Библиографическое описание:

Сапожников А. Ю., Кривошеев И. А. Применение экспертных систем в процессе проектирования авиационных ГТД // Молодой ученый. — 2009. — №12. — С. 90-97.

Экспертные системы (ЭС) появились в середине 70-х годов как практический результат в применении и развитии методов искусственного интеллекта. Основная идея этих систем состоит в использовании знаний и опыта специалистов высокой квалификации в данной предметной области и формировании рекомендаций другим пользователям для выбора действий в проблемных ситуациях. Экспертные системы – один из немногих видов систем искусственного интеллекта, которые получили широкое распространение, и нашли практическое применение в медицине (MYCIN), химии (DENDRAL), геологии (PROSPECTOR), программировании (PECOS), генетике (MOLGEN) и т.д.

Экспертная система состоит из следующих подсистем (рис. 1): база знаний, механизм вывода, интеллектуальный интерфейс и подсистему пояснений. База знаний содержит формальное описание знаний экспертов, представленное в виде набора фактов и правил.  Механизм вывода или решатель — это блок, представляющий собой программу, реализующую прямую или обратную цепочку рассуждений в качестве общей стратегии построения вывода. С помощью интеллектуального интерфейса экспертная система задает вопросы пользователю и отображает сделанные выводы, представляя их обычно в символьном виде.

Рисунок 1 – Структурная схема экспертной системы

В настоящее время существуют  различные инструментальные средства создания экспертных систем (ЭС), которые классифицируют следующим образом:

• символьные языки программирования, ориентированные на создание ЭС и систем искусственного интеллекта (например, LISP, INTERLISP, SMALLTALK);

• языки инженерии знаний, т.е. языки высокого уровня, ориентированные на построение ЭС (например, OPS-5, LOOPS, Пролог, KES);

• системы, автоматизирующие разработку (проектирование) ЭС (например, КЕЕ, ART, TEIRESLAS, AGE, TIMM); их часто называют окружением (enviroment) для разработки систем искусственного интеллекта, ориентированных на знания;

• оболочки ЭС (или пустые ЭС) – экспертные системы, не содержащие знаний ни о какой проблемной области (например, ЭКСПЕРТИЗА, EMYCIN, ЭКО, ЭКСПЕРТ и др.).

Несмотря на давно сложившуюся методологию проектирования авиационных двигателей, ряд узкоспециализированных задач до сих пор остается неформализованным, выполняется на основе личного опыта и интуиции проектировщика, зависит от множества условий и требует  максимального учета  различных факторов при выборе решения. Кроме того, хорошо зарекомендовавшие себя решения часто заимствуются из предыдущих конструкций (принцип преемственности), что влечет за собой необходимость рассмотрения и оценки наибольшего количества известных решений. Применение ЭС позволяет повысить эффективность труда проектировщика в обоих  перечисленных случаях.

На первых этапах проектирования авиационных ГТД использование ЭС возможно в качестве обычной фактографической информационно-поисковой системы, позволяющей по определенным запросам выбирать необходимую информацию, что значительно сокращает время поиска. При этом преобразование аналогов (синтез и оценка решений) остается за человеком.

Рассмотрим пример, когда проектировщику необходимо осуществить в базе данных поиск двухроторных ТРДД(Ф), имеющих одинарную внешнюю силовую связь корпуса.

В дальнейшем будет описано применение оболочки Corvid Exsys (США) для создания ЭС на основе правил - т.н. rule-based logic.

Для решения поставленной задачи нужно задать в системе следующие переменные:

1.                 ТИП_ГТД (может принимать одно из значений – ТРД, ТРДД(Ф), ТВаД, ТВД, ТВВД);

2.                 КОЛИЧЕСТВО_РОТОРОВ (принимает значения 1, 2 или 3);

3.                 СИЛОВАЯ_СХЕМА_ГГ (принимает значения – с одинарной внешней силовой связью, с двойной замкнутой связью, с двойной разомкнутой связью).

Перечисленные выше переменные будут выступать в IF-части правил, наименования двигателей также вводятся в виде переменных и будут использоваться в THEN-частях правил или рекомендаций. Когда все необходимые переменные определены, производится построение логических блоков (рис. 2)., в которых описываются знания в системе. Логический блок может содержать одно или несколько логических деревьев и/или правила.

