Данилов А.М., Гарькина И.А. Сатурн-технология управления структурой и свойствами материалов как сложными системами. // Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике: Сб. статей XI Междунар. научно-техн. конф. – Пенза: ПДЗ, 2011. – С. 40 43. САТУРН-технология управления структурой и свойствами материалов как сложными системами А.М. Данилов, И.А. Гарькина Пензенский государственный университет архитектуры и строительства,г. Пенза, Россия, fmatem@pguas.ru Рассматриваются методологические принципы создания композиционных материалов с использованием системного подхода, модификаций метода ПАТТЕРН и Сатурн-технологии при компьютерном моделировании.^ A.M. Danilov, I.A. Gar'kina Saturn - technology of management structure and properties of materials as complex systems. Methodological principles of making composite materials using systematic attitude, modification of ПАТТЕРН method, Saturn-technology at computer modeling are defined.^ Процесс исследования материала как сложной системы представляет собой организованную в соответствии с технологией системного анализа последовательность многовариантных экспериментов (в том числе вычислительных), на каждом шаге которой для исследования и поиска приемлемых решений варьируются структура и значения параметров модели; производится оценка результатов и принимается решение о дальнейшем направлении исследования. С теоретической точки зрения необходимы автоматизированная интеллектная технология и системная среда машинного исследования материалов как систем. Фундаментальную роль играют алгоритмическое знание и методы доказательного программирования на основе регулярного применения логических уравнений в качестве основного формализма представления модели проблемной области – САТУРН-технология [1]. В известной мере САТУРН-технологию можно рассматривать как модификацию метода ПАТТЕРН (успешно использовался при исследовании динамики и проектировании систем управления сложными объектами с системных позиций [2-4]). ^ Методологической основой построения математических моделей сложных систем здесь является модульность структурных свойств (сложная система представляется в виде совокупности взаимодействующих элементов). Алгоритмическое знание о математических моделях, методах и методиках исследования имеет сложную иерархическую модульную структуру. Используются три концептуально обособленных слоя: вычислительный, схемный и продукционный (примеры реализации в [2, 5]). В соответствии с [1] в иерархии слоев понятия продукционного слоя (определяют технологию решения задач анализа и проектирования материала) раскрываются через понятия схемного слоя (система согласованных объектов, в качестве которых выступают операции и параметры для описания модульной структуры математической модели и алгоритмов ее исследования; схемные знания отражают весь интересующий исследователя набор понятий, необходимых для описания структурных особенностей и характеристик блоков математических моделей и методов их исследования), которые, в свою очередь, раскрываются через понятия вычислительного слоя (является основанием всей пирамиды знаний в виде библиотек, снабженных спецификациями, автономно транслируемых и отлаживаемых модулей подпрограмм). При рассмотрении материалов как систем сложность подразумевается на модельном уровне; прежде всего составной характер математической модели. Это означает представление сложной модели в виде взаимодействующих подсистем, модулей и элементов и связей между ними. Важно указать наиболее часто используемые на практике алгоритмические модели, когда описывающие сложные системы уравнений оформляются в виде множества взаимосвязанных процедур, а организованный на этой основе вычислительный процесс в определенном смысле позволяет описать поведение моделируемой системы. При компьютерном моделировании база алгоритмических знаний определяется как совокупность понятий «модель – метод – методика». Напомним, метод ПАТТЕРН (Planning Assistance Through Technical Relevance Number, англ. – помощь планированию посредством относительных показателей технической оценки) использовался для решения задач планирования научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок в условиях неопределенности. В нем предусматривалось выделение в сложной противоречивой системе функциональных подсистем на основе четкой формулировки целей по уровням. Количество целей не ограничивалось, но предполагалась их детализация с указанием взаимосвязей. Использовался принцип деления сложной проблемы на более мелкие с использованием результатов количественной экспертной оценки каждой из подпроблем, исходя из различных критериев. Метод в основном предназначался для прогноза, насколько сформулированные цели могут быть достигнуты. Определялись перечень конечных целей, суммарные веса целей (показатели научно-технической значимости; сумма коэффициентов относительной важности для каждого уровня иерархии принимались равной единице). На заключительном этапе осуществлялось рациональное распределение ресурсов в соответствии с уровнем этих коэффициентов. Для повышения степени обоснованности принимаемого решения, выбора варианта из числа альтернативных (с указанием оптимальных) использовались модели, отражающие все те факторы и взаимосвязи реальной ситуации, которые могли проявиться в процессе осуществления решения. Метод позволил определить классы критериев оценки относительной важности, взаимную полезность, состояние и сроки выполнения научно-исследовательских разработок, а также необходимость разумного баланса между внутренней логикой науки и ее практической значимостью (его нарушение приводит к безразличию общества к науке или потере перспективы в фундаментальных исследованиях). Системный подход позволяет уменьшить или даже исключить неопределенность, свойственную решаемой проблеме; реконструировать ее в моделях, отвечающих целям исследования; выявлять объекты, свойства и связи исследуемой системы с учетом взаимного влияния внешней среды. Сложные иерархические структуры в соответствии с методикой ПАТТЕРН можно рассматривать и как набор определенным образом типологизированных элементов и связей между ними (многоуровневое представление структур). Переход с одного уровня на другой осуществляется путем выделения определенных подструктур, которые, в свою очередь, можно рассматривать в качестве макроскопических элементов, связанных между собой более простым и понятным образом. Элементы более низкого уровня могут рассматриваться как микроскопические. Тогда система при ее проектировании конфигурируется с использованием так называемых паттернов (англ. pattern – образец, пример, принцип; не путать с методикой ПАТТЕРН!). Паттерн можно рассматривать как некое удачное типовое решение проблемы или как систематически повторяющийся фрагмент или последовательность элементов системы (широко применяется при создании программного обеспечения). В общем случае паттерн-проектирование представляет собой формализованное описание часто встречающейся задачи проектирования. Важнейшим на начальном этапе при работе с паттернами является адекватное моделирование рассматриваемой предметной области. Низшим уровнем представления системы является описание ее в терминах классов (со своими атрибутами и операциями) и соответствующих им объектов, выступающих в качестве микроскопических элементов, и отношений между ними, играющих роль связей. Примером макроскопического элемента следующего уровня является системная архитектура, представляющая собой базовую подструктуру рассматриваемой системы. Высшим уровнем является интеграция отдельных систем, которые рассматриваются в качестве макроскопических элементов. Описание системы в терминах классов является низшим уровнем ее представления. При моделировании системы на уровне классов проводится дополнительная типологизация: описывается структура системы в терминах микроскопических элементов и указывается, насколько система соответствует требуемому значению функционала. Модель системы, построенная в терминах паттернов проектирования, является структурированным выделением значимых при решении поставленной задачи элементов и связей. Правильно сформулированный паттерн проектирования дает возможность пользоваться однажды удачно найденным решением многократно. Модификация метода ПАТТЕРН и Сатурн-технология эффективно использовались для управления структурой и свойствами радиационно-защитных и химическистойких композиционных материалов. В основе проектирования лежит техническое задание с указанием организации и свойств материала как системы. Возможность создания композита и реализация технического задания первоначально определялись на этапе когнитивного моделирования с установлением интенсивных и экстенсивных свойств с выделением управляющих параметров. На основе когнитивной карты определялись иерархические структуры критериев качества, а в соответствии с выделенными критериями качества – соответствующие структурные схемы системы (для каждого выделенного масштабного уровня). Далее осуществлялась формализация критериев качества системы и разрабатывались математические модели в соответствии с каждым из критериев. Наконец, на основе решения задач однокритериальной оптимизации с использованием найденных оптимальных значений осуществлялись формализация многокритериальной задачи и ее решение (определялись оптимальная структура и свойства системы). Библиографический список 1. Васильев С.Н., Опарин Г.А., Феоктистов А.Г. Интеллектный подход к автоматизации моделирования сложных управляемых систем. // Труды Международной конференции RDAMM-2001. – Т. 6. Ч. 2, Спец. выпуск. Новосибирск: – С. 159-168. 2. Гарькина И.А., Данилов А.М., Королев Е.В. Строительные материалы как системы. // Строительные материалы, 2006, № 7 . – С. 55-58. 3. Данилов А.М. Динамика и управление внеатмосферными астрономическими обсерваториями / А.М. Данилов, Л.З. Дулькин, А.С. Земляков, В.М. Матросов, В.А. Стрежнев. – Управление в пространстве. Т.1. – М.: Наука, 1976. – С.153-171. 4. Гарькина И.А., Данилов А.М., Королев Е.В. Системный подход к разработке материалов: модификация метода ПАТТЕРН. // Вестник МГСУ, 2011. – Т. 2. – № 2. – С. 400-405. 5. Гарькина И.А., Данилов А.М., Королев Е.В. Когнитивное моделирование сложных слабоструктурированных систем: пример реализации. // Региональная архитектура и строительство. – 2008, №2(5). – С. 16-21.