классификацией приемов конструирования. Выявление основных принципов и приемов конструирования должно привести в конечном итоге к моделированию этого процесса и последующей автоматизации его с помощью ЭЦВМ. Как будет показано ниже, процесс конструирования тесно связан с графическим конструированием. Последнее является основным инструментом конструирования и не может быть исследовано с точки зрения структуры без предварительного изучения некоторых качественных сторон конструирования вообще.

Приведем эвристическую модель процесса конструирования, которая была получена нами с .помощью итерационного эксперимента. Любое конструирование начинается после возникновения задачи - цели процесса. Эта цель может быть более или менее четко сеормулирована в виде технического задания, где описываются качественные и количественные характеристики объекта конструирования. На практике часто заранее трудно точно определить все необходимые характеристики будущей конструкции, и в процессе конструирования всегда присутствует потенциальная осуществимость конструкции, лучшей, чем та, которая описана заданием. Задача, поставленная перед конструктором, обеспечивает появление у него эвристической установки. Конструктор начинает мыслить на языке потребности, имея в виду будущую конструкцию и соотнося появляющиеся ситуации с этими потребностями. При этом выявляются два плана деятельности мозга: управляемый план - сознание (на этом уровне используется язык образов, язык понятий) и управляющий план - установка (на этом уровне используется язык отношений). Процессы, идущие на уровне установки, обеспечивают некоторое поле поисков, сужая алфавит потребных образов и понятий.

Информация, используемая для конструирования, представляет собой, грубо говоря, иерархическую систему, в которой можно наметить несколько информационных слоев и множество классов. Всякая классификация, конечно, условна, особенно если она относится к памяти, к мышлению, где все процессы очень подвижны. Те классы, которые мы наметим, относятся только к процессу конструирования и служат для приближения к некоторой информационной модели этого процесса.

Прежде всего скажем о слоях памяти. Существует информация в памяти, о которой мы привыкли судить как о геометрической. Этот слой содержит объекты, описанные на уровне понятий, в которых сконцентрированы существенные признаки множества конкретных вещей. Любой конструктор может перебрать в памяти известные ему поверхности и тела, например, плоскость, коническая поверхность, шар, многогранник и т. п. Ему совершенно

1 Модель включает в себя только те стороны сложнейшего процесса конструирования, которые важны для выделения основных классов задач графического конструирования. -

ясны понятая и образы точки, прямой, ломаной, кривой линии и т. п. Этот геометрический слой может существенно обогащаться у специалиста, а в иных случаях быть-очень бедным. Однако он есть, по-видимому, у всех и сознательно используется, по крайней мере, теми, кто сколько-нибудь изучал геометрию.

Геометрический слой играет очень большую роль в конструировании, однако геометрические понятия и образы соединены с функциональными качествами будущей конструкции весьма сложной цепью. Это обстоятельство является одним из условий привлечения другого слоя памяти, назовем его условно вещественным . Конструировать на уровне точек, линий, поверхностей не всегда рационально. Все зависит от объекта конструирования, от стадии процесса и от ряда других причин, которые в конце концов заставляют конструктора обратиться к вещественному слою. Образы этого слоя делятся на классы, содержание которых в конструировании зависит от профессиональной направленности конструктора, его производственного опыта. Например, конструктор-разработчик радиоэлектронной аппаратуры имеет в качестве образов этого слоя транзисторы, резисторы, конденсаторы и т. п. и может не иметь образов, допустим, некоторых специальных болтов, которые в радиоэлектронике не применяют. В то же время конструктор-машиностроитель может не подозревать, что существует резистор определенной формы и размеров. У высококвалифицированных конструкторов вещественный слой памяти очень специален и целеустремлен, что обеспечивает высокую производительность и мастерство конструирования.

Геометрический слой связан с вещественным так же, как понятие связано с конкретным классом вещей, свойства которых оно описывает. У конструктора эта связь часто выступает как потенциальная осуществимость конкретной вещи, характеризующейся определенными свойствами. Каждый конструктор может представить себе вал как соединение цилиндров и плоскостей, отображающих форму вала как конструкции. С другой стороны, конструктор может представлять вал в памяти как образ конкретной вещи. Этот образ гораздо богаче геометрического.

Процесс конструирования выступает как мысленный эксперимент, совершаемый с помощью всех слоев памяти. Однако необходимо еще раз подчеркнуть роль геометрического слоя. Этот слой, во-первых , участвует во всех видах конструирования, а, во-вторых, здесь складываются такие качества объекта конструирования, как форма и величина, а эти качества являются основой, на которой вырастает функционально значимый объект. Значение вещественного слоя также очень велико. Здесь огромную роль играет стандартизация и нормализация, позволяющие разумно классифицировать объекты вещественного слоя, используемые для конструирования. Стандартизация и нормализация настолько организуют информацию, что во многих случаях конструирование сводится к процессу составления объекта из готовых, функцио-

ИаЛьнО законченных блоков. Это облегчает Конструирование, повышает его надежность, приближает его к оптимальному, так как способствует распространению наилучшего опыта, который заложен в стандартах. Кроме того, облегчается процесс эвристического моделирования, а следовательно, и процесс автоматизации конструирования.

Вернемся теперь к самому процессу конструирования. Возникшая в результате ознакомления с заданием эвристическая установка сужает поле поиска. Концентрация данных производственного и жизненного опыта вокруг условий задания обеспечивает отбор из памяти тех образов, которые так или иначе подходят для решения. С каждым таким образом связывается определенное его значение и определенный смысл, отвечающие условиям задачи. Конструктор вьГбирает образ, оценивает его и либо отбрасывает, заменяя другим, либо продолжает анализировать в плане потребностей конструкторской задачи. При этом некоторые образы отражают первичные подходы к решению. Они возникают в сознании, мгновенно оцениваются и т. д. Таким образом, в процессе конструирования оперируют с материалом, который является более или менее ярким образом и в то же время осознается смысл, значение этого образа для решения конструкторской задачи. Отбор образов идет в форме объединения разнообразных данных на основе большего или меньшего сходства внутреннего единства между образом и условиями, наложенными на конструкцию. В психологии такое явление называется ассоциацией.

Одной из основных творческих черт конструирования является быстрота процессов ассоциации, построения образов, разнообразных сопоставлений, включающих в себя анализ, диссоциацию и другие преобразования возникающих образов. В результате более или менее длительных опытов, поисков аналогичных случаев (иногда с помощью статистики проектов, литературных источников), проб и ошибок возникает конструктивно-эвристический образ, который кладется в основу дальнейшей творческой деятельности. Последняя включает, в частности, конкретизацию образа конструирования Б плане все более дифференцированного обоснования его объективного значения.

Важнейшим моментом в ходе конструирования является мысленный эксперимент. Образ конструкции при этом ставится мысленно в различные условия, конструкция разбирается , собирается , поворачивается и т. д. Все это делается с целью выявления или присоединения различных свойств и особенностей образа. Объем мысленного эксперимента в ходе конструирования зависит, конечно, от содержания задачи. Он может сводиться к минимуму в задачах расчетного класса и быть превалирующим в задачах, где приходится представлять себе различные движения, связи одной части с другой.

Процесс конструирования и чертеж

Рассмотрим процесс общения конструктора с чертежом в ходе конструирования. Необходимость все время держать в памяти конструктивный образ и проводить с ним мысленный эксперимент требует наличия внешнего накопителя (относительно памяти конструктора) информации. Попытка усилием воли проанализировать множество мелких деталей конструкции заставляет отступать на второй план другие ее свойства. Наконец, перебор мелких деталей, анализ их взаимосвязей происходит также последовательно. При этом необходимо по нескольку раз отвлекаться от строго направленного процесса, возвращаться назад, браковать тот или иной вариант, начинать вновь.- Делать это мысленно, сохраняя в памяти все, что необходимо для анализа, невозможно из-за направленности внимания. Мысленный взор конструктора скользит по конструкции , высвечивая то одну, то другую ее часть, а все остальное в это время погружается в туман периферийного зрения. Нечто подобное происходит, например, при чтении страницы книги. Чертеж является тем полем, на котором конструктор может в реальном для процесса конструирования времени зафиксировать свой мысленный эксперимент. При этом время обращения к информации, закодированной в чертеже, настолько мало, что процесс общения с чертейсом выступает как общение с конструкторской идеей. Зрительные алгоритмы построения и чтения чертежа в процессе конструирования выступают как мысленное манипулирование оригиналом с последующим кодированием его в изображения чертежа с помощью графических операций. Здесь преодолевается противоречие между линейной структурой чертежа и непрерывностью оригинала, внешний облик которого богаче, так как формируется не из линий, а из поверхностей. Наконец, чертеж позволяет решать вопросы конструирования коллегиально, ибо является отображением процесса независимо от числа участвующих в нем.

Конструирование как сложная система

В случаях, когда рассматривается взаимодействие человека с некоторыми объектами, появляется понятие сложной (или большой) системы. При рассмотрении система разделяется на части - подсистемы, взаимодействие которых анализируется с точки зрения единого критерия. При этом часто формируется иерархия подсистем различного уровня, где действуют свои локальные критерии, причем последние связаны с общим для всей системы критерием, и структура этих связей также является иерархической..

Для того чтобы представить себе общую схему графического конструирования в виде системы, попробуем представить себе весь процесс конструирования, отвлекаясь от конкретного объекта конструирования. Пусть имеется множество элементов конструирования: М \а, Ь, ...\, составляющих алфавит формальных объ-

ектов. Известны также элементарные преобразования: Т \а, р, ...}, позволяющие осуществлять различные изменения параметров формы и положения объектов М. Пусть, наконец, известны правила Ri {i = 1, 2, n) составления последовательно-ностей из Т. Если теперь иметь описание, определяющее качества формальных объектов М, которое позволяет применять к ним составленные по правилам Ri последовательности преобразований из Т, то мы сможем получить новые виды объектов типа \М\. Другими словами, имея некоторое исходное множество объектов {М\, мы сможем создавать новые объекты. Поясним это. Конструирование как процесс всегда целенаправлено, что может быть отображено следующей формальной схемой. Пусть заданы функции Fj (Н),- / = 1, 2, т; i = 1, 2, t, отображающие взаимное влияние и связи элементов из \М\ при объединении их в конструкцию. Для осуществления целей конструирования известен набор [V\ высказываний, играющих роль внешних по отношению к \М\ ограничений, влияющих на выбор т^М. Зададим набор булевых функций {Фу, принимающих значение Ф^- = 1 в тех случаях, когда достигнута одна из целей конструирования, и Фу =0 - в противном случае. Каждой Ф^ Фу} поставлен в соответствие некоторый вес Р^, отображающий степень важности цели- в процессе конструирования. Оптимальность конструкции связана с достижением максимума суммы весов целей конструирования, для которых Ф; 1. Функция цели при этом будет выглядеть так:

Фй=тах2Р;.-

Рассмотрим некоторые свойства выделенных выше множеств и функций.

Множество \М\. Вследствие тесной связи элементов конструирования с материальным миром это множество могло бы быть бесконечным. Однако, как было выяснено выше, процесс конструирования всегда в известной степени детерминирован, так как ограничен исходными данными, степенью унификации, нормализации, стандартизации элементов, а также проходит в рамках профессионального опыта конструктора. Свободного конструирования в смысле сотворения вещи из ничего не существует. Таким образом, множество [М\ при потенциальной осуществимости неограниченного пополнения остается некоторым конечным набором. Часто конструктор в качестве \М'\ G \Mj\ использует подмножество объектов, которые сами по себе были предметом конструирования. Такие объекты перечислить обычно несложно. Труднее перечислить объекты геометрического слоя памяти, привлекаемые к конструированию \M\\Mj\. В общем машиностроении это сделать легче, но можно представить себе случаи (например, в авиа- и автомобилестроении), где такие элементы сами по себе образуют систему.

в процессе конструирования человек формирует различные информационные модели объекта конструирования. Такой моделью является, например, расчет. Однако важнейшими моделями являются графические, из которых завершающей моделью будет рабочий чертеж. При разработке информационных моделей из [М] выделяется некоторое подмножество {M\ вещей. Например, часто конструкция является преобразователем какой-нибудь энергии. Здесь бывает важно отобразить связи между элементами, не зависящие от их формы и размеров и описываемые некоторым подмножеством из множества Ff {Д. Эти связи обеспечивают функционирование конструкции. Возникающая при этом функциональная схема в виде кинематической, принципиальной электрической и т. п. применяется очень часто; При переходе к такой схеме из \М\ происходит последовательное выделение конечного подмножества М' {а, Ъ, п\ элементов, необходимых для функционирования конструкции. Их выбирают с учетом Fj и вытекающих отсюда последствий по достижению целей конструирования. Кроме того, выделяется некоторое множество графических знаков М^р \с, d, п], причем между М и М^р имеется взаимно однозначное соответствие. Для установления такого соответствия известны правила 7* преобразования т^-М' в mPiW. Наконец, при вычерчивании схемы выделяют {7И' \Т'\ и [R], позволяющие составить графические последовательности, объединяющие т) \М'] в условные знаки схемы, отображающие

Схемы являются наглядными информационными моделями, позволяющими реализовать fF с высокой скоростью. Реализация происходит по правилам восстановления /П/ -* /Пу и f)- -* 14, которые выполняет человек с помощью пространственного мышления и узнавания по графическому знаку как образу того прообраза, который поставлен ему в соответствие. На последующих этапах конструирования возникает проблема целесообразного размещения 7И= в пространстве, так как каждый т=7И<= имеет форму и размеры, неучтенные в функциональной схеме. Информационная модель значительно обогащается. Происходит как конструкторский выбор с учетом многочисленных условий, так и графическое отображение на уровне чертежа. Здесь и возникает графическое конструирование в полном объеме. Исходными являются множества 7И=и F<, а также схема, если она имеется. В какой-то мере процесс графического конструирования напоминает процесс составления схемы, изложенной выше. Выделяется подмножество элементов чертежа [М ]; здесь так же, как и в схеме, участвуют \М^} только подмножества Т, и правила R обогащаются за счет правил ГОСТ и начертательной геометрии. Установление соответствия между {ТИ } и \М^\ происходит в рамках процесса вычерчивания чертежа и его чтения.

Множества Т п R. Если говорить о конструировании как о целесообразном размещении элементов в пространстве, то множества \Т\ и \R\ включают в себя геометрические операторы, обеспечивающие различные перемещения этих элементов. Эти перемещения происходят в зависимости от Fj (,.). В качестве стандартных операторов здесь можно наметить операции выбора элемента из множества \М'\, замены одного элемента другим, плоскопараллельного перемещения элемента в пространстве, поворотов. Наконец, возможно применение двух последних операторов совместно.

Элементарные преобразования \Т\ формы и размеров элементов, совершаемые человеком мысленно, практически могут быть любыми, начиная с подобных и кончая топологическими. Мысленно можно провести Мембранное преобразование любой поверхности, когда она или ее часть представляется в виде растяжимой пленки типа мембраны.

