МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ
(технический университет)
На правах рукописи
УДК 658.512:621.81 Для служебного пользования
Экз. N
я1КОЖЕВНИКОВ АЛЕКСЕЙ ИВАНОВИЧ
я2РАЗРАБОТКА САПР ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ НА НАЧАЛЬНЫХ ЭТАПАХ
я2ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Специальность 05.13.12. - Системы автоматизации
проектирования (в промышленности)
Д и с с е р т а ц и я
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель
кандидат технических наук, доцент
Львов Борис Глебович
Москва - 1994
.
- 2 -
СОДЕРЖАНИЕ
Введение .................................................... 4
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАБОТ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ВАКУУМНЫХ
СИСТЕМ ................................................... 8
1.1. Вакуумные системы в технологическом оборудовании ... 8
1.2. Анализ работ по структурному синтезу ................ 17
1.3. Анализ работ по автоматизации проектирования ВС ..... 27
1.4. Анализ способов представления конструкторских знаний. 32
Выводы ................................................... 37
2. КОНЦЕПТУАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ ................... 39
2.1. Системная модель ВС ................................. 39
2.2. Функции и структуры ВС .............................. 45
2.3. Свойства и признаки ВС и ее структурных составляющих. 63
2.4. Цели проектирования ВС .............................. 67
2.5. Концептуальная модель знаний ВС ..................... 71
Выводы ................................................... 77
3. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИНТЕЗА ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ ......... 79
3.1. Структура основных проектных процедур САПР ВС ....... 79
3.2. Методика синтеза ВС ................................. 82
3.3. Экспертная поддержка основных проектных процедур .... 92
3.4. Методика извлечения знаний .......................... 95
3.5. Моделирование функционирования ВС ...................102
Выводы ...................................................108
4. ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ .........................................110
4.1. Структура программных средств САПР ВС ...............110
4.2. Программные средства синтеза и анализа ВС ...........114
4.3. Подсистема выявления экспертных знаний ..............117
- 3 -
4.4. Подсистема моделирования функционирования ВС ........121
Выводы ...................................................124
Заключение ..................................................126
Литература ..................................................128
Приложения ..................................................144
.
- 4 -
ВВЕДЕНИЕ
Необходимость всесторонней интенсификации экономики неразрыв-
но связана с ускорением научно-технического прогресса, важнейшими
направлениями которого являются создание и освоение принципиально
новой техники и технологии, автоматизация и механизация производс-
тва. Выполнение этих задач требует, в частности, развития вакуум-
ной техники, оказывающей определяющее влияние на создание и произ-
водство изделий практически всех отраслей промышленности.
Широкое внедрение новых вакуумных технологий в различные от-
расли промышленности предъявило к вакуумному оборудованию (ВО)
разнообразный диапазон требований, который непрерывно расширяется
и ужесточается. Наряду с этим существенное повышение сложности ВО,
значительный рост объемов научно-технической информации ставят
конструктора в ситуацию, когда он становится не в состоянии тради-
ционными методами прорабатывать конструкции с учетом последних
достижений технического прогресса, что в конечном итоге приводит к
несоответствию принимаемых им проектных решений уровню лучших ми-
ровых образцов. Эти противоречивые факторы заставляют применять
новые методы и средства труда конструктора, позволяющие повысить
не только производительность труда разработчика, но и качество
принимаемых проектных решений.
Наиболее перспективным выходом из рассматриваемой ситуации
представляется автоматизация процесса проектирования ВО на всех
стадиях разработки: от технического предложения до выпуска рабочей
документации.
В настоящее время известен ряд работ в области САПР ва-
куумных систем (ВС). Но они малоэффективны при решении задач
структурно-параметрического синтеза на начальных этапах проектиро-
- 5 -
вания, для которых характерны большая неопределенность исходных
данных и знаний, необходимых для разработки ВС, а также слабая
структуризация рассматриваемой предметной области. В связи с этим
невозможна полная формализация основных процедур проектирования,
которым на верхних уровнях абстракции иерархического описания объ-
екта присущи интуитивно-логические рассуждения и представление си-
туаций на естественном языке.
Решение поставленной проблемы осуществляется путем использо-
вания в разрабатываемой САПР ВС подсистемы экспертной поддержки,
реализующей не поддающиеся формализации процедуры творческого про-
цесса проектирования. При этом экспертная компонента САПР ВС поз-
воляет автоматизировать процесс выявления знаний непосредственно
из высококвалифицированных конструкторов с возможностью последую-
щего использования полученных знаний при эксплуатации САПР пользо-
вателями невысокой квалификации.
Главная сложность здесь заключается в том, что конструирова-
ние ВС является слабоструктурированной проблемой. В связи с этим
для ее решения необходима структуризация ВС и ее элементов, заклю-
чающаяся в определении классов их принадлежности и нахождении опи-
сывающих предметную область множеств признаков, свойств и их шкал.
Решение поставленной проблемы требует разработки системной
модели ВС как объекта проектирования. Введение такого высокого
уровня абстракции модели связано с необходимостью предварительного
структурирования предметной области с использованием системного
подхода как метода, учитывающего многообразие сложных взаимных
связей и всесторонне раскрывающего все аспекты ВС, рассмотрение
которых является необходимым и достаточным для реализации процесса
проектирования.
Изложенное определило цель настоящей работы, предусматриваю-
- 6 -
щей проработку научно обоснованной методологии автоматизированного
проектирования ВС с использованием экспертных компонент поддержки,
предусматривающих формирование базы знаний непосредственным извле-
чением знаний из экспертов вакуумного машиностроения.
Всесторонний анализ показал, что поставленные проблемы вызы-
вают необходимость решения следующих исследовательских задач:
- проведение концептуального анализа ВС;
- разработка системной модели ВС как объекта проектирования;
- выбор модели представления знаний о ВС, обеспечивающей эф-
фективное формирование и манипулирование знаниями конструктора
рассматриваемой предметной области;
- выявление основных процедур начальных стадий проектирования
ВС и необходимого состава знаний их экспертной поддержки;
- разработка принципов и методики структурно-параметрического
синтеза ВС с использованием экспертной компоненты;
- построение концептуальной модели процесса выявления экс-
пертных конструкторских знаний при формировании базы знаний интел-
лектуальной САПР ВС;
- разработка математических моделей функционирования основных
структурных элементов ВС;
- создание комплекса программных средств автоматизации на-
чальных этапов проектирования ВС, реализующих указанные принципы
организации интеллектуальной САПР.
На защиту выносятся:
- системная модель ВС как объекта проектирования;
- концептуальная модель процесса автоматизированного выявле-
ния конструкторских знаний при наполнении базы экспертной поддерж-
ки САПР;
- методика структурно-параметрического синтеза конструкций
- 7 -
ВС верхних иерархических уровней описания;
- концептуальная модель знаний в интеллектуальной САПР ВС;
- математические модели функциональных элементов ВС;
- структура интеллектуальной САПР ВС с системой экспертной
поддержки основных процедур проектирования;
- программные средства выявления знаний и экспертного сопро-
вождения структурно-параметрического синтеза ВС на начальных эта-
пах проектирования.
