Применение экспертных систем в процессе проектирования авиационных ГТД

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 SK_1, SK_2, 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  - SK₁  - t₃                      k₅ - SK₁  - t₄                       k₅ - SK₁  - t₅

k₇ - SK₁  - t₃                       k₇ - SK₁  - t₃                       k₇  - SK₁  - t₃ 

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

 

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 - SK1  - t3				k1, k2, k3, k4, k5, k6, k7, k8	t1, t2, t3, t6, t7	40
k7 - SK1  - 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.