Рисунок 2 – Окно логических блоков в системе Corvid Exsys

Диалог пользователя после запуска ЭС будет выглядеть, как показано на рис. 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 – Диалоговое окно выбора типа ГТД и количества роторов

 

В случае, когда необходим более сложный интерфейс и наглядный ввод ответов пользователя, в Corvid Exsys можно использовать графические карты – Image Maps [1]. Эти карты используют файлы в формате JPG или GIF, а в изображении задаются активные зоны – Hot Spots, в результате, когда пользователь щелкает мышкой на активной зоне, нужной переменной присваивается значение, соответствующее ответу на данный вопрос. На рис. 4 представлен диалог выбора конструктивно-силовой схемы газогенератора, выполненный на основе графической карты. Окно вывода результатов представлено на рис. 5.

Рисунок 4 – Диалоговое окно выбора конструктивно-силовой схемы газогенератора

Рисунок 5 – Окно просмотра результатов

Другой актуальной задачей на начальных этапах проектирования ГТД является выбор его конструктивно-силовой схемы. Помимо прочего, актуальность применения ЭС в этом случае продиктована и многообразием возможных конструктивных вариантов. Допустим, речь идет о выборе конструктивно-силовой схемы (КСС) для двухроторного ТРДД(Ф). Анализ конструкций отечественных двигателей [2] позволяет установить количество возможных вариантов решений при проектировании заданного двигателя. В таблицах 1,2 представлены возможные конструктивные схемы компрессора и турбины, в таблице 3  - известные типы силового замыкания корпусов авиационных ГТД [3], из которых в ТРДД(Ф) применялись схемы SK1, SK2, SK4.

 

Таблица 1 – Силовые схемы компрессоров отечественных ГТД

Код схемы

k1

k2

k3

k4

k 5

k6

k7

k8

Схема комп-рессора

 

Таблица 2 – Силовые схемы турбин отечественных ГТД

Код схемы

t1

t2

t3

t4

t5

t6

t7

Схема турбины

 

Как показано в таблице 3,  для схемы силового корпуса SK1 возможны следующие варианты силовой схемы турбокомпрессора газогенератора;

k5  - SK - t3                      k5 - SK - t4                       k5 - SK - t5

k7 - SK - t3                       k7 - SK - t3                       k7  - SK - t

В этом случае возможными схемами компрессора НД могут быть каждая из восьми схем компрессора (табл. 1) и три схемы турбины НД (табл. 2).

Таким образом, для двухроторного ТРДД(Ф) со схемой силового корпуса SK1 газогенератора имеет место 208 вариантов возможных силовых схем (табл. 4).

 

 

 

Таблица 3 – Возможные сочетания схем турбокомпрессора газогенератора

Код схемы

Схема силового корпуса

Силовые схемы

Кол-во возможных схем

компрессора

турбины

SK1

 

 k5, k7

t3, t4, 25

6

SK2

 

k1, k2, k3, k4,k6

t1, t2, t6

15

SK3

 

k1, k2, k3, k4,k6

t1, t2, t6

15

SK4

 

k1, k2, k3, k4,k6

t1, t2, t6

15

 

Один из наиболее важных вопросов при выборе КСС ТРДД(Ф) является вопрос о конструкции задней опоры роторов ВД и НД. Анализ конструкции ТРДД(Ф) позволяет сформулировать правила, по которым ЭС будет осуществлять выбор КСС. Критериями оценки различных конструктивных вариантов при этом служат:

1)                 кпд турбины;

2)                 масса конструкции;

3)                 эффективность подвода масла на смазку и охлаждение подшипников;

4)                 жесткость ротора;

5)                 реализация противоположного вращения ТНД и ТВД;

6)                 укороченная конструкция КС для реализации схемы.

Перечисленные критерии будут иметь в ЭС свой «вес» для каждого из возможных решений.

Кроме того, экспертная система должна учитывать возможность существования той или иной схемы компрессора или турбины при заданной схеме газогенератора.

