Методы и интеллектуальные системы анализа и синтеза новых технических решений

Москва 
РИОР

А.В. Андрейчиков

МЕТОДЫ 

И  ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ 

СИСТЕМЫ  АНАЛИЗА 
И  СИНТЕЗА  НОВЫХ 

ТЕХНИЧЕСКИХ  РЕШЕНИЙ

МОНОГРАФИЯ

УДК 004.896
ББК 32.965
          А63

УДК 004.896
ББК 32.965

Андрейчиков А.В.
Методы и интеллектуальные системы анализа и синтеза новых 
технических решений : монография / А.В. Андрейчиков. — М. : РИОР, 
2019. — 544 с. — DOI: https://doi.org/10.29039/2005-0

ISBN 978-5-369-02005-0
В монографии рассмотрены подходы к анализу и синтезу технических 

инноваций, основанные на системном использовании закономерностей 
строения и развития новой техники, математических, эвристических и 
интеллектуальных методов, баз данных запатентованных изобретений. Изложенные в книге методы концептуального проектирования инноваций 
отражают две парадигмы системного анализа: редукционизм, основанный 
на попытках познания системы путем разложения ее на части и исследования этих частей, и холлизм, предполагающий проведение исследования 
системы через объяснение взаимодействия ее элементов и функций с точки зрения отношений с окружающей средой.

Книга предназначена для научных работников, инженеров и студентов, 

работающих в таких сферах, как системный анализ, управление качеством 
инноваций, концептуальное проектирование, разработка интеллектуального программного обеспечения и др. 

ISBN 978-5-369-02005-0
© Андрейчиков А.В.

А63

А в т о р :
Андрейчиков А.В. — д-р техн. наук, профессор кафедры менеджмента каче
ства Российского университета транспорта (г. Москва). Автор более 400 печатных работ и 60 изобретений. Научная деятельность связана с развитием приоритетного научного направления в области разработки компьютерных средств 
и методик генерации новых решений на основе комплексного использования 
эвристических методов проектирования, многокритериальных методов теории 
принятия решений, комбинаторно-морфологических и статистических математических методов, методов искусственного интеллекта. Действительный 
член Международной академии системных исследований, член-корреспондент 
Российской академии естествознания, эксперт национального информационно-аналитического центра по мониторингу приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в области информационно-телекоммуникационных систем

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение. .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 7

Глава.1 ...СОВРЕМЕННЫЕ.ПАРАДИГМЫ.КОНЦЕПТУАЛЬНОГО..

ПРОЕКТИРОВАНИЯ.СИСТЕМ. . .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 10

1.1. 
Обзор методологий концептуального  
проектирования технических объектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.1. Классические методологии проектирования . . . . . . . . . . 13
1.1.2. Эвристические методы проектирования  . . . . . . . . . . . . . 17

1.2..
Системный подход к проектированию . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.1. Свойства и закономерности технических систем . . . . . . 26
1.2.2. Подходы к моделированию сложных систем . . . . . . . . . . 31
1.2.3. Задачи синтеза в проектировании ТС . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.2.4. Формальные модели проектирования. . . . . . . . . . . . . . . . 38

1.3. 
Современные направления развития проектирования ТС . . . . . . 43
1.3.1. Эволюционный подход к проектированию . . . . . . . . . . . 43
1.3.2. Методы повышения эффективности  

и качества проектирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

1.3.3. Компьютерная поддержка процессов  

проектирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

1.4. 
Обзор задач, методов и систем принятия решений . . . . . . . . . 54
1.4.1. Парадигмы выбора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.4.2.  Методы принятия индивидуальных решений  

при многих критериях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

1.4.3. Задачи и методы принятия коллективных решений . . . . 69

1.5. 
Методы и системы для получения прогнозов поведения  
сложных систем  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Глава.2 ...СИСТЕМНЫЙ.АНАЛИЗ.НАЧАЛЬНЫХ.СТАДИЙ..

