Поиск новых технических решений на основе морфологического анализа
Основные методы научно-технического прогнозирования
Прогнозирование — это процесс формирования вероятного суждения о будущем состоянии некоторого объекта на основе анализа тенденции его развития. Наличие прогноза позволяет избежать ошибочных, преждевременных или запоздалых решений, что весьма важно для ускорения темпов научно-технического развития. Прибыль, получаемая от систематического внедрения прогнозов, в 50 раз превышает затраты на прогнозирование (это определили Давыдов и Лисичкин).
Все известные методы прогнозирования можно разбить на 4 группы:
1. Методы, которые базируются на фактографической информации, представленной обычно в виде временныхрядов.
2. методы, которые базируются на эвристической информации, полученной от высококвалифицированных специалистов.
3. Методы, которые основаны на принципе аналогии: биологической, исторической или математической.
4. Комплексные методы, которые основаны на сочетании различных методов прогнозирования и средств реализации.
1-й. Например, мы обладаем данными по средней мощности автомобиля с 1901...до 1987г. Какая будет в 2002 г?
2-й. Метод Дельфи — метод экспертных оценок, например, «сколько надо выпускать компьютеров в следующем году?».
4-й. К числу перспективных комплексных методов относятся: метод Паттерн (США,1964г) и метод прогнозного графа (СССР, 1969г). Оба метода служат для обеспечения плакирования и управления разработками крупных программ.
Метод Паттерн постоянно применяется в США в области вооружения, космических исследований и медицины. Практическое использование метода начинается с составления сценария, т.е. документа, в котором анализируются национальные цели, направления усилий и задачи на перспективу. На основе сценария дерево целей и находятся коэффициенты относительной важности для всех его элементов. Одновременно осуществляется прогноз научно-технического развития, и на его основе определяются:
1. Коэффициенты, характеризующие состояние и сроки разработки.
2. Коэффициенты, характеризующие полезность разработок в других областях.
С помощью ЭВМ определяются прогнозные оценки на заданный момент времени с учетом всех коэффициентов.
Рис.18.5 — Прогнозные оценки
Метод прогнозного графа дает возможность прогнозировать те или иные события, время и вероятность их наступления. Основой метода является прогнозный граф, отражающий суждение экспертов в отношении конечной цели, путей ее достижения и имеющихся ресурсов. Граф может насчитывать несколько тысяч событий и содержит множество путей достижения конечной цели. Обработка информации на ЭВМ позволяет оценить различные пути на графе и выбрать решение, оптимальное по стоимости, времени и другим критериям. С помощью соответствующих программ осуществляется перестройка графа, его упорядочение и обновление. По мере поступления новой информации выполняется переоценка путей достижения конечной цели.
Рис.18.6 — Переоценка путей достижения конечной цели
Для высшего качества проработки технических решений служит новый класс методов — методы поиска новых технических решений.
К числу перспективных относится метод морфологического ящика Ф Цвикки, позволяющий систематизировать <возможные технические решения и выбрать из их числа рациональные решения. При этом синтезируются как известные, так и новые технические решения, которые при несистематизированной деятельности вообще могут быть упущены.
Одна из модификаций метода состоит в следующем:
1. Определяется целевое назначение искомого технического объекта
2. Исходя из целевого назначения объект разделяется на важнейшие функциональные узлы
3. Для каждого функционального узла, независимо от других узлов, находится множество технических решений
4. Состоится морфологическая матрица, содержащая возможные технические решения
5. На основе матрицы выбирается техническое решение для объекта в целом
Дадим иллюстрацию метода на примере выбора рациональной структуры КТС АСУ на предпроектной стадии:
1. Своевременное поступление качественной информации для принятия решения
2. Функциональные узлы:
o P1 — регистрация и сбор информации;
o P2 — передача информации;
o P3 — подготовка информации;
o P4 — ввод информации;
o P5 — обработка информации;
o P6 — вывод информации.
3. Технологические решения
P1 → P11, P12, ...
P2 → P21, P22, ...
...
P6 → P61, P62, ...
т.е. есть функциональный узел P1 и для него мы определяем множество возможных решение и т.д
4. Морфологическая матрица. Матрица потенциально содержит множество структур. Предположим, что нас устраивает O. Соединим O и получим вариант структуры КТС.
5. Pациональная структура.
Задача: пусть объектом проектирования является система телекодовой радиосвязи, которая предназначена для помехоустойчивой передачи двоичной информации от источника к получателю.
Рис.18.7 — Система телекодовой радиосвязи
Кодер — обладает корректирующим свойством (внесением дополнительных символов). Выбираем все, кроме приемника. Известна матрица альтернативных технических средств. Эта матрица уже упорядочена.
Матрицу составили в порядке изменения характеристик.
!Стоимость — дело соглашения. Выбирать только по стоимости не целесообразно. Выбор нужно производить по техническим требованиям.
Требуется найти оптимальный по стоимости вариант системы, который обеспечивает передачу информации со скоростью V = 1200бит/сек и вероятность ошибки не более, чем Pош = 0,001 (т.е. 1 ошибка на 1000 передаваемых символов).
1. Традиционный подход предусматривает выбор самых дешевых кодека, модема и передатчика, исходя из заданных требований к системе.
Выбор кодека: K0 → C(K0) = 0
Выбор модема: M2 → C(M2)
Выбор передатчика: Pош = f(P) или f(P) = 10-3
Эту мощность обеспечивает только П4 — С(П4)
В результате выбора имеем:
Вопт = (K0, M2, П4) (*)
С = С(M2) + С(П4)
Вариант системы со звездочкой не является opt, т.к. стоимость системы по этому варианту не является минимальной, хотя на каждом из этапов выбиралось самое дешевое решение.
2. Системный подход предусматривает отбор допустимых вариантов системы, исходя из заданных требований, оценку этих вариантов по стоимости и выбор варианта с минимальной стоимостью.
3. Отбираем сочетание кодеков и модемов по заданной скорости передачи информации Vпер = (1-R)⋅I = 1200 где R — характеристика по модемам, I — пропускная способность по модемам. Данному условию удовлетворяют такие сочетания: (K0, M2), (K0, M3(1)), (K0, M4(1)), (K1, M3(2)), (K1, M4(2)), (K2, M4(3))
4. Отобранные сочетания кодеков и модемов проверяем на требования по вероятности ошибки: Pош = 0,001. Если в i-том решении Р < 60 КВт, то сочетание кодека и модема вместе с соответствующим передатчиком относят к разряду допустимых.
5. Определяем стоимость допустимых сочетаний кодека, модема и передатчика C = C(Kдоп) + C(Mдоп) + C(Пдоп)
6. Выбираем допустимое сочетание кодека, модема и передатчика, оптимальное по критерию стоимости.
В данной задаче оптимальное решение следующее:
Вопт = (K1, M4(2), П2) (**)
C = С(K1) + С(M4(2)) + С(П2)
Вариант системы (**) является оптимальным, т.к. стоимость системы по этому варианту является минимальной,причем система оптимизировалась в целом как единый объект. Каждая система должна оптимизироваться в целом, т.е. как единый объект с заданным целевым назначением, т.к. оптимизация по частям не дает в общем случае оптимальной системы и оправдано лишь в двух типичных ситуациях:
1. Когда части системы независимы по оптимизируемым параметрам (это очень редкий случай);
2. Когда оптимизация системы в целом затруднительна в силу ее сложности или каких-либо других причин.
