Проект «аналитическая программа Эффекты»

Цель проекта «Эффекты»

Реализация данного проекта преследует три основных цели:

• объединение в одну информационную базу всех технически значимых эффектов,
• описание эффектов различной природы в единой форме,
• разработка и реализация алгоритмов решения задач причинно-следственного анализа на базе эффектов.

Проектирование новых устройств и технологий, различные виды технического анализа требуют привлечения знаний, полученных фундаментальными науками, в первую очередь, физикой, химией и биологией. Но далеко не все знания, накопленные этими науками, применяются в инженерном деле. Как показывает практика, только небольшая часть научных знаний, так называемые эффекты, непосредственно используются при техническом проектировании и анализе. Эффект – это причинно-следственная связь двух явлений, реализующаяся в определенных условиях. В общем случае, эффект определяется формулой вида: «явление А приводит к явлению В при условии С».

Ни одно новое техническое устройство не может быть разработано без привлечения эффектов, т.к. его принцип действия – это комбинация тех или иных физических, химических, биологических и т.п. эффектов. Эффекты также необходимы при анализе объектов техники, например, выявлении причин отказов и аварий, расчете предельных значений показателей технических устройств, выявлении побочных эффектов, возникающих при функционировании устройств, и т.п.

Попытки систематизировать описание технически значимых эффектов предпринимались многими исследователями (см. работы 1 ¸ 7). В последнее время, на базе этих исследований были созданы компьютерные программы, использующие эффекты:

• TechOptimizer, Goldfire Innovator 3.0 (Invention Machine Corporation, США, inventionmachine.com, www.ihs.com)
• Innovation WorkBench (Ideation International, США, ideationtriz.com)
• TriSolver 2.1, 4.net (TriSolver, Германия, trisolver.com)
• Creax Innovation Suite 3.1 (Creax, Голландия, creax.com)
• «Виртуальный фонд естественнонаучных и научно-технических эффектов "Эффективная физика"» (Россия, www.effects.ru )

Перечисленные базы эффектов имеют ряд существенных недостатков:

• неоднородность структуры описания эффектов различной природы,
• отсутствие единой схемы объяснения эффекта,
• низкий процент эффектов с моделями, позволяющими подсчитать показатели эффекта.

И главное, ни одна из указанных программ не содержит алгоритмов решения задач причинно - следственного анализа. Это существенно ограничивает области применения существующих баз эффектов в технике.

История проекта «Эффекты»

Проект «Эффекты» имеет длительную предысторию, которую иллюстрирует следующая схема.

Комбинаторный метод	Формальный метод синтеза принципа действия технической системы на основе базы эффектов (см. Поиск принципов действия технических систем).
Экспертная система «Эдисон 4.03» скачать …	Достижения: компилятор базы знаний, синтез принципов действия устройств на открытой базе эффектов, выявление формальных противоречий в режиме реального времени.	Недостатки: большое число однотипных решений, небольшой объем базы эффектов, необходимость доработки конструктивной схемы принципа действия.
Программа TechCreator	Достижения: автоматический синтез конструктивных схем устройств на базе эффектов, группировка принципов действия по степени схожести.	Недостатки: сложность интерпретации некоторых конструктивных схем, небольшой объем базы эффектов.
База эффектов	Разработка базы эффектов для программ Phenomenon 1.0 и TechOptimizer 3.05 (продукты Invention Machine Corporation). В настоящее время данная база эффектов входит в программу IHS Goldfire (продукт компании HIS www.ihs.com).
Эффекты 200 и 300	Версии программы Эффекты.

Началом проекта «Эффекты» можно считать разработку комбинаторного метода. Данный метод позволил полностью автоматизировать синтез непротиворечивых цепочек эффектов различной природы. Комбинаторный метод послужил алгоритмической основой для экспертных систем Эдисон, TechCreator и программ Phenomenon 1.0 и TechOptimizer 3.05 (модуль Эффекты) *.

До 1995 года Компания Метод, кроме экспертной системы Эдисон, разработала ещё одну изобретающую программу – Новатор. В течение 5 лет было выпущено 3 версии этой программы. Программа Новатор 3.0 (скачать …) предназначена для разработки концепций устройств и технологий за счет устранения технических и физических противоречий, присущих прототипу.

Программы Новатор 3.0 и Эдисон 4.03 имели сложную функциональную структуру. Они выполняли как процедуры анализа (построение моделей, выявление противоречий, оптимизация параметров, определения причин явлений и т.п.), так и изобретательские процедуры (устранение противоречий и синтез принципов действия). Как показала практика, распределение изобретательских функций по двум программам снижает их эффективность. Поэтому в настоящее время аналитические и изобретательские функции разделены. Все изобретательские функции собраны в Новаторе 4.0, а аналитические - в программе «Эффекты». Программа «Эффекты» представляет собой структурированную базу эффектов, которую можно использовать для причинно-следственного анализа технических и природных систем.

Примечание.
* Экспертная система TechCreator разработана Компанией Метод по заказу компании Invention Machine Corporation, США. Программы Phenomenon 1.0 и TechOptimizer 3.05 являются разработками компании Invention Machine Corporation, inventionmachine.com. В настоящее время права на эти программы перешли к компании HIS www.ihs.com.

Позиционирование программы Эффекты на рынке

Продажа индивидуальных и корпоративных лицензий

Программа Эффекты содержит базу технически значимых научных знаний. Это позволяет использовать её как информационно-справочную систему для поиска:

• описаний отдельных эффектов,
• значений свойств веществ и материалов,
• математических формул,
• определений терминов.

Найденные сведения можно использовать для разработки:

• концепций новых устройств и технологий вне зависимости от области их применения,
• расчетных моделей устройств и технологий.

Кроме базы знаний, программа Эффекты содержит алгоритмы решения прямой и обратной задачи причинно-следственного анализа. Прямая задача предполагает поиск последствий того или иного явления, а обратная – наоборот, поиск причин наблюдаемого явления. Таким образом, прямую задачу называют задачей анализа возможных следствий, а обратную – задачей анализа возможных причин.

Результаты решения прямой задачи можно использовать для определения:

• нежелательных эффектов функционирования технической системы,
• дополнительных функций технической системы,
• последствий природного явления.

Результаты решения обратной задачи можно использовать для определения:

• причин отказов, поломок и дефектов технической системы,
• причин нежелательных эффектов функционирования технической системы,
• воздействий, обеспечивающих требуемые изменения параметров элементов технической системы,
• способов предотвращения последствий природного явления.

Все сведения, полученные в процессе работы программы Эффекты, объединяются и оформляются в виде аналитического отчёта.

Программа Эффекты имеет открытую базу знаний. С помощью 4-х специальных редакторов можно расширять любой из её разделов. Эта позволяет использовать программу в качестве платформы для создания собственной базы научных знаний.

Перечисленные функциональные возможности определяют круг корпоративных и индивидуальных пользователей программы Эффекты.

Корпоративные пользователи Новатора

Тип пользователя	Мотивация покупки
Отдел качества	автоматизация ряда операций FMEA - анализа * повышение производительности труда привлечение знаний сторонних специалистов
Отдел исследований и разработок	выявление нежелательных эффектов функционирования технической системы определение дополнительных функций технической системы определение степени безопасности технической системы разработка математических моделей привлечение знаний сторонних специалистов
Отдел информационных технологий	создание и развитие базы знаний предприятия
Библиотека	приобретение новых баз данных
Высшее учебное заведение (ВУЗ) технического профиля	использование в процессе обучения разработка силами студентов коммерческих баз знаний

* FMEA (анализ характера и последствий отказов) является одним из стандартов системы качества ИСО 9000.

Индивидуальные пользователи Новатора

Тип пользователя	Мотивация покупки
Инженер-исследователь Конструктор Изобретатель Студент технического ВУЗа	привлечение знаний сторонних специалистов разработка математических моделей создание и развитие собственной базы знаний решение задач причинно-следственного анализа

Интеграция в систему управления жизненным циклом изделия (PLM)

Программу Эффекты можно интегрировать в систему управления качеством продукции и процессов производства.

В данное время, в системе управления качеством используется много различных методов: статистические методы, QFD, концепция «шесть сигм», метод Парето, и т.д. Одним из важных методов управления качеством является FMEA (анализ характера и последствий отказов). FMEA - анализ состоит из нескольких этапов. Самый сложный из них – это построение причинно-следственной диаграммы или диаграммы Исикавы (Ишикавы). Эта диаграмма представляет собой ориентированный граф, который в сжатой форме показывает логическую взаимосвязь причин, ведущих к дефектам продукции или сбоям в процессе производства.

Программа Эффекты содержит большую базу научных знаний и может решать прямую и обратную задачи причинно-следственного анализа. Это позволяет строить диаграммы Исикавы для различных продуктов и процессов в автоматическом режиме без привлечения экспертов.

FMEA - анализ является одним из стандартных методов и широко используется в системах управления качеством. В свою очередь, система управления качеством является важной частью систем управления жизненным циклом изделия – PLM (Product Lifecycle Management).

Как работает программа Эффекты

Решение задач причинно-следственного анализа (ПСА) программой Эффекты можно разделить на 4 этапа:

• Постановка задания,
• Моделирование системы,
• Анализ модели,
• Редактирование отчета.