Основным элементом чертежа является линия. Все поверхности оригинала необходимо задать на чертеже с помощью линий, поэтому фундаментальным классом задач, обеспечивающим процесс построения чертежа, являются задачи на построение общей части двух элементов. Именно взаимные пересечения элементов, инциденций обеспечивают обратимость чертежа, его полноту.. Как известно, преобразование оригинала в изображение сопровождается потерей информации, поэтому множества \Т\ и \R\ дополняются не только правилами решения позиционных задач, но и правилами составления из элементов чертежа изображений, в которых будет сохранена необходимая информация. Эти пра; вила выбора видов, разрезов и сечений и т. п., которые могут быть объединены в класс задач, называют оформлением чертежа.

Возникает также необходимость в обслуживании процесса восстановления по чертежу оригинала и отображения на изображении различных его изменений. Фундаментальной задачей здесь является задача геометрического измерения, а соответствующий класс задач, называемых метрическими, включает в себя отображение на чертеже перемещений оригинала в пространстве. Наме- ченные нами классы задач являются составными частями системы графического конструирования. В то же время каждый класс или процесс представляет собой иерархическую подсистему.

Функции Fj () и множество высказывания V. Эти функции и высказывания описывают те требования к конструкции, которые являются глобальными, и те, которые вытекают.из ее дискретных свойств. Глобальные качества конструкции могут быть получены в тех случаях, когда выполнены требуемые взаимосвязи и обеспечены необходимые взаимные влияния элементов конструкции относительно друг друга и относительно конструкции в целом. Ограничения из множества \V\ описывают также свойства конструкции и ее частей. Получение полных относительно требуемой конструкции списков Fj {1 и \У\ в конкретных задачах алго-

ритмического описания конструирования весьма затруднено тЫ, что часть этих функций и ограничений не фиксируется, так как считаются интуитивно ясными или само собой разумеющимися. Кроме того, в начале конструирования не всегда ясна связь между свойствами конструкции и искомыми ее функциями. В результате и в этих случаях при построении формальной модели приходится применять естественный итерационный эксперимент.

Функции Фу. Как говорилось выше, множество Ф^. находится в соответствии с множеством целых положительных чисел Р, называемых весами. Каждый элемент множества Ф^- принимает значение О или 1 в зависимости от некоторых факторов, связанных с Fj и \V\. Подмножество факторов, отнесенных к некоторой Ф;, будем называть шлейф Ф;>. При выполнении всех условий шлейфа Ф; = 1, при невыполнении хотя бы одного условия ф; = 0. Когда формулируются цели конструирования, приходится преодолевать трудности, аналогичные тем, которые были отмечены при формировании \Fj\ и \V\. В ряде случаев задачу построения конструкции, удовлетворяющей множеству {Ф,-}, можно поставить как задачу распознавания образа.Дискриминант-ные функции, определяющие классификационные области, выбирают с помощью процесса обучения машины. Последнее весьма существенно в тех случаях, когда по тем или иным причинам параметры, входящие в шлейф Ф^, выделить не удается.

Ниже приведена схема системы автоматизации графического конструирования, на которой наглядно видны (рис. 96) выделенные нами подсистемы и их взаимные связи.

Ввод исходных данных может быть выполнен с перфокарт, перфолент, с помощью светового .пера либо другого технического устройства, позволяющего вводить графическую информацию. Наконец, если система используется как выходная для общей системы автоматического конструирования, то внешний ввод информации в систему не нужен, так как исходные данные образуются в процессе конструирования. Может быть введено как опи-. сание чертежей, так и описание оригинала.

Директивные данные включают в себя сведения о том, какие задачи должны быть решены системой при введенных исходных данных. Директивные данные вводятся с помощью языка общения пользователя системы и ЭВМ. При этом применяют соответствующие технические средства (пишущая машинка, воздействующая на транслятор, световые кнопки, функциональная клавиатура и т. п.). Директивные данные воздействуют на операционную систему, которая интерпретирует слова директивы в машин- ное слово очередности использования подсистем ИНГРАФО и действует как программа-диспетчер.