ПРОЕКТИРОВАНИЯ.ТЕХНИЧЕСКИХ.ОБЪЕКТОВ. .  .  .  .  .  .  . 82

2.1. 
Анализ множества технических систем, соответствующих 
основным этапам и задачам проектирования . . . . . . . . . . . . . . 82

2.2.  
Влияние неопределенностей на процессы исследования  
сложных систем  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

2.3.  
Информационная модель концептуального проектирования . . .90

Глава.3 ...МЕТОДЫ,.МОДЕЛИ.И.СИСТЕМЫ..

ПРИНЯТИЯ.РЕШЕНИЙ. .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 96

3.1. 
Система для поддержки процессов принятия решений  
на базе методов теории нечетких множеств . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.1.1. Постановки задач принятия решений  

на нечетких моделях  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

3.1.2. Описание программной системы «Нечеткий выбор» . . . 102

3.2.  
Экспертные системы для поддержки процессов принятия 
решений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.2.1. Оболочка ЭС продукционного типа . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.2.2. Оболочка экспертной системы с нечетким выводом . . . 108

3.3.  
Система для поддержки процессов принятия решений  
на основе метода анализа иерархий  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.3.1. Состав и структура системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.3.2. Описание задач, методов и алгоритмов  . . . . . . . . . . . . . 119
3.3.3. Прогнозирование предпочтений и приоритетов . . . . . . 125
3.3.4. Учет взаимного влияния элементов иерархии . . . . . . . . 128
3.3.5.  Методы представления и процедуры извлечения  

знаний из данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133

3.4. 
Система для поддержки процессов коллективного выбора . . . 142
3.4.1. Задачи двухстороннего выбора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
3.4.2. Постановка задачи бинарного синтеза . . . . . . . . . . . . . . 144
3.4.3. Разрешение конфликтов при коллективном выборе  

решений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

3.4.4. Способы представления и обработки знаний . . . . . . . . 154

3.5. 
Методология принятия решений в условиях  
неопределенности с использованием разработанного  
программного обеспечения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
3.5.1.  Многокритериальный выбор рациональной  

виброзащитной системы с применением методов  
теории нечетких множеств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .157

3.5.2. Анализ эволюции технических систем  

с применением МАИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

3.5.3. Выбор перспективной системы виброзащиты  

в условиях взаимного влияния рассматриваемых  
факторов окружения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

3.5.4. Коллективный выбор технологии производства  

виброзащитных устройств для транспортных средств. . . 179

Глава.4 ..ПОДХОДЫ.К.СИНТЕЗУ.СЛОЖНЫХ.СИСТЕМ . .  .  .  .  .  .  .  .  . 188

4.1. 
Морфологический подход к структурному синтезу  
технических объектов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
4.1.1.  Задачи, критерии и алгоритмы синтеза технических  

систем на ранних стадиях проектирования . . . . . . . . . . 192

4.1.2.  Способы представления знаний об объектах  

структурного синтеза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

4.1.3. Методы извлечения знаний из морфологических  

множеств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

4.1.4. Методика анализа морфологического множества  

на примере синтеза системы виброзащиты  
для оператора локомотива  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

4.2. 
Структурно-логический подход к синтезу  
технических объектов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
4.2.1. Способы представления знаний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
4.2.2.  Алгоритмы обработки знаний в процессе  

интеллектуального синтеза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .249

4.3. 
Эволюционный подход к синтезу технических решений . . . 253
4.3.1. Представление знаний о технических решениях  . . . . . 255
4.3.2. Алгоритмы эволюционного синтеза . . . . . . . . . . . . . . . . 260

4.4. 
Эвристический синтез рациональных  
технических решений  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

4.5. 
Методология решения задач синтеза с использованием  
разработанного программного обеспечения . . . . . . . . . . . . . . 270
4.5.1. Морфологический синтез ВЗС с переменной  

структурой  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

4.5.2.  Анализ синтезированных виброзащитных систем  

человека-оператора локомотива и гусеничного  
трактора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .277

4.5.3.  Морфологический синтез виброзащитных систем  

с основными и дополнительными функциями . . . . . . . .281

4.5.4. Эвристический синтез ВЗС на морфологических  

таблицах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287

4.5.5. Синтез ВЗС на основе структурно-логического  

подхода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

4.5.6. Эволюционный синтез ВЗС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306

Глава.5 ...МЕТОДЫ.И.СИСТЕМЫ.ДЛЯ.ПОДДЕРЖКИ.ЗАДАЧ..

ВНЕШНЕГО.ПРОЕКТИРОВАНИЯ. .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 316

5.1. 
Обзор методов прогнозирования поведения  
сложных систем  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316

5.2 
 Интеллектуальная система для синтеза сценариев . . . . . . . . 321
5.2.1. Способы представления и обработки знаний . . . . . . . . 322
5.2.2. Подходы к оценке синтезированных сценариев . . . . . . 335
5.2.3.  Описание программной реализации и анализ  

полученных результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .338

5.3.  
Компьютерная поддержка процессов стратегического  
планирования на базе метода анализа иерархий . . . . . . . . . . . 344
5.3.1. Задачи, методы и алгоритмы планирования  . . . . . . . . . 346
5.3.2.  Состав и структура программной системы  

стратегического планирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .351

5.4.  
Стратегическое планирование защиты  
от вибрации на железнодорожном транспорте . . . . . . . . . . . . 361

5.5.  
Решение задач внешнего проектирования  
при поддержке экспертных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373

5.6. 
Выбор технических решений с учетом изменения  
экспертных предпочтений во времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381

5.7. 
Формирование требований к объекту проектирования  
с применением методик QFD/AHP  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386

Глава.6 ...ИСПОЛЬЗОВАНИЕ.МЕЖДУНАРОДНЫХ.ПАТЕНТНЫХ.

РЕСУРСОВ.НА.ЭТАПЕ.КОНЦЕПТУАЛЬНОГО..
ПРОЕКТИРОВАНИЯ.. .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 391

6.1.  
Построение патентных ландшафтов и позиционирование 
патентообладателей на рынке высоких технологий  
(на примере спутниковых систем навигации) . . . . . . . . . . . . . 391

6.2. 
Исследование эволюции технологий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
6.2.1. Выявление закономерностей эволюционного  

развития техники на основе патентных баз данных . . . 434

6.2.2.  Исследование эволюции аэрокосмических  

технологий на основе патентных и научных  
публикаций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .439

6.3. 
Системный подход к проблеме замещения  
импортной техники на основе анализа патентной  
и финансовой информации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469

6.4. 
Разработка подхода по выявлению и устранению  
технических противоречий при совершенствовании  
показателей качества изобретений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489

СПИСОК.ЛИТЕРАТУРЫ. .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 525

ВВЕДЕНИЕ

Проектирование технических объектов является развива
ющейся междисциплинарной областью знаний, значительную 
часть которых составляют эвристические и эмпирические знания. 
Для концептуального проектирования (начальных стадий проектирования) характерны некорректные и плохо формализуемые 
задачи, для решения которых предложены различные методологии: 
системное проектирование; поисковое конструирование; теория 
решения изобретательских задач (ТРИЗ); функционально-стоимостной анализ (ФСА) и т.д. 

Обострение конкурентной борьбы на рынках, усложнение техни
ческих объектов, уменьшение времени, отводимого на разработку 
изделий, сокращение времени их жизненного цикла, бурное развитие вычислительной техники, экологические и социальные факторы 
обусловили в последнее десятилетие развитие методологий по созданию интеллектуальных цифровых технологий проектирования.

Это развитие происходит в следующих направлениях:
1. Активизация исследований в области концептуального про
ектирования, которые определяют примерно 80% интегральной стоимости изделия в процессе всего жизненного цикла. 

2. Расширение границ проектирования происходит в связи 

с рассмотрением всех стадий жизненного цикла объекта 
в процессе проектирования. При этом задачи внешнего проектирования становятся более значимыми. Учет всех стадий 
жизненного цикла приводит к расширению множества 
участников в процессах принятия проектных решений. При 

этом возникают задачи разрешения конфликтов и задачи 
кооперации.

3. Повышение качества проектируемых объектов. Понятие ка
чества приобретает все более широкий смысл, включая 
в себя не только качество выполнения основных функций, 
но и экологические, эргономические, технологические и т.п. 
аспекты.

4. Сокращение сроков и повышение эффективности процесса 

проектирования.

5. Развитие теоретических основ проектирования путем обоб
щения опыта, приобретенного при разработке конкретных 
методологий, направленных на достижение определенных 
целей.

6. Компьютеризация проектирования, включающая разработку 

САПР, экспертных систем (ЭС), баз данных (БД) и баз знаний (БЗ), систем поддержки принятия решений (СППР), 
систем моделирования, распределенных систем поддержки 
проектирования и виртуальных студий.

В настоящем учебнике изложены основные методы и интел
лектуальные цифровые технологии концептуального проектирования, которые позволяют решать важнейшие задачи структурного синтеза, принятия решений и прогнозирования в условиях 
неопределенности на ранних стадиях проектирования технических объектов. Условия неопределенности означают наличие неполной, неточной, неколичественной, ненадежной, нечеткой 
информации, привлекаемой для решения указанных задач. С развитием средств информатизации существенно возрастают объемы 
данных, которые могут быть использованы для синтеза, анализа, 
прогнозирования и планирования решений. Это, в свою очередь, 
требует развития средств представления и обработки разнородной 
информации, а также эффективных методов извлечения необходимых сведений из мощных информационных потоков. С каждым 
годом уменьшается время, отводимое на принятие решений, 
а сложность процедур возрастает в связи с увеличением числа 
участников этих процессов, а также объемов привлекаемой информации, с быстрым и плохо предсказуемым изменением условий, в которых происходит постановка и решение задач, а также 
реализация принятых решений. В условиях быстро изменяющегося окружения традиционные технологии анализа, синтеза и прогнозирования решений не всегда являются приемлемыми, главным образом из-за жестких ограничений по времени и недоста

точного количества и качества информации. Все это делает 
необходимым получение прогнозов возможных изменений окружения задач проектирования и разработк у методов для оценки 
последствий принимаемых решений. Проблема планирования 
решений в кризисных и нестабильных ситуациях, которые характерны для России в последние годы, имеет особое значение, поскольку в условиях переходной экономики механизмы саморегуляции или не работают, или работают крайне неэффективно, так 
как процессы являются несбалансированными. Поэтому представляется важным определить типы задач, которые имеют место 
в подобных ситуациях, и разработать подходы к их решению с использованием информационных систем.

Анализ методов и компьютерных систем, применяемых для 

синтеза, прогнозирования и принятия решений, позволяет сделать 
вывод о том, что наиболее перспективными являются методы и системы, основанные на технологии обработки знаний.

Глава 1.  СОВРЕМЕННЫЕ ПАРАДИГМЫ 

КОНЦЕПТУАЛЬНОГО  
ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ 

1.1. 
Обзор методологий концептуального  
проектирования технических объектов

Проектирование в широком смысле можно рассматривать как 

процесс составления описания, которое необходимо для создания 
в заданных условиях еще не существующего объекта, и выбор соответствующих действий [151]. Проектирование тесно связано 
с познавательной деятельностью и инженерным творчеством. Этот 
процесс составляет важный элемент жизненного цикла любой 
сложной технической системы (ТС) [173]. В жизненном цикле ТС 
проектирование охватывает начальные стадии и составляет основу 
научно-исследовательских работ (рис. 1.1).

Разработка ТЗ 
Проектирование 
Опытный  
образец

Серийное  
производство
Эксплуатация 

НИР 

ОКР 

Предварительное 
Эскизное 
Техническое 
Рабочее 

Жизненный цикл 

Рис. 1.1. Жизненный цикл технического объекта