Для решения задач ПСА Пользователь должен построить модель исследуемой системы и указать интересующее его явления. После этого, программа Эффекты находит последствия и причины этого явления. Результаты решения задач оформляются в виде отчёта.

Функционирование программы Эффекты поясняет следующая блок – схема.

1 Постановка задания

Программу Эффекты можно использовать после выбора Пользователем исследуемого явления. Для фиксации данных об этом явлении в программе используется модуль Постановка задания. В форме этого модуля Пользователь:

• указывает полное название явления;
• описывает техническую или природную систему, в которой происходит или может произойти это явление;
• вводит ряд типовых данных, необходимых для оформления титульного листа отчёта.

2 Моделирование системы

▶ Построение структурной модели

Для проведения причинно-следственного анализа необходимо построить структурную модель системы. Наиболее полно такую модель можно описать с помощью тернарного языка, оперирующего категориями объект, свойство и отношение [8, 9].

Структурная модель системы представляет собой блок-схему, которую Пользователь строит в объектном графическом редакторе. В этой модели Пользователь указывает подсистемы и элементы, образующие систему, а также пространственные и фазовые отношения между ними.

Для того чтобы описать изменение системы во времени, Пользователь может разделить модель системы на стадии. Модель стадии существования системы представляет собой отдельную блок-схему. Такие модели стадий связаны между собой хотя бы одной общей частью системы.

После построения структурной модели Пользователь, с помощью графического редактора, указывает на ней исследуемое явление. Для описания явлений в тернарном языке используются формулы типа:
«процесс - объект», например, «наличие магнитного поля»
«процесс - отношение - объекты», например, «наличие контакта между металлом и электролитом»
«процесс - свойство - объект», например, «увеличение температуры жидкости»
и т.п.

▶ Определение элементов модели

При разработке структурной модели системы Пользователь применяет привычный для него набор терминов. С другой стороны, программа Эффекты содержит обобщенные научные знания, т.е. знания, имеющие предельную степень общности. Для их описания используется фиксированный набор терминов. Поэтому велика вероятность формального несовпадения терминов в описании структурной модели и в базе знаний программы Эффекты. В этом случае, программа не сможет выполнить анализ модели. Для устранения этого терминологического несовпадения Пользователю предлагается установить отношения между терминами, используемыми в модели, и терминами Словаря.

3 Анализ модели

Как показали исследования, между явлениями существуют 4 не симметричных логических отношения. Это позволяет установить между явлениями логические связи. Кроме этого, между явлениями существуют онтологические связи через эффекты.

Множество явлений и указанных связей образуют структуру, которая представляет собой онтологию явлений конкретной предметной области [10, 11].

▶ Построение последовательностей эффектов

Для решения задач ПСА с учетом построенной структурной модели, программа Эффекты конкретизирует общую онтологию явлений. Из неё исключаются фрагменты, которые не соответствуют структурной модели. Это означает исключение из онтологии части явлений, логических и онтологических связей. В результате общая онтология явлений трансформируется в частную онтологию, соответствующую структурной модели.

После этого, на частной онтологии явлений программа фиксирует исследуемое явление и находит все решения задачи ПСА в виде последовательности эффектов. Решение прямой задачи ПСА – это последовательности, начинающиеся с эффекта, причина которого совпадает с исследуемым явлением. Решение обратной задачи – последовательности, заканчивающиеся эффектом, следствие которого совпадает с исследуемым явлением.

▶ Удаление противоречивых последовательностей эффектов

Найденные последовательности могут содержать эффекты, совместная реализация которых невозможна. Например, по условиям реализации одного эффекта требуется, чтобы пластина была погружёна в электролит, а по условиям реализации другого эффекта – окружена газом. Программа Эффекты находит противоречивые последовательности эффектов и удаляет их из списка решений задач ПСА.

4 Редактирование отчёта

После того, как найдена хотя бы одна последовательность эффектов, Пользователь может создать аналитический отчёт. Перед этим он может просмотреть содержание отчёта и, при необходимости, изменить состав его разделов, используя модуль Редактирование отчёта. В отчёте, решения прямой задачи ПСА оформляются в виде восходящего дерева явлений, а обратной – в виде нисходящего дерева явлений. Все свёрнутые логические связи между явлениями имеют расшифровку, а онтологические – объяснение в виде описания соответствующего эффекта.

Готовый отчет можно экспортировать в текстовый редактор MS Word.

5 Дополнительные функции

▶ Поиск данных

В режиме работы «Поиск данных» программа Эффекты позволяет найти:

• описания эффектов:

  • по названию,
  • по действию причины и / или следствия,
  • по реализуемой технической функции,
  • по объектам - носителям эффекта,
  • по наблюдаемым процессам и т.п.,
• значения свойств веществ и материалов,
• математические формулы,
• определения терминов.