Рассмотрим краткую характеристику подсистем, имея в виду, что более подробные сведения читатель получил из предыдущих глав, где описаны основные алгоритмы, входящие в систему.

Сна

Ввод исходных и директивных данных

Операционная система

±

Л

Подсистема решения позиционных и метрических задач на чертенке

и оригинале

Подсистема сервисных программ, позволяющих работать с изовратением

©

6 ф ®

Подсистема автоматического

проецирования оригинала В изображения и реконструкция последних в оригинал

г

Подсистема Оформления чертежа , включая выбор видов, разрезов и сечений, нанесение размеров, компановку и размещение гео-метрических фигур

Подсистема оптими-зации процессов

Подсистема автоматического вывода графической

индзормации

Подсистема конструирования

по заданному алфавиту фиеур и операций над ними

Рис. 93. Схема системы ИНГРАФО автоматизации графического конструирования

Подсистема решения позиционных и метрических задач

Программы, обслуживающие эту подсистему, дают возможность решать задачи (на чертеже или на оригинале) построения пересечений геометрических образов, включая поверхности второго порядка. Решаются также прямые и обратные метрические задачи. В качестве примера достаточно сложной метрической задачи можно привести автоматическое разрезание, развертывание и построение фигуры развертки многогранной поверхности. Примером важной позиционной задачи, которая часто используется в системе, является построение сечения геометрического объекта в случаях, когда он задан кодами чертежа или кодами пространственной структуры!

Подсистема автоматического проецирования и реконструкции оригинала на чертеже

Эта подсистема является основной, наиболее сложной и интересной. В ней по существу, алгоритмизированы основные процессы графического конструирования: преобразование оригинала в изображение и чтение чертежа. Подсистема в качестве входа использует ко;а>1 чертежа либо пространственного образа, а также пара-

метры аппарата проецирования. На выходе подсистема может обеспечить любое изображение типа аксонометрического чертежа, в том числе оптимальную аксонометрию и вырожденные аксонометрии, которые могут быть использованы как виды комплексного чертежа. Кроме того, на выходе может быть получена перспектива на вертикальной либо наклонной плоскости, а также оптимальная перспектива. При выводе изображений автоматически определяется видимость линий на них.

В составе подсистемы имеется программа восстановления пространственного образа по кодам его чертежа. Эта программа используется при построении любой аксонометрии либо перспективы. Однако она имеет и самостоятельное значение, так как фактически позволяет читать чертеж. В качестве перспективного развития этой подсистемы можно указать на алгоритмы криволинейного проецирования, а также распространения алгоритмов проецирования и чтения чертежа на случаи, когда эти процессы происходят в пространстве более трех измерений.

Подсистема оформления чертежа

Эта подсистема замечательна тем, что большинство задач, разрешаемых ей, - неформальны. Подсистема включает в себя стандартную подпрограмму, реализующую оформление листа чертежа рамкой и угловым штампом в соответствии с ЕСКД-Параметры рамки и основной надписи определяются по размерам листа. Наиболее значительными являются программы, управляющие размещением на плоскости' объектов типа фигура , символ , группа символов . Здесь можно выделить задачи по размещению размеров на проекциях комплексного чертежа при заданном размерном графе. Выбор состава комплексного чертежа или параметров наглядного изображения осуществляется также набором специальных программ, реализующих определенное направление проецирования с целью получения необходимого вида либо выбор числа и положения секущих плоскостей, организующих размеры и сечения.

Рассматриваемые ниже подсистемы сервиса , оптимизации процессов, конструирования новых фигур являются вспомогательными в системе.

Подсистема сервиса

Эта подсистема позволяет изменять параметры изображения, осуществляя различные его преобразования (например, подобное, реализующее масштабирование; поворот; перемещение и т. п.). Программы этой подсистемы управляют типами линий чертежа, обеспечивая их выбор. Сюда же включены некоторые программы, обслуживающие типовые задачи других подсистем. Например, программа триангуляции многогранной поверхности и некоторые другие.