Postup nacházení kreativního konceptuálního návrhu - redesign

1. Ústav přístrojové a řídicí techniky, Fakulta strojní, ČVUT v Praze, Technická 4, 166 07 Praha 6 Postup nacházení kreativního konceptuálního návrhu - redesign Jakub JURA Jakub.Jura@fs.cvut.cz Experimentální práce s CRDP 20.4.2010

2. Konceptuální navrhování • Fáze návrhu • Předběžný návrh (early design).Účelem předběžného návrhu je zformulovat požadavky, funkce a vlastnosti navrhovaného systému. • Konceptuální návrh(conceptual design). Účelem konceptuálního návrhu je zformulovat základní principy fungování navrhovaného systému. • Detailní návrh (detailed design). Účelem detailního návrhu je obvykle návrh a výpočet konkrétní podoby produktu (tvary, rozměry, materiál atd.). (Bíla, Tlapák 2004)

3. Konceptuální navrhování • Konceptuální návrh vede od specifikace cílového produktu k syntéze funkcionální struktury, obvykle nazývané schéma (Bíla, Tlapák 2004). • To obvykle vysvětluje funkci cíle navrhování a popisuje základy struktury cílového návrhu (komponenty, vztahy mezi nimi, rámcové výpočty).

4. Příklad konceptuálního návrhu s počítačovou podporou Principem zařízení pro měření průtoku je kmitání křidélka (30) způsobené prouděním plynu. To je principielně ovlivněno nejen rychlostí proudění, které měříme, ale také tvarem stěny interakční komory (27) a umístěním křidélka (30) v této komoře a omezením pohybu křidélka pomocí kolíků (31, 32, 33). x = PNEU <Trans <ChCarr AND ChValV AND Transms AND ChBeh AND <Contr Analog AND <CnstrShape AND ME<Agg Accum AND <Trans <ChCarrV AND ChBeh AND <ContrAnalog AND <R-EffBearing AND <Cnstr <Separ AND Fix AND Shape.

5. Příklad: vklíněnec a friend • Účelem zařízení je vytvoření pevného bodu ve skále za účelem jištění horolezce. • Vklíněnec je starší a princip jeho fungování vedl nejdříve k excentrickému vklíněnci a následně k tzv. friendu. Obrázky: http://www.horolezeckametodika.cz/

6. Vklíněnec • Principem fungování je opření se klínu o dvě strany skalní štěrbiny. Tím se vklíněnec ve své ose zafixuje. Při zvýšeném zatížení (např. při pádu) se vklíněc ještě více upevňuje ve štěrbině (mnohdy natolik, že je obtížné jej vyndat). Obrázky: http://www.horolezeckametodika.cz/

7. Hexcentrik • Principem fungování je excentrické uložení provazu, který z šestihranu vychází. Tím dochází k pootáčení a tím zvyšování tření ve štěrbině (s rostoucím zatížením).

8. Friend • Friend funguje na principu dvou excentrů, které se při zátěži více rozvírají a tím zvyšují tření, což je princip, na kterém friend funguje. • V nezatíženém stavu friend rozevírá pouze pružina - tím zajišťuje, aby se ani v nezatíženém stavu nepohnul. • V odlehčeném stavu je však možné frend také vyndat a to překonáním síly pružiny uvolňovacím táhlem. Obrázky: http://www.horolezeckametodika.cz/

9. Spárové smyce • Smyce se v lehce povoleném stavu zastrkují do spáry. • A) Plochá - po zatížení se uzel dotáhne a tím ztuhne a v žádaném směru je ve spáře zaseklý. • B) Excentrická - Při zatížení se uzel navíc naklání do nitra spáry a lépe v ní drží.

10. Příklad: vklíněnec • Jako množinu známých řešení bychom mohli využít rozličné specielní použití vklíněnce (spojení více vklíněnců) a jeho modifikace (abalaky, hexcentriky) a použití smycí (podobný princip, ale jiný materiál). Obrázky: http://www.horolezeckametodika.cz/

11. Emergence Za emergentní jev můžeme obecně pokládat cokoliv, co je na určité „vyšší" úrovni zřetelné a svébytné (symetrický tvar sněhové vločky), kauzálně působivé (úder pěsti), či jakkoliv jinak pozoruhodné (lavina, inflace), a na co lze hledět jako na důsledek vlastností a chování prvků nějaké „nižší" úrovně (molekul H2O, svalových buněk, sněhových vloček, ekonomických subjektů), přičemž to není snadné nebo dokonce možné prostředky této nižší úrovně popsat, vymezit či předpovědět (Hillis 1989).

12. Emergence • Negativní emergentní jevy mají nejčastěji podobu neočekávaných situací, které se snažíme předvídat, či detekovat • Pozitivních emergentní jevy, tedy ty, které považujeme za žádoucí. Jejich příkladem je emergence nového řešení v kreativním konceptuálním navrhování.

13. Intenze a emergentní kalkul • Intenze jsou ve Fregeovském smyslu definovaná jako zobrazení z množiny všech možných světů (PSW) do příslušné množiny (extenze) hodnot. ψ: PSW  extenze • Možný svět: (Materna 1995) jako maximální množinu všech faktů o světě, které neobsahují logický spor. • Ψ propozice: PSW  {pravda, nepravda} • Ψ veličina: PSW  {R} • Ψ vlastnosti: PSW  {{M1}, {M2}, … {Mi}} • Ψ role: PSW  {individua} • Ψ emergentní jev: PSW  {emergentní řešení}

14. Extenze Intenze a emergentní kalkul Intenze Kalkul logiky pravdivostní hodnoty např.: pravda / nepravda výrok (propozice) PSW množina všech možných světů (maximální souhrn faktů, které mohou platit) Matematika čísla např.: R+ veličina vlastnost, predikát Teorie množin množiny, třídy např.: {jeleni, srnci, extroverti, introverti …} individuální úřad, role Teorie rolí individua např.: Peirce, Frege, Church emergentní jevy Emergentní syntéza emergentní řešení (Bíla, Tlapák 2004)

15. Algoritmus CRDP(Conceptula ReDesign Process využívající emergentního kalkulu) • Algoritmus vychází z množin znalostních prvků: • S … známá řešení, • Q … kritéria pro nová řešení a • P … formační parametry, což jsou operace, relace atd., které popisují možné cesty od vetera k novu. • X … základní množina znalostních prvků, vytvořená jako kombinace předchozích tří množin S, Q a P. • Výpočet je realizován na třech kontextech: • Lokální kontext (LOC) redukuje operace s prvky množiny X na operace s prvky bází. • Problémový kontext (PCX) obsahuje expertní odhad specielních charakteristik řešení X. • Globální kontext (GLB). Návrhy na nová řešení x jsou zapsána ve specifikačním jazyce GLB pomocí jeho preformovaných sémantických struktur. (Bíla & Tlapák 2005), (Bíla, Tlapák & Jura 2006), (Bíla, Brandejský, Bukovský, Jura 2006)

16. Algoritmus CRDP(Conceptula ReDesign Process využívající emergentního kalkulu) • Krok 1. Zadají se množiny S,Q,P a sestrojí se X. • Krok 2. Vytvoří se kontexty pro prvky X. • Krok 3. Generuje se poloha nového prvku xe v kontextech GLB a PCX. • Krok 4.Vypočítává se hodnota DE a DEF. • Krok 5. Pro prvky splňující DEFEmergent(xe) ≥ 0.5 se provádí kontrola možnosti rozšíření některé báze lokálního kontextu. • Krok 6. Pro prvky splňující podmínky rozšíření báze se postupuje dále k interpretaci. (Bíla & Tlapák 2005), (Bíla, Tlapák & Jura 2006), (Bíla, Brandejský, Bukovský, Jura 2006)

17. Ontologie v AI • Ontologie je explicitní specifikacekonceptualizace (Gruber 1993). • Ontologie je formální specifikaci sdílené konceptualizace (Borst 1997). • Ontologie obsahují množiny specifikací a definic konceptů a relací určených pro popis jednotlivých problémových oblastí. • Ontologie je rovinou konceptualizace (Bíla), řezem realitou, resp. jazykovou verzí světa, kterou komunikanté znají a uznávají.

18. Ontologie GLB • Kombinuje prvky obecných sémantických sítí s prvky jazyka UML. • Ontologie GLB je úlohová a předmětová • GLB pracuje s popisem (prvků a komponent), který není postaven na číselných charakteristikách. • Použitý kontextový popis je kompromisem sémantického modelování, kódování a srozumitelnosti. (Bíla, Tlapák 2004)

19. Pole aktivit (Field of activities) • Pole aktivit se skládá z hlavní podvrstvy principy 1 (jméno) • Ta má další vrstvu principy 2 (bližší specifikace) • Ta se skládá z dvou vrstev: • Principy 3 - označuje vrstvu vnitřního chování principů(stavový diagram UML) • Principy 4 - označuje vrstvu popisu vnějšího chování principů(sekvenční diagram UML

20. GLB Uspořádání ontologie GLB Environment Explanation GLB GLB Expl Env Fields of Activities GLB FAct principy Name GLB Princ1 Specification GLB Princ2 GLB GLB Princ3 Princ4 Se quential diagram UML State diagram UML Stratum for the description Stratum for the of an external behaviour description of an internal behaviour

21. Hierarchie a vzájemné zapouštění vrstev a podvrstev ontologieGLB GLB = <GLBExpl, GLBFAct<GLBPrinc1<GLBPrinc2 <GLBPrinc3, GLBPrinc4, >>> GLBEnv>

22. Lokalizace znalostních prvků polí aktivit GLB

23. Nosiče ontologie GLB • Vrstvy a podvrstvy GLBFAct, GLBPrinc1, GLBPrinc2 mají strukturu modelů GLBp = Famp, (Famp) • vrstvy a podvrstvy GLBExpl, GLBPrinc3, GLBPrinc4 a GLBEnv mají strukturu algeber GLBp = Famp, F(Famp)

24. Nosiče ontologie GLB • Nosiče algeber a modelů budeme nazývat “rodina” (“Family” s označením Fam) a jejich prvky “formační prostory” (“Formation Space” s označením FS).

25. Formační prostory polí aktivit • Nosič „FamFAct“ obsahuje formační prostory polí aktivit, (např. Mechanika, Elektrotechnika, „Pneumatika, apod.). • FamFAct =ME, PNU, HME, ELS, MSF, TCS, LGS, ORG, MAT, STRUCT, ENV…

26. Pole aktivit • ME … Mechanické, • PNU … Pneumatické, • HME … Hydromechanické, • ELS … Electromagnetické and electronické, • MSF … Mathematické, symbolické a formální • TCS … Technologickékonstrukce (mosty, rámy, spojovací prvky, konteinery atd.), • LGS … Legislativníprostředky (konvence, nařízení, příkazy, zákazy, povolení, normy, zákony atd.), • STRUCT … Struktury prvků systému (struktury interagujících formačních prostorů), • ORG … Organizační pole aktivit, • MAT … Materiály, • ENV … Environment

28. Příklad: vklíněnec a friend • O principu fungování vklíněnce a friendu můžeme uvažovat v kontextu polí aktivit: • MECH … mechanické • TCS … technologické konstrukce Obrázky: http://www.horolezeckametodika.cz/

29. Formační prostory principů 1 • Nosič „FamPrinc1“ obsahuje formační prostory první vrstvy principů (např. „Agg“ (Agregace), „Trans“ (Transformace), „R-Eff“ (Relativní efekt), apod.). • FamPrinc1 = Agg, Trns, Contr, Protc, Cnstr, R-Eff, Instr, Dam, Emb, Prod

30. Formační prostory principů 1 • Agg … Aggregation, • Trns … Transformation, • Contr … Control, • Protc … Protection, • Cnstr … Constructions, • R-Eff … Relative Effects, • Instr … Instrumental, • Dam … Damage, • Emb … Embedding, • Prod … Production.

31. Formační prostory principů 2 • Nosič „FamPrinc2“ obsahuje formační prostory druhé vrstvy principů (např. „Accum“ (Akumulace), „Synth“ (Syntéza) – k principu „Agg“ 1.vrstvy, nebo „Transfer“ (Transformace se změnou vnitřních vlastností transformované substance), „Transms“ (Transmission) – k principu „Trans“ 1.vrstvy principů, apod.).

32. Formační prostory principů 2 FamPrinc2 = Agg <Accum, Synth>, Trns <ChCarr, ChCarrV, Transfer, Transms, ChBeh, ChVVal>, Contr <Rep, Supp, Catal, Analog, Logic, F-Logic>, Protc <ProtcProd, ProtcProp, ConsvState>, Cnstr <Separ, Fix, Bear, Content, Join, Shape, Milieu>, R-Eff <Filter, Joint, Bearing>, Inst <Tool, Material, Means> , Dam <Discard, Contamin,Destruct> , Emb <InConstr, Include, Annex> , Prod <Objects, UnivQual, UnivPower> }

33. Formační prostory principů 2 • Accum … Accumulation (Aggregation without change of the aggregated components), • Synth … Synthesis (Aggregation with a change of the aggregated components), • ChCarr … Change of Energy Carriers, • ChCarrV … Change of Carrier Variables, • Transfer … Change of position of energy matter with possible changes of the internal properties, • Transms … (Transmission) Change of position of energy matter without changes of the internal properties, • ChBeh …. Change of Behavior of Energy matter, • ChVVal … Change of Values of descriptive Variables, • Rep … Repression of an effect (process, principle), • Supp … Support of an effect (process, principle), • Catal … Catalysation of an effect (process, principle), • Analog … Analog control of an effect (process, principle),