Поиск данных ведется по ключевому слову, которое можно записать с помощью клавиатуры или по ключевым терминам из словаря. Программа Эффекты ведет поиск как по отдельному ключевому термину, так и по их набору. Найденные данные можно включить в отчёт.

▶ Просмотр справочной информации

В любой момент можно просмотреть Глоссарий программы и Справку (Руководство пользователя). В Глоссарии собраны термины, которые часто встречаются в описании элементов базы данных.

Глоссарий открыт для редактирования и пополнения.

Справка содержит все сведения, необходимые для самостоятельного обучения работе с программой Эффекты.

6 База знаний

База знаний программы Эффекты состоит из словаря терминов, базы эффектов, онтологии явлений и инженерного справочника.

▶ Словарь терминов

Словарь – это совокупность научно-технических терминов (понятий), между которыми установлены отношения синонимии и подчиненности. Термины словаря разделены на три группы: Объекты, Свойства и Отношения. Все термины имеют определения, а физические свойства – еще и размерность.

Словарь терминов применяется при постановке задания и моделирования системы. Кроме этого, словарь терминов используется при формальном описании всех элементов базы знаний: причин, следствий и условий реализации эффектов, математических моделей эффектов, явлений, таблиц значений свойств и т.п.

▶ База эффектов

Эта база представляет собой совокупность физических, физико-химических и биофизических эффектов.

Эффект – это причинно-следственная связь между двумя явлениями, реализующаяся в определенных условиях. Первое из этих явлений – причина эффекта, а второе – его следствие.

Описание эффекта содержит графическую и текстовую части. Графическая часть состоит из двух взаимосвязанных иллюстраций. Одна иллюстрация показывает внешние проявления эффекта, а другая поясняет его внутренние причины.

Текстовая часть описания эффекта также содержит:

• перечень условий, которые необходимо создать для реализации эффекта,
• экспертную оценку пределов изменения показателей эффекта,
• объяснение,
• расчетные модели с примером расчета,
• экспериментальные данные,
• значения свойств веществ и материалов, используемых в расчетных моделях,
• области применения эффекта в технике со ссылками на патенты и авторские свидетельства,
• литературу, в которой эффект описан подробнее.

[Пример описания эффекта]

▶ Онтология явлений

Данная онтология представляет собой совокупность явлений, между которыми установлены логические и онтологические отношения. В онтологию включены явления, наблюдаемые как в технических системах, так и в природе.

▶ Инженерный справочник

Справочник содержит информацию, используемую в инженерной деятельности. В первую очередь, это таблицы со значениями физических и физико-химических свойств веществ и материалов, а также практически полезные математические формулы.

7Редакторы базы знаний

Программа Эффекты имеет открытую базу знаний. В состав программы входят 4 отдельных редактора:

• редактор словаря терминов,
• редактор эффектов,
• редактор явлений,
• редактор справочника.

С помощью этих редакторов Пользователь может изменять и дополнить любую часть базы знаний, записав в нее известные ему сведения. Программа Эффекты объединяет новые и старые знания, установив между ними нужные логические связи.

Если после дополнения базы знаний повторно решить известную задачу ПСА, то число найденных последовательностей эффектов может увеличиться!

Теоретическая база проекта «Эффекты»

Основные понятия, принципы построения баз эффектов и общие вопросы создания онтологий изложены в приведенных ниже работах.

1. Koller R. Konstruktionsmethode für den Maschine, Geräte und Appratebau. Berlin, Springer – Verlag, 1976.
2. Автоматизация поискового конструирования. Под редакцией А.И. Половинкина, Москва, Радио и связь, 1981.
3. Зарипов М.Ф. и др. Энерго-информационный метод научно-технического творчества. Москва, ВНИИПИ, 1988.
4. Бородастов Г.В., Денисов С.А. и др. Указатель физических явлений и эффектов для решения изобретательских задач. Москва, ЦНИИатоминформ, 1979.
5. Глазунов В.Н. Поиск принципов действия технических систем. Москва, Речной транспорт, 1990.
6. Лукьянец В.А. и др. Физические эффекты в машиностроении: Справочник. Москва, Машиностроение, 1993.
7. Камаев В.А. и др. Физические явления из материалов заявок на открытия по физике. Волгоград, ВолгГТУ, 1995.
8. Уемов А.И. Вещи, свойства и отношения. Москва, Издательство Академии наук СССР, 1963 г.
9. Уемов А.И. Системный подход и общая теория систем. Москва, Мысль, 1978 г.
10. Гаврилова Т.А. Хорошевский В.Ф. Базы знаний интеллектуальных систем. Санкт-Петербург, Питер, 2000.
11. Guarino N., Giaretta P. Ontologies and Knowledge Bases. Amsterdam, IOS Press, 1995.