.
- 8 -
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАБОТ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ВАКУУМНЫХ
СИСТЕМ
1.1. Вакуумные системы в технологическом оборудовании.
Использование вакуума как технологической среды находит широ-
кое применение практически во всех отраслях промышленности. Трудно
сейчас указать на какие-либо отрасли современной науки и техники,
где бы не использовались достижения вакуумной техники и техноло-
гии, которые охватывают широкую номенклатуру различного по назна-
чению оборудования, использующего вакуум в качестве технологичес-
кой или рабочей среды (см. рис. 1.1). Основными элементами этого
оборудования являются вакуумные средства откачки, коммутацион-
но-регулирующая аппаратура, измерительная техника и ряд типовых
функциональных устройств.
Наибольшее развитие вакуумное оборудование получило в техно-
логическом, аналитическом и научном оборудовании производства
электронной техники (ЭТ), что определяется высокой сложностью,
прецизионностью и уникальностью используемого оборудования.
Повышение производительности, надежности, а также ужесточаю-
щиеся требования к качеству изделий и технологической среды обус-
ловили эволюционное развитие вакуумного оборудования ЭТ в направ-
лении от установок периодического действия, требующих напуска ат-
мосферы и перезагрузки рабочей камеры каждый технологический цикл,
к установкам полунепрерывного и непрерывного действия, обеспечива-
ющих частичное или полное совмещение рабочих и вспомогательных
операций основного технологического процесса [1,2]. Специфические
особенности вакуумного оборудования позволяют обеспечить непрерыв-
ность технологического процесса лишь с использованием шлюзовых
.
- 9 -
ЪДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДД
Вакуумное технологическое и научное оборудование
АДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДВДДВДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДЩ
ЪДДДДДДДДДДДДДДДДДДД ЪДДДДДДДДДДДДДДДДДДД
Электронная техникая75я0ДД ГДДя76я0 Химическая пром.
АДДДДДДДДДДДДДДДДДДДЩ АДДДДДДДДДДДДДДДДДДДЩ
ЪДДДДДДДДДДДДДДДДДДД ЪДДДДДДДДДДДДДДДДДДД
Радио и связь я75я0ДД ГДДя76я0 Металлургия
АДДДДДДДДДДДДДДДДДДДЩ АДДДДДДДДДДДДДДДДДДДЩ
ЪДДДДДДДДДДДДДДДДДДД ЪДДДДДДДДДДДДДДДДДДД
Космическая техникая75я0ДД ГДДя76я0 Авиация
АДДДДДДДДДДДДДДДДДДДЩ АДДДДДДДДДДДДДДДДДДДЩ
ЪДДДДДДДДДДДДДДДДДДД ЪДДДДДДДДДДДДДДДДДДД
Материаловедение я75я0ДД ГДДя76я0 Медицинская пром.
АДДДДДДДДДДДДДДДДДДДЩ АДДДДДДДДДДДДДДДДДДДЩ
ЪДДДДДДДДДДДДДДДДДДД ЪДДДДДДДДДДДДДДДДДДД
Атомная техника я75я0ДД ГДДя76я0 Пищевая промышлен.
АДДДДДДДДДДДДДДДДДДДЩ АДДДДДДДДДДДДДДДДДДДЩ
ЪДДДДДДДДДДДДДДДДДДД ЪДДДДДДДДДДДДДДДДДДД
Физика эл. частиц я75я0ДД ГДДя76я0 Легкая промышлен.
АДДДДДДДДДДДДДДДДДДДЩ АДДДДДДДДДДДДДДДДДДДЩ
ЪДДДДДДДДДДДДДДДДДДД ЪДДДДДДДДДДДДДДДДДДД
Ядерная физика я75я0ДД ГДДя76я0 Приборостроение
АДДДДДДДДДДДДДДДДДДДЩ АДДДДДДДДДДДДДДДДДДДЩ
ЪДДДДДДДДДДДДДДДДДДД ЪДДДДДДДДДДДДДДДДДДД
Оборона я75я0ДДЩ АДДя76я0 Транспорт
АДДДДДДДДДДДДДДДДДДДЩ АДДДДДДДДДДДДДДДДДДДЩ
Рис. 1.1. Основные отрасли науки и техники, использующие
вакуумное технологическое и научное оборудование.
- 10 -
загрузочных систем [1] и дополнительных рабочих камер для проведе-
ния вспомогательных операций, что влечет за собой существенное ус-
ложнение структуры, а следовательно количественного и качественно-
го состава элементной базы вакуумных систем (ВС) [1,3,4]. Таким
образом, динамика развития вакуумного оборудования предполагает
дальнейшее увеличение количества вакуумных рабочих камер, усложне-
ния ВС и как следствие - переход от однокамерных к двух- и много-
камерным ВС с различными системами шлюзования (см. табл. 1.1).
Многокамерные установки, несмотря на высокую стоимость и
сложность, обладают рядом существенных преимуществ, обуславливаю-
щих их широкое и повсеместное внедрение в производство [5]. Основ-
ными достоинствами являются:
- высокая воспроизводимость технологического процесса, дости-
гаемая установившимися условиями вакуумной среды и предварительной
обработкой изделий во вспомогательных рабочих камерах;
- высокая производительность процесса, обусловленная одновре-
менным проведением различных технологических операций в отдельных
камерах;
- возможность использования различных физико-химических воз-
действий в вакуумно-изолированных камерах;
- увеличение выхода годных изделий за счет снижения влияния
привносимой дефектности из-за отсутствия контакта с атмосферой при
транспортировке изделий из одной рабочей камеры в другую;
- возможность автоматизации технологического процесса путем
полного исключения ручных операций из технологического цикла обра-
ботки изделий;
- стабильность и надежность работы аналитических приборов при
отсутствии их контакта с технологической средой рабочей камеры.
Всесторонний анализ технологий и структурных схем различного
.
- 11 -
Таблица 1.1.
Структурная эволюция вакуумного технологического
оборудования.
ЪДДДДДДДДВДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДВДДДДДВДДДДДД
Группы Структурная схема оборудования Тип
ГДДДВДДДДЕДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДЕДДДДДЕДДДДДД
я1 я0 я1 я0 ЪДДДДДДД
я75я0ДДДя76я0 Т К
АДДДДДДДЩ
ГДДДДЕДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДД
ЪДДД ЪДДДДДДД
я75я0Дя76я0ШК я75я0Дя76я0 Т К
АДДДЩ АДДДДДДДЩ
ЪДДД я4 я0ЪДДДДДДД ЪДДДя4 я0 я4 я0
я75я0Дя76я0ШКя41я0я75я0Дя76я0 Т К я75я0Дя76я0ШКя42я0я75я0Дя76я4 я0я4 я0
АДДДЩ АДДДДДДДЩ АДДДЩ
ГДДДЕДДДДЕДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДД
ЪДДД я4 я0ЪДДДДДДД ЪДДДя4 я0 я4 я0
ДДя76я0ШКя41я0ГДДя76я0 Т К ГДДя76я0ШКя42я0ГДДя76я4 я0я4 я0
АДДДЩ АДДДДДДДЩ АДДДЩ
ГДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДЕДДДДД
ЪДДД ЪДДДД ЪДДДД ЪДДДя4 я0 я4 я0
Дя76я0ШКя41я0ГДя76я0 ТКя41я0Гя76я0..я76я0 ТКя4nя0ГДя76я0ШКя42я0Гя76я0
АДДДЩ АДДДДЩ АДДДДЩ АДДДЩ
я4 я0я4 я0
ЪДДДДДДДДДД ЪДДДДДДДДДД
ТКя41я0 .... ТКя4lя0
АДВДДДДДДВДЩ АДВДДДДДДВДЩ
ЪДБД ЪДБД ЪДБД ЪДБД
ШКя41я0 ШКя41я0 . . ШКя4lя0 ШКя4lя0
АДВДЩ АДВДЩ АДВДЩ АДВДЩ
ЪДБДДДДДДБДДДДДДДДДДБДДДДДДБД
Р К
АДВДДДДДДВДДДДДДДДДДВДДДДДДВДЩ
ЪДБД ЪДБД ЪДБД ЪДБД
ШКя4mя0 ШКя4mя0 . . ШКя4nя0 ШКя4nя0
АДВДЩ АДВДЩ АДВДЩ АДВДЩ
ЪДБДДДДДДБД ЪДБДДДДДДБД
я4 я0 ТКя4mя0 .... я4 я0 ТКя4nя0
АДДДДДДДДДДЩ АДДДДДДДДДДЩ
АДДДБДДДДБДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДБДДДДДБДДДДДДЩ
Условные обозначения: ТКя4iя0 - технологическая камера;
ШКя4iя0, ШКя4iя0 - шлюзовые камеры; РК - распреде-
лительная вакуумная камера.
- 12 -
оборудования [6-21] выявил широкий спектр диапазонов рабочих дав-
лений вакуумных процессов, что позволило выделить основные типы
вакуумного оборудования и условно классифицировать его по ряду
технологических признаков и назначению (см. рис. 1.2).
Неотъемлемой частью вакуумного оборудования, во многом опре-
деляющей присущие ему свойства, является вакуумная система, основ-
ным функциональным назначением которой является обеспечение и под-
держание на заданном уровне требуемых условий вакуумной среды.
Технологический процесс, структура и состав вакуумного оборудова-
ния определяют основные потребительские свойства (требования),
предъявляемые к ВС в целом и отдельным технологическим камерам в
частности. Желаемое целевое состояние проектируемой ВС задается в
виде требований технического задания (ТЗ) на разработку. Пра-
вильность и степень оптимальности принимаемых проектных решений во
многом зависят от полноты и непротиворечивости исходного ТЗ на
проектирование ВС. Именно на этапе формирования ТЗ на разработку
[22,23] закладывается качество будущих проектных решений - только
правильное, корректное, обоснование требуемых выходных параметров
ВС по основным целевым критериям позволит обеспечить эффективное и
надежное функционирование системы. В связи с этим ТЗ на проектиро-
вание ВС, включая в себя целый комплекс функциональных, эксплуата-
ционных, производственных и конструктивных требований, обязательно
должно содержать [24,25]:
- назначение, принцип работы и основные количественные харак-
теристики реализуемого на ВС технологического процесса;
- режим работы, временные характеристики подготовительных и
рабочих циклов;
- требуемое давление остаточного газа и его парциальный сос-
тав;
- диапазон возможных вариаций парциальных давлений компонен-
.
- 13 -
я7% я0Давление
(Па)
10я5-11я0Ея1 я0-я1 я0-я1 ЪВВ я0-я1 ЪВВя0-я1 я0-я1 я0-я1 ЪВВя0-я1 я0-я1 я0-я1 я0-я1 я0-я1 я0-я1 ЪВВ
я1 ГЕЕ ГЕЕ ГЕЕ ГЕЕ
10я5-10я0Ея1 я0-я1 я0-я1 ГЕЕ я0-я1 ГЕЕя0-я1 я0-я1 я0-я1 ГЕЕя0-я1 я0-я1 я0-я1 я0-я1 я0-я1 я0-я1 ГЕЕ
я1 ГЕЕ ГЕЕ ГЕЕ ГЕЕ
10я5-9я0Е - - я1ГЕЕя0 - я1ГЕЕя0-я1 ЪВВя0-я1 ГЕЕя0-я1 я0 -я1 я0-я1 я0-я1 ЪВВВВЕЕВВ
я1 ГЕЕ ГЕЕ ГЕЕ ГЕЕ ГЕЕЕЕЕЕЕЕ
10я5-8я0Е я1 я0-я1 я0-я1 ГЕЕ я0-я1 ГЕЕя0-я1 ГЕЕя0-я1 ГЕЕя0-я1 ЪВВВВВВЕЕЕЕЕЕЕЕ
я1 ГЕЕ ГЕЕ ГЕЕ ГЕЕ ГЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ
10я5-7я0Е -я1 я0 - я1ГЕЕя0 я1 я0- я1ГЕЕя0-я1 ГЕЕВВЕЕя0- я1ГЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ
я1 ГЕЕя0 я1 ГЕЕя0 я1ГЕЕЕЕЕЕя0 я1ГЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ
10я5-6я0Е я1ЪВВя0 я1ГЕЕя0 - я1ГЕЕя0-я1 ГЕЕЕЕЕЕВВЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕББЩ
я1ГЕЕ ГЕЕ ГЕЕ ГЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕя0
10я5-5я0Е я1ГЕЕя0 я1 ГЕЕ я0-я1 ГЕЕВВЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ
я1ГЕЕя0 я1ГЕЕ ГЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕя0
10я5-4я0Е я1ГЕЕВВЕЕВВВВЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕББЩББЩББЩББЩББЩББЩББЩ
я1ГЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ я0я1 я0я4 я0я1 я0 я4 я0я1 я0
10я5-3я0Ея1ВВЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕББЩББЩ
я1ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ я0я1 я0я1 я0я1 я0 я1 я0 я1 я0
10я5-2я0Ея1ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕББЩББЩ
я1ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ я0я1 я0я1 я0 я1 я0я1 я0я1 я0я1 я0я1 я0 я4 я0я1 я0
10я5-1я0Ея1ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕББЩ
я1ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕя0 я1 я0я1 я0я1 я0я1 я0я1 я0я1 я0я1 я0 я1 я0
10я50я0 Ея1ЕЕЕЕЕЕЕЕББЩББЩ
я1ГЕЕЕЕЕЕЕЕ я0я1 я0 я1 я0я1 я0я1 я0я1 я0я1 я0я1 я0я1 я0я1 я0я1 я0 я4 я0
10я51я0 Ея1ЕЕЕЕББЩББЩ
я1ГЕЕЕЕ я0я1 я0
10я52я0 Ея1ББЩББЩ
Тип оборудования
10я53я0 ЕДДВДДВДДВДДВДДВДДВДДВДДВДДВДДВДДВДДВДДВДДВДДВДДВДДВДДВДДВДД
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Рис. 1.2. Диапазоны рабочих давлений основных типов ваку-
умного технологического оборудования.
Тип оборудования (технологического процес-
са): 1 - сушка изоляционной бумаги; 2 - изготов-
ление газоразрядных приборов; 3 - сублимационная
сушка; 4 - исследование материалов; 5 - обезгажи-
вание расплавленного метала; 6 - молекулярная
дистилляция; 7 - исследования в области низких
температур; 8 - отжиг и прокаливание металла; 9 -
электроннолучевая плавка; 10 - зонная плавка и
выращивание кристаллов; 11 - термоядерные реак-
ции; 12 - вакуумные спектрографы; 13 - изготовле-
ние электровакуумных приборов; 14 - электронные
микроскопы; 15 - масс-спектрометры; 16 - напыле-
ние тонких пленок; 17 - аппаратура по молекуляр-
ным пучкам; 18 - имитация космоса; 19 - ускорите-
ли частиц.
- 14 -
тов остаточных газов;
- источники, величина, парциальный состав и кинетика газового
потока в камере, требуемого для реализации технологического про-
цесса;
- возможные конструктивные материалы камеры, внутрикамерных
устройств и элементной базы ВС;
- характеристики тепловых и электромагнитных процессов;
- интенсивность и пространственно-временное распределение по-
токов корпускулярного и электромагнитного излучений;
- способы измерения и управления ВС;
- требования автоматизации технологического процесса;
- условия эксплуатации (климат, температура прогрева, ориен-
тация в пространстве, вибрации, механические нагрузки);
- стоимость, эксплуатационные расходы;
- параметры надежности;
- ограничения на отдельные типы элементной базы ВС;
- допустимые массо-габаритные характеристики;
- особые требования ("мягкая" откачка и т.п.).
Анализируя состав требований к ВС со стороны технологического
процесса и значения свойств существующего парка вакуумного обору-
дования можно выделить основные классификационные признаки разбие-
ния ВС на типы [24,26]:
А. Необходимая степень разрежения:
- форвакуумные ВС (предельное остаточное
давление > 0.1 Па);
- высоковакуумные ВС (диапазон остаточных
давлений 10я5-5я0 я7я0 0.1 Па);
- сверхвысоковакуумные ВС (остаточное
давление < 10я5-5я0 Па).
- 15 -
Б. Состав остаточной среды:
- ВС с масляной остаточной средой;
- ВС с безмасляной остаточной средой.
В. Количество рабочих камер:
- однокамерные ВС;
- многокамерные ВС.
Г. Тип газовой нагрузки:
- ВС с сосредоточенными параметрами (по газовой
нагрузке и средствам откачки);
- ВС с распределенными параметрами.
Д. Газокинетический режим:
- статические ВС (создание разряжения и отключе-
ние ВС);
- динамические ВС (непрерывная откачка );
Здесь также необходимо отметить некоторые структурные особен-
ности, присущие ВС как системе. Это, во-первых, динамичное измене-
ние структуры ВС при функционировании (результат коммутации ваку-
умной арматуры); и, во-вторых, дискретность свойств типового ряда
основных структурных элементов ВС (элементной базы).
Основными элементами любой ВС, определяющими принадлежность
ВС к тому или иному типу, являются вакуумные средства откачки, к
которым со стороны ВС предъявляются следующие основные требования
[6,25]: быстрота действия по воздуху и газам; диапазон рабочих
давлений; предельное остаточное и парциальные давления газов; наи-
большее давление запуска насоса; длительность пускового периода;
содержание в остаточной среде углеводородов, паров воды, кислорода
и других активных газов; длительность работы без профилактики;
масса и габариты; стоимость, простота и надежность в эксплуатации.
Выбор типа откачного средства является весьма сложным и от-
- 16 -
ветственным этапом процесса проектирования ВС. Практика свидетель-
ствует, что зачастую этот выбор осуществляется конструктором на
основе использования метода аналогии, что не всегда обоснованно, и
обусловлено наличием узко очерченных рамок стереотипного мышления
конкретного проектировщика. Анализ показал [27], что 90% вакуумных
установок (как отечественных, так и зарубежных) содержат в качест-
ве средств откачки диффузионный насос с высоковакуумной ловушкой и
механический вращательный насос в форвакуумной магистрали. Лишь у
30% от общего числа установок предусмотрена возможность комплекта-
ции турбомолекулярными, криогенными или ионно-сорбционными насоса-
ми по индивидуальным заказам, а комбинация криогенного и цеолито-
вого насосов используется лишь в небольшом числе вакуумных устано-
вок.
Широкое использование диффузионных насосов обусловлено их
низкой стоимостью, небольшими массой и габаритами, простотой и на-
дежностью работы, а также повышенной устойчивостью функционирова-
ния при быстро меняющихся газовых нагрузках [16,20,28]. Однако,
обеспечить полностью безмасляную вакуумную среду возможно лишь с
использованием турбомолекулярных, криогенных и гетероионных насо-
сов, обладающих более высокими стоимостью, избирательностью по га-
зам и сложностью в эксплуатации. Правильный выбор откачных средств
предполагает также комбинирование насосов различных типов [29].
Анализ типовых структурных схем ВС [1,6,7,9,10,15,17,19,21,
26,27,30-34] показал, что существуют функционально обусловленные
устойчивые сочетания различных типов откачных средств и элементной
базы ВС (например, диффузионный насос-ловушка; спаренные цеолито-
вые адсорбционные насосы; высоковакуумный-форвакуумный насосы;
криогенный насос-защитные тепловые экраны и т.п.). Таким образом,
структурный синтез ВС на качественном уровне может быть выполнен
как комбинирование типовых последовательно-параллельных цепочек в
- 17 -
единую сетевую структуру ВС.
Все выше сказанное позволяет сделать вывод о том, что слож-
ность и многообразие возможных структур ВС, большое число жестких
и порой противоречивых требований к ВС и ограничений, накладывае-
мых технологическим процессом, возможность использования формаль-
ных представлений там, где заканчивается интуитивное мышление,
проведение детального анализа как можно большего числа аналогов и
прототипов ВС, стремление к повышению эффективности разработок и
росту производительности труда конструктора требуют перехода к ав-
томатизированному проектированию ВС.
1.2. Анализ работ по структурному синтезу.
Задача синтеза структуры технического объекта - наиболее от-
ветственная и сложная для формализации процедура, качество реали-
зации которой во многом определяет качество будущего изделия.
Существующие САПР в большинстве случаев предполагают выполне-
ние этапа синтеза человеком, а ЭВМ используется лишь для верифика-
ции предлагаемых вариантов структуры. Однако, можно выделить нес-
колько наработанных подходов к автоматизации задачи структурного
синтеза технического объекта (ТО) [34]: перебор законченных
структур (отсутствие синтеза как такового); наращивание базовой
структуры ТО; выделение варианта из обобщенной структуры; транс-
формация описаний. В алгоритмах синтеза используются, как правило,
комбинации нескольких подходов.