34. Tool … Tool, Material … Material, Means … Means (non special facilities to help an effect or action), Discard … to Discard (to eliminate the existence), Contamin … to Contaminate, Destruct … to Destruct, InConstr … to embed in a system and to use the functionality (of the embedded system or of both), Include … to embed without specified utilisation of functionalities, Anbnex … to Annex, Objects … production of Objects, UnivQual … production of Universal Qualities (money, water, light, foodstuffs), UnivPower … production of Universal Powers (electrical energy, heat). Logic … Logic control of an effect (process, principle), F-Logic … Fuzzy Logic control of an effect (process, principle), ProtcProd … Protection of Products, ProtcProp … Protection of Properties, ConsvState … Conservation of a State, Separ ... to Separate, Fix … to Fix, Bear … to Bear, Content … to form a volume, Join … to Join, Shape …to Shape, Milieu … to form a Milieu, Filter … Filter, Joint … Joint, Bearing … generalized Bearing,

35. Příklad: vklíněnec • Vklíněnec můžeme v specifikačním jazyce GLB popsat následujícím znakovým řetězcem: • x = Agg (Accum) & Trns (ChVVal) & Contr (Analog)&TCSAgg (Accum) & Cnstr (Fix & Shape) & Emb (InContr & Annex) • Vyjadřujeme tím, že na mechanickém poli aktivit je jeho funkce založena na změně chování při zátěži a tato změna je řízena a podporována spojitě. Z konstrukčního hlediska jde o především o spojení a tvar vklíněnce. Důležitá je také interakce s prostředím, neboť vklíněnec je při své funkci do prostředí začleněn. Obrázky: http://www.horolezeckametodika.cz/

36. Formační prostory principů 3 • Nosič „FamPrinc3“ obsahuje stavy a přechody stavových diagramůUML vztažené k dané ontologii.

37. Formační prostory principů 4 • Nosič „FamPrinc4“ obsahuje objekty, události a podmínky sekvenčních diagramů UML vztažené k dané ontologii.

38. Výstup algoritmu CRDP Ontologie GLB má návrháři napovědět, ze kterých polí aktivit a principů složit nové zařízení.

39. Příklad: friend • Algoritmus CRDP může vygenerovat například následující znakový řetězec, jakožto redesign vklíněnce: • x = MECH <Trns <ChBeh AND ChVal> AND <Contr <Supp AND Analog> AND Cnstr <Join AND Shape AND Bear> AND R-Eff <Joint>> AND ENV <Emb <Include>> Obrázky: http://www.horolezeckametodika.cz/

40. Interpretace • Interpretace je převedení jevu do jazyka. • Interpretace je výklad textu (souhrn úvah, kterými určujeme přesný smysl textu). • Interpretace je náhrada rozhovoru s autorem textu, který obvykle již není možný. • Interpretace GLB je interpretací pro překlad a pro inferenci.

41. Interpretace GLB • Jádro interpretačního systému je založeno na konstrukci zobrazení (), které spojuje gramaticky korektní znakové řetězce s jejich sémantickým obsahem a to v kontextu řešení úloh a problémů konceptuálního designu a redesignu. (Jura, Bíla, 2007)

42. Gestalt

43. Interpretace ontologie GLB • Slovník jednotlivých výrazů + příklady TCS, ME, …. • Slovník základních řetězů + příklady STRUCT (agg) • Slovník rozšířených řetězů + příklady STRUCT (agg(acc)) • Slovník základních spojení + příklady STRUCT (agg(acc)) AND ELS (trasn(chcar) • Slovník zanořených spojení + příkladySTRUCT (agg(acc) AND (trasn(chcar) • Slovník kombinací zanořených a základních spojení + příklady STRUCT (agg(acc) AND (trasn(chcar)

44. AND AND STRUCT ME Trns Agg Trns ChCarr Synth ChBeh Ch STRUCT ME Agg Trns Trns Synth ChCarr ChBeh Zobrazování interpretace

45. Příklad: friendzobrazení znakového řetězce Ch AND ENV MECH AND R-Eff Cnstr Contr Emb AND AND Joint Include Analog Supp Join Shape Bear Trns AND ChBeh ChVal

46. Příklad: xezobrazení znakového řetězce Xe AND TCS ME AND R-Eff R-Eff Cnstr AND Trns Bearing Shape ChVVal Joint Bearing

47. Interpretace znakového řetězce:

48. Interpretace znakového řetězce:

49. Interpretace znakového řetězce:

50. Technologické vytvarování funkční části do tvaru klínu Mechanický princip ložiska, resp. Uložení TCS Cnstr Shape ME R-Eff Bearing Nápady ME Trns ChVVal