ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ | Кушнир А. Ю.
Магистр ДонНТУ Кушнир Артем Юрьевич
Кушнир Артем Юрьевич
Факультет компьютерных наук и технологий
Программное обеспечение автоматизированных систем
Тема выпускной работы: Реализация ассоциативного поиска и
логического вывода в БЗ с помощью SQL-запросов

Научный руководитель: доцент, к.т.н., с.н.с. Андрюхин Александр Иванович

Реферат по теме выпускной работы *

Введение

Человек часто стремится к тому, чтобы сделать жизнь лучше. Есть много ответов на вопрос, почему это происходит, и они не являются предметом рассмотрения данной статьи. Человек знает свою потребность (цель) и для ее удовлетворения (достижения) он использует инструменты. Техническое развитие человечества — это развитие инструментов. Научная деятельность направлена на открытие путей удовлетворения потребностей и изобретение новых решений.

По мере развития человечества объем знаний увеличивается. «Знание — зафиксированная и проверенная практикой информация, которая может многократно использоваться людьми для решения тех или иных задач.»[1] В античные времена один ученый мог обладать большей частью всех знаний и использовать ее в процессе изобретения. Сейчас возможности человека по освоению, запоминанию, использованию знаний возросли, но этот рост очень мал в сравнении с ростом объема знаний.

Один человек или даже группа людей не может обладать или использовать весь объем знаний человечества. В то же время, чем больше знаний будет использовать человек в процессе изобретательской деятельности, тем более продуктивной она будет. Например, инженер обычно знает около 200 различных физико-технических эффектов, может применять не более 100, а в технической литературе их описано более 3000 [2]. Кругозор и возможности инженера в процессе изобретения возрастают вместе с числом физико-технических эффектов, которые он может использовать.

Увеличение продолжительности жизни человека, повышение уровня его умственных способностей и скорости освоения знаний улучшат изобретательские возможности человека. Однако эти процессы людьми в основном не управляются. Другим решением является построение искусственной интеллектуальной системы, которая, обладая большим объемом знаний, могла бы синтезировать идеи, физические принципы действия, технические решения, которые можно использовать для удовлетворения потребностей людей. Данная работа посвящена исследованию принципов работы такой системы и ее разработке.

Предмет разработки и исследования

Предметом исследования являются методы теории решения изобретательских задач (ТРИЗ), предназначенные для генерации новых технических решений. Предметом разработки является система, производящая ассоциативный поиск и логический вывод в базе знаний и генерирующая варианты возможных физических принципов действия новых устройств.

Актуальность темы

В настоящее время, как показывают конференции, проводимые в Америке и Европе, в мире ведутся многочисленные исследования и разработки по различным аспектам и модификациям ТРИЗ, накапливается опыт практического использования теории в различных областях человеческой деятельности, выходящих порой за рамки инженерных проблем. Промышленные компании и их исследовательские центры начинают переходить к организации систематического обучения специалистов по ТРИЗ у себя на предприятиях и ищут системные пути внедрения ТРИЗ-технологий. Вузы Европы и Азии начали разработку новых специализаций на звание Бакалавр и Магистр Проектирования Инноваций. Автоматизация изобретательской деятельности является важной задачей. Требования к наукоемкости программных продуктов повышаются. Основываясь на этом, можно говорить об актуальности темы работы.

Цель и задачи разработки и исследования

Целью работы является разработка и реализация метода анализа и решения изобретательских задач, который позволяет получить множество альтернативных технических решений, каждое из которых удовлетворяет требованиям исходной изобретательской ситуации. Метод основывается на ассоциативном поиске и логическом выводе в базе знаний, работа с данными в которой осуществляется при помощи SQL-запросов. Задачами являются:
  • Реализация системы заполнения базы знаний, извлекающей знания из текста.
  • Хранение базы знаний в реальной базе данных с использованием существующего ПО для реализации вывода и поиска.
  • Построение механизма работы логического вывода и ассоциативного поиска с помощью SQL-запросов.

Предполагаемая научная новизна разработки и исследования

Новизна исследования и разработки заключается в реализации нового аналитического и решательного инструмента ТРИЗ, а также в способе заполнения и обновления базы знаний, используемой данным инструментом. В частности, автор считает новыми следующие конкретные предложения:
  • Использование языка SQL при работе с базой знаний, что делает систему мобильной и независимой от СУБД.
  • Динамическое обновление базы знаний во время поиска технических решений.

Практическое значение полученных результатов

Практическая значимость результатов заключается в том, что они предлагает реализацию метода анализа и решения изобретательских задач, который может быть успешно использован в производственной практике и при обучении.

ТРИЗ — технология инновации

Изобретательская задача — это такая инженерная задача, которая содержит техническое противоречие, неразрешимое известными техническими средствами и знаниями, причем условия задачи исключают компромиссное решение. Если техническое противоречие преодолено — изобретательская задача решена, получено изобретение. Появление новых изобретений — основная форма развития и создания новой техники и технологии.

Полагая, что изобретение — это новое техническое решение, полученное в результате преодоления противоречия, считают, что условия изобретательской задачи сформулированы, если указаны реальная техническая система и ее недостаток, идеальный конечный результат (идеальная техническая система) и выявлено противоречие между ними.

Идеальный конечный результат, т.е. идеальное решение — это наиболее сильное из всех мыслимых и немыслимых решений данной задачи. Оно основано на понятиях об идеальной машине (т.е. машины нет, но требуемое действие выполняется) и идеальном веществе (т.е. вещества нет, а его функция выполняется и т.д.)[3].

Задача разработчика — понять, что же является истинной целью существования технической системы, и каковы ее функции. Советский авиаконструктор Роберт Людвигович Бартини указывал, что лучший агрегат самолета — это такой агрегат, который во время полета остается в ангаре. После уточнения целей и требуемых функций необходимо понять, что же мешает их осуществить в первоначальном виде.

Роберт Людвигович рекомендовал начинать процесс проектирования с мысленного представления себе, что же требуется при отсутствии ограничений по конструкторским материалам и энергии. Снятие ограничений, по разъяснению Бартини, означает, что разработчик должен представить себе наличие материалов с любыми требуемыми свойствами, наличие любого вида энергии в любом количестве в требуемой точке пространства [4].

«При решении поставленной задачи необходимо установить сколь возможно компактную факторгруппу сильной связи, определить факторы, которые играют решающую роль в рассматриваемом вопросе, отделив все второстепенные элементы. После этого надо сформулировать наиболее контрастное противоречие ИЛИ-ИЛИ, противоположность, исключающую решение задачи... Решение задачи надо искать в логической композиции тождества противоположностей... И-И.»[5]

В настоящее время подход, предложенный Р.Л. Бартини, реализован в таких методах, как АРИЗ (алгоритм решения инженерных задач), Обобщенный эвристический алгоритм поиска новых технических решений, комплексный метод поиска новых технических решений и т. д.

Долгое время единственным инструментом решения творческих задач — задач, не имеющих четких механизмов решения, — был «метод проб и ошибок» («метод научного тыка»).

В 20 веке резко возросла потребность в решении творческих задач. Это привело к появлению различных модификаций «метода проб и ошибок». Наиболее известны из них «мозговой штурм», «синектика», «морфологический анализ», «метод контрольных вопросов».

Суть этих методов — повысить интенсивность генерации идей и перебора вариантов. Главная проблема при их использовании — можно сэкономить время на генерации идей, но это приводит к большим затратам времени на их анализ и выбор наилучшего варианта [6].

Создатель ТРИЗ — Генрих Саулович Альтшуллер поставил задачу иначе: «Как без сплошного перебора вариантов выходить сразу на сильные решения проблемы?». Он начал разрабатывать ТРИЗ во время работы в патентном офисе в СССР во времена Сталина. Он и его коллеги проанализировали больше 200000 патентов, чтобы определить каким образом в основном происходит усовершенствование. Был репрессирован и сослан в ГУЛАГ. Несмотря на это, Генрих Саулович разработал 40 изобретательских принципов, многие законы эволюции технических систем, концепции технического и физического противоречий, которые разрешает ТРИЗ, концепцию идеальности системы и множество других теоретических и практических подходов.

ТРИЗ — это наука, методология, набор инструментов, база знаний для генерации инновационных идей и решений. ТРИЗ расширяет подходы, разработанные в рамках системной инженерии, и дает мощные инструменты для системных методов, системного анализа, анализа поражений, шаблонов эволюции систем. В отличие от таких технологий как мозговой штурм (базируется на случайной генерации идей), направлена на создание алгоритмического подхода к изобретению новых систем и обновлению существующих [7].

ТРИЗ включает в себя:
  • механизмы преобразования проблемы в образ будущего решения;
  • механизмы подавления психологической инерции, препятствующей поиску решений (неординарные решения трудно находить без преодоления наших устойчивых представлений и стереотипов);
  • обширный информационный фонд — концентрированный опыт решения проблем [6].
Наиболее важными компонентами классической ТРИЗ являются:
  • 40 Изобретательских принципов для разрешения технических противоречий.
  • Система из 76 Стандартов для решения технических проблем и вещественно-полевого анализа технических систем.
  • Алгоритм пошагового Решения Изобретательских Задач (АРИЗ). Это универсальный инструмент для решения задач любого типа.
  • 12 инновационных принципов для решения нетехнических и организационных задач.
  • Сепарационные принципы для разрешения физических противоречий.
  • Методы анализа системных ресурсов.
  • База данных физических, химических, геометрических и других эффектов и их применения.
  • Методы стимулирования творческого мышления: оператор РВС (размерность-время-стоимость), визуальное моделирование «маленькими человечками» и т.д.
  • Методы предупреждения отказов в технических системах для анализа и предсказания возможных причин неполадок, «диверсионный анализ».
  • Закономерности развития Технических Систем (ТС) для прогнозирования развития ТС и создания «патентного зонта» [8].

Обзор исследований и разработок по теме

Работа над теорией решения изобретательских задач началась в 1946 году ученым из Баку Генрихом Сауловичем Альтшуллером (1926 — 1998) .Спустя 43 года была образована Международная Ассоциация ТРИЗ. Появился программный продукт «Изобретающая Машина», который базируется на некоторых ТРИЗ-технологиях и помогает инженерам решать их профессиональные проблемы. За два года в СССР было продано более 1000 копий пакета компьютерных программ.

В 1995 — 1997 годах программный продукт, переведенный на английский язык, приобретают такие известные фирмы, как Ford, Caterpillar, Procter & Gamble, IВМ, а Motorola заключает специальный долгосрочный контракт на поставку 1000 копий системы для своих предприятий. Заключение аналогичного контракта обсуждается и в южнокорейской фирме Samsung.

Услугами специалистов по ТРИЗ начали пользоваться разработчики государственных программ, политические деятели, бизнесмены, менеджеры. Известная южнокорейская фирма LG приглашает специалистов из бывшего СССР для создания учебных центров. Более десяти лет накапливается интересный опыт использования ТРИЗ в образовании для развития у детей творческого мышления. Во всемирной компьютерной сети стремительно растет количество рекламно-информационных материалов о ТРИЗ [9].

В Восточной Европе разрабатываются проекты, связанные с ТРИЗ. Джонатан Ливингстон — международный проект, объединяющий специалистов из разных областей образования. Теоретическая база проекта: общая теория сильного мышления — теория решения изобретательских задач — теория развития творческой личности (ОТСМ-ТРИЗ-ТРТЛ).

Цель проекта — выявление принципов постоянных преобразований образовательной системы в изменяющемся мире и способов их реализации в виде динамичной, адаптивной и самоорганизующейся системы образования [10].

Результаты, полученные участниками Проект Джонатан Ливингстон, вызывают серьезный интерес в таких странах как Япония, Корея, Канада, США, Франция. Проект посвящен гармоничной интеграции ОТСМ-ТРИЗ подходов в систему непрерывного творческого образования с постепенной реорганизацией всей системы образования — начиная с двухлетнего возраста до аспирантов и профессионалов разных возрастов и специальностей.

В мире существует несколько компаний предоставляющих услуги для инноваций и решения изобретательских задач. Трисолвер (TriSolver Consulting) был основан как консалтинговая компания по методикам ТРИЗ в 1997 году в Ганновере, Германия. На тот момент огромный потенциал этой методики для инновационной деятельности был оценен несколькими лидирующими германскими компаниями. Основываясь на доскональном знании ТРИЗ, соучредитель Трисолвер д.т.н. Павел Ливотов в течение короткого промежутка времени смог вывести компанию на лидирующие позиции.

Начиная с 1998 года TriSolver Consulting сотрудничает с независимой группой киевских разработчиков программного обеспечения. Как результат этого сотрудничества, в 1998 году первый ТРИЗ-программный продукт TriSolver 1.0 был выпущен на рынок. В 2000 году появилась следующая версия программы — TriSolver V2.2 "Idea Generator & Manager". Благодаря удачному сочетанию набора функций и привлекательной цены TriSolver V2.2 смог обогнать по продажам на германском рынке ТРИЗ-программные продукты, произведенные в США. На данный момент более 400 компаний по всему миру пользуются TriSolver "Idea Generator & Manager" [11].

В Украине также действует ООО «ТРИЗ» (Товарищество реализации инженерных задач), которое объединяет квалифицированных специалистов в области центробежных машин, их систем и узлов. Основной вид деятельности — модернизация компрессорного и насосного оборудования по собственной технологии. В настоящее время успешно эксплуатируются более 130 наименований центробежного оборудования, прошедшего модернизацию по технологии ТРИЗ. Результаты эксплуатации подтверждают высокую экономическую эффективность и надёжность модернизированных агрегатов [12].

В ДонНТУ исследования и разработки в рамках теории решения инженерных задач проводит доцент кафедры ПМИ Андрюхин Александр Иванович. Под его руководством защищено несколько магистерских диссертаций, связанных с ТРИЗ: Книги по ТРИЗ изданы в США, Великобритании, Японии, Швеции, Финляндии, Германии, Болгарии и других странах. В России, Финляндии, США, Голландии, Швеции, Англии, Чехии существуют фирмы, занимающиеся ТРИЗ-консалтингом.

О том, как стремительно ТРИЗ-технологии завоевывают мир, можно судить по сети Интернет. Все больше возникает сайтов, содержащих информацию о теории Г.С. Альтшуллера.

Известные корпорации мира ищут на территории бывшего СССР специалистов по ТРИЗ для своих изобретательских и исследовательских служб.

Как и сама теория, так и методология преподавания ТРИЗ непрерывно развиваются. Идеи и методы ТРИЗ переносятся в гуманитарные области: искусство, менеджмент, рекламу, public relations, педагогику [13].

Краткое изложение собственных результатов, имеющихся к моменту завершения работы над авторефератом

На данный момент изучены основные подходы к решению инженерных задач, определены области применения ТРИЗ. Была разработана структура базы знаний, хранящей фонд физико-технических эффектов. Программно реализована подсистема заполнения базы знаний, которая извлекает знания из текста. Она работает по принципу изображенному на рисунке 1.

Рисунок 1 — Схема принципа работы подсистемы заполнения базы данных физико-технических эффектов и реализованных устройств<br/> (анимация, размер: 55 Kb, разрешение: 771*318 px, 6 кадров, задержка между кадрами: 0.75 с, задержка до повторного воспроизведения: 0с, количество циклов воспроизведения: 7, сделана в MP GIF Animator)
Рисунок 1 — Схема принципа работы подсистемы заполнения базы данных физико-технических эффектов и реализованных устройств
(анимация, размер: 55 Kb, разрешение: 771*318 px, 6 кадров, задержка между кадрами: 0.75 с, задержка до повторного воспроизведения: 0с, количество циклов воспроизведения: 7, сделана в MP GIF Animator)

На вход подсистемы заполнения БД поступают текстовые описания физико-технических эффектов или устройств. Для каждого текстового описания подсистема генерирует внутренне описание (образ) ФТЭ, которое помещаются в БД.

Для того, чтобы сгенерировать образ ФТЭ подсистема пользуется словарями терминов. Словарей несколько и пользователь может выбрать, какие словари использовать для поиска слов. Образ ФТЭ — это множество последовательностей логических флагов. В образе столько последовательностей, сколько словарей использовалось при генерации образа. Каждая последовательность однозначно отображается на соответствующий ей словарь, таким образом, в ней столько элементов, сколько слов в словаре. Каждый элемент последовательности однозначно отображается на слово из соответствующего словаря и равен 0, если данное слово не присутствовало во входном описании ФТЭ и 1, если слово присутствовало.

Выводы

Наш мир стремительно меняется. Новым поколениям предстоит жить в совершенно иных условиях, где возникнут новые ценности, будут жизненно важны новые, не открытые еще сегодня, знания, потребуются новые умения.

Мы должны учить жить в мире, о котором ничего не знаем, решать проблемы, с которыми никто никогда прежде не сталкивался. Методы искусственного интеллекта и ТРИЗ призваны помогать человеку смотреть на мир по иному, отбрасывать ограниченность обычного мышления, видеть новые решения. Автоматизация этих методов и их использование принесет много пользы и поможет человечеству двигаться дальше.

Перечень ссылок

  1. Данные — информация — знания // TreKo.RU — портал TРEнеров и КОнсультантов. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://msk.treko.ru/show_dict_336
  2. Половинкин А.И. Основы инженерного творчества: Учеб. пособие для студентов втузов. — М.: Машиностроение, 1988. — 368 с.
  3. Черный А.А. Принципы инженерного творчества: Учеб. пособие. — Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. — 43 с.: библиогр. 14 назв.
  4. Кудрявцев А.В. Методы логического поиска // Metodolog.ru — сайт изобретательских задач и методов их решения. [Электронный ресурс] / Кудрявцев А.В. — Режим доступа: http://www.metodolog.ru/00447/00447.html
  5. Чутко И. Красные самолеты. — М.: Сов. Россия, 1982.
  6. ТРИЗ — технология творчества // Сайт Тризисного Центра. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.trizland.ru/trizba.php?id=3
  7. Creativity & Innovation Changing the World // Сайт Creatividad e Innovación. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://homepage.mac.com/penagoscorzo/creativity/triz/index.html
  8. Истоки ТРИЗ // Сайт компании Трисолвер Украина. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.trisolver.com.ua/methoden/erfindungstheorie_triz.htm
  9. Хоменко Н. Теория решения изобретательских задач // Сайт центра ОТСМ-ТРИЗ технологий. [Электронный ресурс] / Хоменко Н. — Режим доступа: http://www.trizminsk.org/intr.htm
  10. Справка о проекте Джонатан Ливингстон // Сайт центра ОТСМ-ТРИЗ технологий. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.trizminsk.org/e/jl.htm
  11. История компании // Сайт компании Трисолвер Украина. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.trisolver.com.ua/news/news_1.htm
  12. ТРІЗ, Товариство Реалізації Інженерних Задач // Портал Бизнес-гид. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://triz.business-guide.com.ua
  13. Развитие и распространение ТРИЗ // Сайт Тризисного Центра. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.trizland.ru/trizba.php?id=4
  14. Филатов В.А., Щербак С.С., Хайрова А.А. Разработка высокоэффективных средств создания и обработки онтологических баз знаний // Блог PhD Щербака Сергея. [Электронный ресурс] / Филатов В.А., Щербак С.С., Хайрова А.А. — Режим доступа: http://shcherbak.net/razrabotka-vysokoeffektivnyx-sredstv-sozdaniya-i-obrabotki-ontologicheskix-baz-znanij
* — При написании данного автореферата магистерская диссертация еще не завершена. Окончательное ее завершение состоится 1 декабря 2010 г. Текст и материалы диссертации могут быть получены у автора или его руководителя после этой даты.

ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