При этом улучшение структуры-прототипа ТО подразумевает пять
основных операций:
- добавить новый элемент или отношение;
- удалить элемент или отношение из структуры;
- 18 -
- заменить элемент или отношение;
- объединить два и более элементов в один многофункциональный;
- разбить полифункциональный элемент на множество монофункци-
ональных.
Однако, применять процедуры объединения или разбиения необхо-
димо чрезвычайно осторожно, поскольку совмещение функций элемен-
тов, машин и механизмов в одном рабочем узле дает огромный эффект
лишь там, где это логически вытекает из структуры и назначения
проектируемого изделия. Между тем, опыт проектирования показывает
[36], что слепая погоня за модной идеей совмещения функций по
принципу лишь бы выбросить дает отрицательный результат - нерацио-
нальные конструкции.
Анализ работ с точки зрения методологии структурного синтеза
[35-51,55] позволил провести обобщенную классификацию основных ме-
тодов синтеза структуры (рис. 1.3).
Построенная классификация выделяет следующие основные принци-
пиальные подходы к задаче структурного синтеза ТО:
- полный перебор законченных структур-прототипов или вариан-
тов структур, сгенерированных над множеством базовых структурных
элементов. Подобный подход для реальных технических объектов тре-
бует огромных вычислительных ресурсов и, как следствие, на началь-
ных этапах проектирования не используются;
- декомпозиция задачи на ряд более простых задач с целью
уменьшения размерности необходимого полного перебора;
- использование эвристических фактов и правил, позволяющих
проектировщику интуитивно выбирать удачные или наиболее рациональ-
ные направления синтеза структуры без полного перебора всех аль-
тернатив;
- анализ обобщенной (интегральной) гипотетической структуры
объекта и выделение на его основе структурных элементов, обеспечи-
.
- 19 -
ЪДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДД
Методы синтеза структуры объекта
АДДДДДДДДДДДДДДДВДДДДДДДДДДДДДДДДДДЩ
ЪДДДДДВДДДДДДЕДДДДДДВДДДДДДД
ЪДДДДДДДДДБДД ЪДДДДБДДДДДДДДДД
Методы Эвристические
перебора методы
АДДДДДДДДДДДДЩ АДДДДДДДДДДДДДДДЩ
ЪДДДДДДДДДДБДДД ЪДДДБДДДДДДДДДДДДДД
Методы Интегрально-гипо-
декомпозиции тетические методы
АДДДДДДДДДДДДДДЩ АДДДДДДДДДДДДДДДДДДЩ
ЪДДДДДДБДДДДДДД
Эволюционные
методы
АДДДДДДДДДДДДДДЩ
Рис. 1.3. Основные методы структурного синтеза.
- 20 -
вающих оптимальное функционирование синтезируемой системы;
- эволюционный синтез структуры путем коррекции исходного
простейшего варианта эвристическими и/или оптимизационными мето-
дами.
Всесторонний анализ существующих разработок в области синтеза
структур реальных технических объектов позволил выявить несколько
основных направлений развития методологии синтеза структуры.
Это, во-первых, методы поискового конструирования [35,37-42],
основанные на качественном синтезе структуры на уровне совмести-
мости сопрягаемых структурных элементов по входным и выходным воз-
действиям. Как правило, формализация данного метода предполагает
представление вариантов технических решений в виде ориентированно-
го графа [22], в котором узлам соответствуют возможные варианты
элементной базы, а дугам - возможные соединения их между собой ма-
териальными связями (рис. 1.4).
В данном случае задача структурного синтеза заключается в вы-
делении на графе множества возможных путей из условия качественной
и количественной совместимости взаимодействующих элементов, а так-
же поиске оптимального варианта (пути на графе) технического ре-
шения среди выделенных, обеспечивающего минимум целевой функции
проектирования. Наличие лишь качественной совместимости элементов
при отсутствии количественной предполагает решение этой проблемы
оптимизационными методами расшивки узких мест структуры, т.е. уве-
личением количественного состава элементов соответствующего типа
[43].
Разнообразные методы направленного поиска путей на графовой
структуре (полный/направленный перебор, поиск в глубину и т.п.)
широко известны и детально описаны в литературе [37,39,41,44].
Однако, реализация известных методов поиска для сложных структур с
.
- 21 -
Ъ Д Д Д Ъ Д Д Д Ъ Д Д Д Ъ Д Д Д
Тип 1 Тип 2 Тип 3 Тип m
я1ЪВВВя0 я1 я0ЪДДД ЪДДД я1ЪВВВ
я1Гя01 1я1я0ДЕДДЕя76я02 1ГДЕДДЕя76я03 1ГДЕДя76я0 . . . ДДЕя76я1Гя0m 1я1я0
я1АБББЩя0 АДДДЩ АДДДЩ я1АБББЩ
ЪДДД я1ЪВВВя0 я1ЪВВВя0 ЪДДД
1 2ГДЕДДЕя76я1Гя02 2я1я0ДЕДДЕя76я1Гя03 2я1я0ДЕДя76я0 . . . ДДЕя76я0m 2
АДДДЩ я1АБББЩя0 я1АБББЩя0 АДДДЩ
. . я4 я0я4 я0. .я4 я0я4 я0.
. . . .я4 я0.
. . . . .
ЪДДД ЪДДД ЪДДД ЪДДД
1Sя41я0ГДЕДДЕя76я02Sя42я0ГДЕДДЕя76я03Sя43я0ГДЕДя76я0 . . . ДДЕя76я0mSя4mя0
АДДДЩ АДДДЩ АДДДЩ АДДДЩ
А Д Д Д Щ А Д Д Д Щ А Д Д Д Щ А Д Д Д Щ
Рис. 1.4. Граф вариантов технических решений:
ЪДДД
i j - структурный элемент технического
АДДДЩ объекта; i - тип элемента, j - ва-
риант i-го типа;
m - число типов функциональных элементов;
Sя4i я0 - число возможных вариантов элемента
i-го типа;
я1ЪВВВ
я1Гя0n kя1я0 - элементы возможного варианта структу-
я1АБББЩя0 ры ТО.
- 22 -
большим числом элементов весьма затруднительна в силу большой раз-
мерности пространства поиска, что требует неприемлемо больших вы-
числительных ресурсов. Выход из этой ситуации может быть найден
лишь путем перехода от поэлементного синтеза схем к групповому.
Структурные элементы здесь группируются в типовые блоки, а синтез
выполняется на уровне этих неделимых функциональных модулей. Такой
подход позволяет существенно снизить вычислительные затраты и об-
легчить стыковку элементов между собой [45,46].
Данный метод структурного синтеза достаточно прост для форма-
лизации и практической реализации, исключительно прозрачен и поня-
тен проектировщику, но вместе с этим обладает следующими серьезны-
ми недостатками.
Во-первых, из рассмотрения автоматически могут быть исключены
потенциально лучшие структуры, элементы которой имеют наиболее
приемлемые значения свойств, но оказались не совместимыми друг с
другом по количественным или качественным признакам. Подобное усе-
чение множества возможных вариантов структур не всегда оправдано,
поскольку посредством включения дополнительных согласующих узлов
между несовместимыми элементами можно получить порой наиболее ра-
циональную конструкцию ТО. И во-вторых, синтез объекта лишь на ос-
нове его одноуровневого представления не гарантирует физическую
реализацию выбранного варианта структуры на нижних уровнях ее ие-
рархии. Это говорит о необходимости использования системного под-
хода к структурному синтезу.