 

 

Таблица 4 – Возможные сочетания схем турбокомпрессора двухроторного ТРДД(Ф)

Код

схемы

Газогенератор

Схемы ротора НД

Кол-во возмож-ных схем

комп-рессор

силовое замыкание

турбина

компрессор

турбина

k5 - SK - t

k1, k2, k3, k4,

k5, k6, k7, k8

t1, t2, t3,

t6, t7

40

k7 - SK - t3 

k1, k2, k3, k4,

k5, k6, k7, k8

t1, t2, t3,

t6, t7

40

k5  - SK1 - t4

k1, k2, k3, k4,

   k5,  k6, k7, k8

t1, t2, t3, t6

32

k7 -SK1- t4

k1, k2, k3, k4,

k5,  k6, k7,k8

t1, t2, t3, t6

32

k5  -SK1- t5

k1, k2, k3, k4,

   k5,  k6, k7, k8

t1, t2, t3, t6

32

k7 -SK1- t5

k1, k2, k3, k4,

   k5,  k6, k7, k8

t1, t2, t3, t6

32

 

Таким образом, можно сформулировать следующие требования к ЭС, реализующей выбор КСС авиационного ГТД:

а) осуществлять поиск аналогов по заданным условиям;

б) учитывать конструктивные требования ТЗ, включая проектирование нового двигателя на базе существующего газогенератора (ГГ);

в) ранжировать найденные варианты по перечисленным выше критериям.

Выбор КСС для двухроторного ТРРД(Ф) может производиться двумя путями. Например, на основе имеющегося газогенератора (модификация двигателя на основе базового ГГ). В этом случае проектировщик, используя ЭС, указывает тип силового замыкания ГГ, ограничения, необходимые данные полученные в результате термогазодинамического расчета (количество ступеней лопаточных машин, наличие ВНА и т.д.) после чего ЭС выдает проектировщику возможные схемы компрессора и турбины при заданной силовой схеме газогенератора и рекомендации к их использованию в виде экспертных оценок по заданным критериям.

Другой вариант состоит в первоначальном поиске прототипа для проектируемого двигателя, т.е. ЭС применяется в качестве информационно-поисковой системы для нахождения двигателей по интересующим параметрам. Затем проектировщиком производится анализ вариантов, и на основе выбранного прототипа осуществляется выбор КСС по отдельным узлам, при сохранении особенностей конструкции, указанных проектировщиком.

На рис. 6 изображена граф-схема, построенная на основании анализа конструкции отечественных ГТД и описывающая логику процесса выбора КСС турбокомпрессора газогенератора ГТД при принятых типовых конструктивных элементах и решениях.   Цифры на граф-схеме показывают пути выбора схемных решений. Например, для схемы, обозначенной Х1 с принятием решений Х11, соответствуют схемные решения Х2, обозначенные Х21 и Х26

Рис. 6. Граф-схема выбора КСС турбокомпрессора газогенератора авиационных ГТД

Приведем пример выбора КСС турбины в системе Corvid Exsys для двухроторного ТРДД(Ф) при известном типе силового замыкания ГГ (внешняя одинарная связь).

После запуска модуля, отвечающего за поддержку принятия решений при проектировании турбины, системы диалог с пользователем будет аналогичный показанному на рис. 3-4. Для выбора схем, где реализовано противоположное вращение роторов, предусмотрен отдельный диалог (рис. 6).

Рисунок 7 – Диалоговое окно для указания направления вращения роторов

Окончательный результат в виде возможных КСС турбины, удовлетворяющих заданным условиям, показан на рисунке 8. При этом каждая из найденных схем является гиперссылкой, которая может быть открыта в новом окне, где приведена условно-стилизованная КСС турбины и экспертная оценка схемы по перечисленным выше критериям, а также содержатся примеры реализации этой схемы.

Рисунок 8  - Окно просмотра результатов

Таким образом, применение экспертных систем в процессе проектирования авиационных ГТД целесообразно при решении трудно формализуемых задач, где необходимо вмешательство проектировщика, а также при принятии решений, требующих учета множества противоречивых факторов и возможны многочисленные конструктивные варианты.

Для построения ЭС могут успешно использоваться пустые ЭС (оболочки), которые имеют развитые функциональные возможности, гибкий интерфейс, средства визуализации результатов, использование данных, полученных в других системах. Основой построения ЭС в этом случае является предварительный анализ предметной области, выявление закономерностей для построения логических деревьев, качественная экспертная оценка имеющихся альтернативных вариантов.

 

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 07-08-00349).

 

Список литературы

1.                 Д.И. Муромцев. Оболочка экспертных систем Exsys Corvid. – СПб: СПб ГУ ИТМО, 2006. – 69 с.

2.                 Зрелов В.А. Отечественные газотурбинные двигатели. Основные параметры и конструктивные схемы: Учеб. Пособие. М.: ОАО «Издательство «Машиностроение», 2005. 336 с.: ил.

3.                 Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1981. – 550 с., ил.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle