Опера­цию «рассеяние» осуществляет, например, антенна радиопередатчика, наконечник душа, рассеивающая линза.

Отметим различия между операциями «сбор — рассеяние» и «излучение—поглощение». Операциям «излучение» и «поглощение» соот­ветствуют первому (начальному) и последнему (конечному) участкам в потоке энергии, вещества или информации. До и после этих участков, можно сказать, нет организованного потока. Операции «сбор» и «рас­сеяние» соответствуют промежуточным участкам потока; до и после этих участков также существует организованный поток.

4. Проведение — непроведение. Операция «проведение» обеспе­чивает движение сконцентрированного потока по определенному за­данному пути (траектории) с помощью технических средств, например, трубопровода, электропровода, шарнира. Непроведение означает, что на естественное направление движения и распространения потока ТО не оказывает никакого влияния (свободно падающая струя воды, летящая пуля, световой луч). Проведение — это движение, ограниченное связями; непроведение — свободное движение.

5. Преобразование — обратное преобразование. Это наиболее распространенные основные операции, противоположные друг другу, обеспечивают изменение свойств энергии, вещества и сигналов.

Под преобразованием энергии понимается превращение одного вида энергии в другой, которое происходит, например, в электродвига­теле или двигателе внутреннего сгорания. К различным видам относятся тепловая, кинетическая, потенциальная, звуковая, оптическая и другие виды энергии.

Под преобразованием вещества понимается качественное изменение вещества, добавление или исчезновение определенных свойств вещества (например, изменения агрегатного состояния, нормальная проводи­мость — сверхпроводимость, немагнитное — магнитное вещество и т. п.).

Под преобразованием сигналов следует понимать операции, при которых одна физическая входная величина превращается в другую выходную физическую величину.

6. Увеличение — уменьшение. Эти основные операции изменяют состояние потока, т. е, значения какой-либо скалярной или векторной физической величины. При этом на входе и выходе имеем одну и ту же физическую величину. Примерами реализации операций «увеличение» и «уменьшение» являются: система рычагов, зубчатые передачи, пере­дачи с изменяемым крутящим моментом, электрические трансфор­маторы, механические и электрические усилители, вентили, задвижки, регулирующие площадь сечения потока.

7. Изменение направления — изменение направления. Эти основные операции обеспечивают изменение направления векторной физи­ческой величины, значение которой остается неизменным. Изменение направления осуществляют: коленчатые равноплечные рычаги, пере­дачи с коническими шестернями, зеркала и отражательные пластины, изогнутые трубопроводы или световоды и т.п

Заметим, что для реализации операций «изменение направления» и «проведение» в отдельных случаях могут быть использованы одина­ковые физические эффекты и соответственно одинаковые конструктив­ные элементы. Например, световод может применяться для проведения светового пучка и для изменения направления пучка лучей; такую же двойную функцию может иметь резиновый шланг с жидкостью. Это объясняется тем, что конструктивные элементы имеют не одно, а не­сколько свойств.

8. Выравнивание — колебание. Основная операция «выравнивание» преобразует колеблющийся (пульсирующий или нестационарный) поток в стационарный (электрические выпрямители, муфты свободного хода, обратные запорные клапаны и т. п.). Операция «колебание» производит обратное преобразование (кривошипный механизм, преоб­разующий равномерное вращательное движение в колебательное, пре­рыватель, колебательный контур и т. п.).

9. Связь — прерывание. Основная операция «прерывание» анало­гично выключателю прерывает (останавливает) поток энергии, вещества или информации и соответственно прекращает их передачу от одного пункта к другому. Операция «связь», напротив, восстанавливает (возобновляет) движение или передачу энергии, вещества и сигналов в потенциально существующем потоке. Примеры реализации этих опера­ций: выключатели, соединительные муфты, затворы, задвижки, запор­ные клапаны и т. п.

Следует заметить, что для реализации операций «связь—прерывание» и «увеличение - уменьшение» в отдельных случаях могут быть использованы одинаковые конструктивные (функциональные) элементы, которые обеспечивают реализацию двух основных операций (например, задвижка на трубопроводе и т. д.).

10. Соединение — разъединение. Основные операции «соедине­ние — разъединение» имеют отношение к неоднородным потокам (энер­гий, веществ и сигналов), имеющим различные значения физических величин (массу, плотность, окраску, агрегатное состояние, амплитуду, длину волны, геометрическую форму, размеры и т. д.). Примеры реа­лизации операции «соединение»: смесители механических компонент, частот, электрических сигналов, карбюраторы и насосы, соединяющие энергию и вещество и т. п. Примеры реализации операции «разъедине­ние»: сепараторы, центрифуги, различные фильтры, спектроскопы, сортирующие устройства, гидравлические двигатели или турбины, ра­диаторы водяного отопления, разъединяющие энергию и вещество.

11. Объединение — разделение. Основные операций объединение—разделение» обеспечивают соответственно объединение несколь­ких однородных потоков энергии, веществ или сигналов в один поток или, напротив, разделение одного потока на несколько однородных потоков (т. е. устройства, реализующие операции «объединение—раз­деление», взаимодействуют в такими потоками энергии, веществ и сиг­налов, в которых параметры потока, кроме количества энергии, ве­щества или сигналов, до и после устройств объединения — разделения остаются неизменными). Примеры реализации операций «объединение-разделение»: тройники и разветвления в водопроводных, тепловых, газо­вых, электрических и измерительных сетях передачи с распределением энергии, вещества или сигналов; дифференциалы; устройства для сварки, пайки и резки материалов и т. п.

12. Накопление — выдача. Потоки энергии, веществ и информа­ции могут накапливаться и при необходимости востребоваться из на­копителя. Для этого существуют две основные операции «накопление— выдача». Примеры реализации этих операций:

для потоков энергии — механические, гидравлические, пневмати­ческие, электрические и тепловые аккумуляторы;

для веществ — резервуары, баки, газовые баллоны, бункеры, элеваторы.

для сигналов — перфокарты, магнитные ленты и диски, фото­пленки и.

13. Отображение — обратное отображение. Операция «отображе­ние» применяется в том случае, когда реальный поток энергии, вещества или физических сигналов на входе в процессе преобразования полу­чает информационное отображение на выходе в графическом, числовом и другом виде, удобном для визуальной оценки, наблюдения или рас­чета. Это может быть код, запись, изображение числового значения на цифровом индикаторе, показания на шкале прибора, изображение на экране дисплея или телевизора и т. д. «Обратное отображение» связано со случаями, когда на входе задается числовое значение или графиче­ское изображение, а на выходе получается поток реального вещества или энергии.

14. Фиксирование — расфиксирование. Операция «фиксирование» связана с уменьшением числа свободы движения ТО, включая закреп­ление его в определенной точке пространства и уменьшение числа сте­пеней свободы движения до нуля. Операцию «фиксирование» осущест­вляют приспособления и объекты, которые прикрепляют одни элементы ТО или системы к другим, поддерживают составные части ТО на определенном расстоянии друг от друга, фиксируют данное положение объекта.Здесь имеется в виду не только уменьшение степеней свободы какого-либо элемента относительно другого, а закрепление его на строго определенном расстоянии. В последнем случае на входе имеется не­определенная координата (одна или несколько), а на выходе — координаты, имеющие для данного технического объекта определенное значение. Операция «расфиксирование» связана с увеличением числа степеней свободы перемещения или с уменьшением определенности поло­жения в пространстве.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

МЕЖОТРАСЛЕВОЙ ФОНД ЭВРИСТИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ОБЪЕКТА