Широко известными являются также методы последовательного
синтеза объектов, осуществляемые на основе двудольного графа, но-
сящего название И-ИЛИ дерева [23,37]. На нем в виде вершин изобра-
жаются структурные элементы, в качестве которых в зависимости от
иерархического уровня абстрагирования могут выступать функциональ-
ные модули, узлы, детали или элементы деталей. На этом же графе
- 23 -
присутствуют вершины другого типа - признаковые вершины И/ИЛИ. Ду-
ги графа означают связи между структурными элементами.
И-ИЛИ дерево - удобное средство представления всего множества
технических решений и выбора на нем элементов, отвечающих требуе-
мым значениям признаков. Дерево технических решений имеет одну
корневую вершину, расположенную на самом высоком иерархическом
уровне членения объекта. Эта вершина обозначает всю общность зак-
люченных в дереве технических решений: группу, вид, класс, род.
Для построения общего дерева используется три метода [47]:
- вначале по одному техническому решению строится дерево, а
затем оно достраивается по другим техническим решениям;
- строятся деревья по всем техническим решениям, а затем они
объединяются;
- множество технических решений разбивается на подмножества,
внутри каждого из которых строится дерево, а затем они объединяют-
ся.
Каждая комбинация вершин дерева одного иерархического уровня
(поддерево) представляет структуру определенного варианта техни-
ческого решения, который может быть или уже известным, или новым,
определенным на множестве вершин прадерева.
Углубленный анализ показывает, что данный метод представляет
собой лишь иную формальную интерпретацию вышеописанных поисковых
методов синтеза, и следовательно их использование приводит пример-
но к равноценным результатам.
Еще один метод структурного синтеза, который является наибо-
лее развитым и широко используемым, основан на оптимизационно-ими-
тационном подходе [17,39,48-51], предполагающим нахождение гло-
бально-оптимальной структуры проектируемого объекта и значений пе-
ременных на этой структуре, т.е. проведение структурно-параметри-
- 24 -
ческой оптимизации. Задачи структурной оптимизации при проектиро-
вании имеют некоторые особенности [35], а именно: одновременное
присутствие как дискретных, так и непрерывных переменных, которое
предполагает решение смешанных задач математического программиро-
вания; структурные преобразования влекут за собой изменение числа
и характера переменных, а следовательно функций ограничений и це-
лей.
Постановка задачи структурной оптимизации начинается с опре-
деления набора рассматриваемых переменных по следующей методике
[35]: выбор таких переменных, которые могли бы описать по возмож-
ности все множество рациональных структур; выбор и анализ методов
преобразования структур, пополняя на их основе подмножествами
вновь синтезированных структур рассматриваемое вариантное прост-
ранство, а следовательно - описывающий его набор переменных; выбор
вектора независимых переменных, варьируемых при поиске оптимальных
структур; разбиение вектора переменных на две составляющие, обес-
печивающие соответственно изменение структуры и параметрическую
оптимизацию в рамках заданной структуры.
При условии возможного разбиения общей структуры объекта на
определенные устойчивые неварьируемые участки, для оптимизации
применима упрощенная схема динамического программирования, предпо-
лагающая в своей основе:
- расчленение структуры на части, расположенные на разных
ступенях иерархии;
- локальная оптимизация в пределах каждой части, где примени-
мы методы полного перебора;
- взаимоувязка полученных локальных решений путем их согласо-
вания с общим критерием и системой ограничений.
Недостатки данного метода заключаются в необходимости полной
формализации процесса по каждому выделяемому участку структуры, а
- 25 -
также в субъективности критериев оптимальности, определяемых на
основе регрессионного анализа предыдущего опыта конструирования
объектов данного класса.
С другой стороны, выбор проектного решения не всегда осущест-
вим чисто математическими методами, что вызывает необходимость ис-
пользования экспертных эвристических приемов синтеза, основные
причины использования которых заключаются в следующем [22,52,53]:
- отсутствие в полном объеме требуемой исходной информации
при проектировании;
- отсутствие надежных единиц измерения для некоторых парамет-
ров свойств объектов проектирования (качественные признаки);
- необходимость в обосновании некоторых критериев оценки ка-
чества проектирования и технологических ограничений;
- необходимость в проверке проектных решений, принятых на ос-
нове аналитических методов;
- отсутствие единой целевой функции при проектировании, что
вызывает необходимость ранжирования проектных вариантов из конф-
ликтного множества проектных решений.
Следовательно, актуальной является задача формальной реализа-
ции теории экспертного оценивания для ее большей однозначности и
достоверности.
На основании вышесказанного можно сделать вывод, что оптими-
зационный подход к структурному синтезу детально проработан и в
связи с этим находит широкое применение, однако в его основе лежат
требования полной определенности функций и их значений, что делает
его практически не применимым на начальных этапах проектирования
ТО, где всегда присутствует большая неопределенность.
Таким образом, проведенный анализ различных подходов к зада-
чам структурного синтеза и оптимизации показал практическое от-
- 26 -
сутствие приемлемых методов синтеза для начальных этапов проекти-
рования ТО. Выход из сложившейся ситуации может быть найден на ос-
нове комплексного совмещения вышеописанных методов структурного
синтеза. Последовательная генерация структур, носящая итеррацион-
ный характер [54], должна осуществляться поисковыми методами на
основе эвристических правил синтеза, учитывающих существующую не-
определенность исходных данных, критериев, действий, функциональ-
ных и логических зависимостей, с последующим выбором рациональной
структуры оптимизационными методами. При этом в проектных задачах,
подразумевающих получение еще не существующего объекта, и с учетом
особенностей ВС наиболее приемлемым подходом к структурному синте-
зу является выделение базовой структуры из обобщенной модели с
дальнейшей ее трансформацией на основе определенных эвристических
правил генерации структуры.
Следовательно, средства САПР, ориентированные на автоматиза-
цию процедур структурного синтеза, в той или иной мере должны опи-
раться на идеи и методы искусственного интеллекта [49,55].
Разнообразие систем искусственного интеллекта, используемых в
САПР, в основном исчерпываются следующими основными типами:
- информационно-поисковые системы с диалоговым интерфейсом на
естественном языке;
- интеллектуальные пакеты прикладных программ для инженерных
расчетов;
- интеллектуальные программно-методические комплексы для мо-
делирования и анализа систем;
- экспертные системы.
В системах структурного синтеза на начальных этапах проекти-
рования целесообразным и логически обоснованным является использо-
вание экспертных компонент в разрабатываемых САПР, формализация
процедур которых осуществляется на основе формального представле-
- 27 -
ния коллективных знаний группы высококвалифицированных экспертов о
предметной области, к которой принадлежат синтезируемые объекты, и
в частности, вакуумные системы.
Следовательно, необходима разработка экспертной системы под-
держки процедур синтеза проектируемого объекта, обеспечивающей эф-
фективное формирование, хранение и обработку эвристических знаний
конструкторов вакуумного машиностроения.
1.3. Анализ работ по автоматизации проектирования ВС.
Изучение вопросов, связанных с автоматизацией проектно-конс-
трукторской деятельности, и в частности, с созданием САПР, показа-
ло подробную проработку методических основ создания САПР, типовых
структур подсистем САПР, правил построения и организации различных
видов обеспечений САПР (математического, программного, информаци-
онного) и других теоретических аспектов автоматизированного про-
ектирования [23,49,56-58]. Большое внимание уделено и аппаратным
средствам САПР [57,59]. Однако, проблемы создания конкретных прик-
ладных САПР достаточно полно решены лишь в областях электротехники
и радиоэлектроники [60-62]. В разработке же САПР машиностроитель-
ных объектов, к которым относятся и вакуумные системы, основной
упор делается на автоматизацию отдельных процедур, автоматизиро-
ванное проектирование отдельных элементов [63], автоматизацию тех-
нологической подготовки производства и изготовления конструктор-
ской документации [64,67]. При этом отмечается сложность выработки
единого универсального принципа конструирования технических объек-
тов машиностроения, основанного во многом на трудноформализуемом
творческом подходе [23,68] и неизбежность, в связи с этим, модифи-
кации типовых структур их САПР.
- 28 -
Проблеме автоматизации проектирования ВС посвящено весьма
незначительное число публикаций. Все они освещают лишь отдельные,
хотя безусловно необходимые и важные аспекты этого процесса (па-
раметрический синтез и оптимизация, моделирование течения газов по
каналам различной конфигурации и распределения молекул в вакуумных
объемах, вопросы графического отображения и документирования, вы-
бор и анализ элементной базы ВС). К сожалению, этап структурного
синтеза, от которого в наибольшей степени зависит качество будуще-
го объекта практически полностью не проработан [69-81].
Достаточно полно наработаны и исследованы вопросы параметри-
ческого синтеза и оптимизации по стоимостному критерию принципи-
альных схем ВС [77-81]. Однако, в рассматриваемых работах проекти-
рование принципиальных схем предлагается осуществлять на основе
жесткой структуры-прототипа, состоящей из фиксированного числа
функциональных элементов ВС. Множество различных структур в данном
случае формируется лишь заменой типоразмеров составных элементов
схемы в пределах систематизированного ряда элементов данного типа,
либо исключением определенных элементов из структуры. Подобный
подход в большей степени относится к вопросам параметрического
синтеза и синтезом структуры, как таковым, не является. Следова-
тельно, отсутствие возможности гибкого синтеза произвольной струк-
туры проектируемой ВС позволяет говорить о ее оптимальности лишь с
достаточной степенью условности, поскольку возможна только пара-
метрическая оптимизация ее структурных элементов в рамках наперед
заданной структурной схемы.
Однако, наиболее существенным недостатком существующих разра-
боток является отсутствие системного подхода к проблеме проектиро-
вания ВС, что означает отсутствие комплексного анализа ВС как
объекта, являющегося неотъемлемой функциональной частью конкретной
технической системы, находящейся в непрерывном взаимодействии с
- 29 -
факторами внешнего окружения. Необходимость проведения системного
анализа подтверждается тем, что оптимизация структуры ВС лишь по
стоимостному критерию, предлагаемая в ряде работ [77-81], в подав-
ляющем большинстве случаев может привести к проектным ошибкам и,
как следствие, разработке нерациональных с точки зрения экономи-
ческой эффективности конструкций ВС. Это обусловлено тем, что
учет, например, таких свойств технологического оборудования (со-
держащего ВС) как ресурс, надежность, производительность, выход
годных и т.п. может привести к тому, что экономически выгодней
разработать более дорогостоящий вакуумный агрегат, обладающий
большими быстродействием и ресурсом. В данном случае рост произво-
дительности и надежности вакуумного технологического или научного
оборудования могут привести к значительному росту экономической
эффективности использования более дорогого агрегата, чем дешевого,
но менее производительного и надежного.
Наиболее типично данный фактор проявляется в дорогостоящих
технологиях микроэлектронного производства, где отказ в технологи-
ческом процессе может привести к многомиллионным убыткам, не соиз-
меримым со стоимостью вакуумной откачной системы. Таким образом,
оптимизация при проектировании ВС должна осуществляться на основе
комплексного критерия оптимальности, учитывающего как свойства ВС,
так и показатели качества вакуумного оборудования в целом [82].
Наибольшее число публикаций по вопросу автоматизации проекти-
рования ВС посвящено проблеме моделирования процесса функциониро-
вания ВС [69-73]. Однако и этот аспект полностью не проработан с
точки зрения возможности эффективного использования в составе
САПР. Здесь выделяются несколько различных подходов к проблеме мо-
делирования. Первым и наиболее типичным является алгоритмизация и
программная реализация вакуумных расчетов по известным инженерным
- 30 -
методикам [83,84]. Данный подход весьма прост, прозрачен для поль-
зователя (проектировщика вакуумного оборудования), требует мини-
мального объема исходной информации, но к сожалению, абсолютно не
приемлем в САПР в силу своей структурной ограниченности.
Наиболее точными методами, позволяющими моделировать газовые
процессы в системах любой конфигурации, являются имитационное мо-
делирование методом Монте-Карло различных режимов течения газов по
каналам произвольной формы [69,70,73], а также различные методы
двух- и трехмерного моделирования распределения молекул газовых
компонентов в вакуумной системе [74]. Использование данных методов
позволяет получить результаты моделирования, наиболее адекватные
реальному эксперименту.
Однако, их прямое использование в действующих САПР весьма ог-
раничено по ряду причин. Это, во-первых, необходимость создания
сложнейших математических моделей геометрии вакуумного объема для
каждой конкретной компоновочной схемы и режима работы вакуумного
оборудования, что требует постоянного вмешательства высококвалифи-
цированного инженера-математика на каждый случай использования
САПР. Вторым, и не менее существенным недостатком данного подхода
к моделированию, является неприемлемо большие время получения ре-
зультата (до нескольких суток в сложных системах) и требуемые вы-
числительные ресурсы, на что в диалоговых САПР накладываются особо
жесткие ограничения. К тому же, трудоемкость учета столкновений
между молекулами газов не позволяет расчитывать на современных ЭВМ
реальные вакуумные системы (изучению поддаются лишь упрощенные
случаи). С другой стороны, данные методы моделирования необходимо
использовать в качестве вспомогательных подсистем, что позволит
осуществлять имитационное моделирование функционирования различных
типовых и вновь появляющихся элементов ВС, результаты которого
способствуют исследованию и созданию адекватных эмпирических функ-
- 31 -
циональных моделей элементной базы ВС, пригодных для использования
в интерактивных САПР.
Не менее интересными методами моделирования вакуумных процес-
сов в системах произвольной структуры, обладающими приемлемой эф-
фективностью с точки зрения трудоемкости и времени получения ре-
зультата, являются [71,72]. В их основу положена аналогия процес-
сов, протекающих в вакуумных и электрических системах. Данный под-
ход получил свое логическое завершение и практическую реализацию.
Однако, получаемые на их основе результаты моделирования приемлемы
лишь как первое приближение, поскольку основаны на большом числе
условных допущений и упрощений. Причиной этому является тот факт,
что данные методы не позволяют учесть множество факторов, являю-
щихся специфическими для реальных вакуумных систем, а именно: га-
зовыделение и поглощение газов всеми стенками вакуумного объема;
память многих материалов по газам, существенно влияющая на вид ма-
тематической модели элемента; напуск реакционных технологических
газов, локальный нагрев и охлаждение отдельных частей ВС, а следо-
вательно - неоднородность газового состава по рабочему объему ВС.
Существенным недостатком также является возможность получения с
помощью электрической модели лишь частных решений дифференциальных
уравнений, что накладывает свои ограничения на множество приемле-
мых для рассмотрения структурных схем ВС.
Существенной особенностью, затрудняющей создание САПР ВС, яв-
ляется отсутствие многих количественных зависимостей между показа-
телями качества ВС и проектными параметрами, а также слабая струк-
туризация и формализация процессов проектирования, для которых ха-
рактерны логические рассуждения и описания ситуаций или объектов
на естественном языке. Сложность создания подобных зависимостей
заключается в необходимости проведения больших серий дорогостоящих
- 32 -
экспериментов, а также невозможности обработки эмпирических данных
вследствие малых серий, а иногда уникальности, выпускаемого ваку-
умного оборудования. Следовательно, решение проблемы автоматизации
начальных этапов проектирования ВС в большей степени базируются на
интуитивно-эмпирическом подходе.
Таким образом, детальный анализ накопленного опыта в области
автоматизации проектирования ВС позволил сделать вывод, что устра-
нить недостатки, препятствующие созданию эффективной САПР ВС,
обеспечить структурно-параметрический синтез и моделирование ВС
произвольной структуры с высокой степенью достоверности и опти-
мальности, возможно лишь создав высокоинтеллектуальную САПР, со-
держащую в своем составе экспертные компоненты, которые позволяют
формально представить и программно реализовать эмпирические зна-
ния, а также эвристические правила и приемы, используемые высоко-
квалифицированными специалистами при разработке вакуумного обору-
дования в традиционном ручном проектировании.
1.4. Анализ способов представления конструкторских знаний.
Эффективная экспертная поддержка разрабатываемой интеллекту-
альной САПР ВС невозможна без выбора рационального способа предс-
тавления инженерных знаний конструктора данной предметной области.
Можно сформулировать две группы требований к системе предс-
тавления инженерных знаний [85]. Требования первой группы предпо-
лагают: универсальность, целостность и открытость системы предс-
тавления знаний. Эта группа требований способствует повышению эф-
фективности и высоким эксплуатационным характеристикам разрабаты-
ваемой системы. Вторая группа требований регламентирует функцио-
нальные возможности системы и является определяющей при практичес-
ком использовании САПР. Требования второй группы подразумевают
- 33 -
обеспечение следующих факторов:
- адекватности отображения предметной области, т.е. такого
описания, при котором возможно моделирование любых процессов, про-
исходящих в данной предметной области и существенных для выделен-
ного класса задач;
- естественной формы описания предметной области в системе
знаний, позволяющей создать удобный для человека интерфейс с вы-
числительной системой в процессе постановки и решения задач;
- многоуровневости описания предметной области, обеспечиваю-
щего решение сложных задач проектирования, характеризуемых динами-
ческим изменением системы знаний;
- сочетания процедурных и декларативных методов в одной сис-
теме знаний, позволяющей, с одной стороны, достаточно просто опи-
сать основные понятия и терминологию предметной области, а с дру-
гой стороны, задать функциональные зависимости и конструкторские
действия при принятии решений, характерных для данной области.
Различают два типа инженерных знаний, определяющих способы их
формального представления (декларативные и процедурные знания).
Декларативный подход к описанию знаний более понимаем экспер-
тами в конкретной предметной области, но вместе с тем требует соз-
дания процедур поиска решений в зависимости от поставленных целей.
Процедурный подход к представлению знаний позволяет достаточно
просто получить требуемое решение, но вызывает необходимость до-
полнительной работы эксперта по соответствующей интерпретации
предметной области. Он также менее нагляден по сравнению с декла-
ративным.
К декларативному способу представления знаний можно отнести
логический метод и семантические сети. Типичным представителем
процедурного способа являются продукционные системы. Фреймовый
- 34 -
способ представления знаний определенным образом сочетает в себе
декларативный и процедурный подходы.
Следовательно, выбор того или иного способа представления
знаний во многом определяется информационной спецификой описывае-
мой предметной области и того класса задач, которые предстоит ре-
шать с использованием создаваемой базы знаний.
Анализ литературных источников позволил выделить минимальный
состав знаний, необходимых конструктору при проектировании техни-
ческих объектов практически любой предметной области:
- свойства объектов конструирования, окружения и пространс-
твенно-временные соотношения между ними;
- условия синтеза объектов конструирования, содержащих описа-
ния структурных элементов, образующих синтезируемый объект, их ок-
ружения, а также пространственно-временные отношения между ними и
порядок этих отношений;
- зависимости между свойствами объектов конструирования всех
уровней иерархии;
- зависимости между свойствами, объектами и пространствен-
но-временными отношениями объектов.
Среди основных форм традиционного представления конструктор-
ских знаний можно выделить следующие: текст, графическое изображе-
ние, формулы и таблицы. Более подробный семантический анализ ос-
новных форм представления знаний выделяет конкретные виды конс-
трукторских знаний (таблица 1.2).
При углубленном рассмотрении основных видов и форм традицион-
ного представления инженерных знаний можно выделить следующие их
особенности:
- отсутствие универсальной теории, адекватно описывающей про-
цессы конструирования, не позволяет сформулировать знания о пред-
метной области в виде единой строгой математической модели и форме
.
- 35 -
Таблица 1.2.
Основные формы традиционного представления конструкторских
знаний.
ЪДДДВДДДДДДДДВДДДДДДДДДДВДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДД
N Формы Виды Содержание
п/п знаний знаний
ГДДДЕДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДД
1 Текст Описание Наиболее распространенный вид
знаний, используемый для задания
объектов, их свойств и отношений
между свойствами.
ГДДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДД
Утвержде- Является результатом анализа
ние существующих закономерностей и
содержит, как правило, условия
синтеза объектов.
ГДДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДД
Пример Описание отношений между объектами
с конкретными числовыми значениями
ГДДДЕДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДД
2 Графи- Чертеж Отражает геометрические свойства
ческое (схема, объектов и/или пространственные
изобра- рисунок) отношения между ними.
жение ГДДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДД
График Содержит сведения об изменении
свойств объектов в процессе прос-
транственных и временных отношений
ГДДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДД
Фотогра- Является иллюстративным материалом
фия в конструировании.
ГДДДЕДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДЕДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДД
3 Формула Теорети- Дает колич
Сочинения
