Система поддержки разработчика керметных резистивных материалов и изделий на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Г/

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (технический университет)

На правах рукописи

04

ГРИШЕЧКИН ДМИТРИЙ МИХАИЛОВИЧ '

СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ РАЗРАБОТЧИКА КЕРМЕТНЫХ РЕЗИСТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ НА ИХ ОСНОВЕ

01. 04.10 - физика полупроводников и диэлектриков 05,13.12.- система автоматизированного проектирования

Автореферат диссертации на соискание ученой степени ..'■'■ кандидата технических наук

Москва 1994

. Работа выполнена на кафедре "Физика и технология электротехнических материалов и компонентов" Московского энергетического института

Научный руководитель: кандидат технических наук.

старший научный сотрудник ТИХОНОВ А. И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, КУЗНЕЦОВ Г.Д.

доктор технических наук, профессор, САХАРОВ Ю. С.

Ведущая организация: Научно-производственное объединение "Физика"

V

Защита состоится иьей&ЛЗЗ^йгв ауд. Г-403 в час мин на заседании Специализированного совета К-053.16.08 Московского энергетического института. '•■'■'.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим присылать по адресу: 105835 ГСП. Е-250, Москва. Красноказарменная-ул., д. 14, Ученый совет МЭИ. . , •

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан *£>_* маЯ 1994г.

Ученый секретарь Специализированного совета К-053.16.08

к.ф. -м.н., доцент

Каретников И/А..

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Керметные резистиЕные материалы (КРМ) представляют собой стеклянно-металлические композиции для изготовления толстопленочных резистивных слоев. Высокие электрофизические свойства и хорошая технологичность обусловили их широкое распространение. Ежегодно в мире производится несколько миллиардов постоянных и переменных резисторов, гибридных микросхем на основе КРМ.

Исходными составлявшим керметных композиций являются порошки соединений металлов платиновой группы, свинцовоборосиликатных стекол и окислов переходных металлов, которые смешиваются в пропорциях. требуемых для получения нужного сопротивления. Добавление вязких жидкостей превращает их в пасты, наносимые через сетчатые трафареты на диэлектрические основания. Окончательные свойства изделий формируются в процессе высокотемпературного обжига в туннельных печах и последующей лазерной юстировки слоев.

Практическая деятельность инженера-разработчика керметных резистивных материалов и изделий на их основе (КРМн',1) связана с решением различных задач, условно разделяемых на два класса:

- получение КРМиИ с требуемыми свойствами на основе традиционных /.. технологических решений, куда относится подбор серийных паст.

. расчет их реологии,; пропорций смешивания и топологии отпечат-. ков, выбор режимов обжига и подгонки слоев, согласование условий обработки паст для многокомпонентных и многослойных схем;

- получение новых КРИиИ. обладающих предельными или нетрадиционными свойствами, например..близким к нулю температурным коэффи-

К?>г1ШентЬм. сопротивления' (ЯСС) •' иливысоким. и воспроизводимым коэффициентом тензочувствите^ьности.

Опытным разработчикам удается решать такие задачи руководствуясь не столько" стандартными методиками, сколько правилами, вынесенными из длительной практической деятельности, а также собственной интуицией. В :этой области, где тесно переплелись элементы науки, ремесла и искусства, затруднен процесс обучения персонала, связанный не только с освоением научных основ предметной области (ПО), но и с постижением цеховых тайн ремесла. Требования по повышению качества изделий, жесткие ограничения на сроки их разработки, а также задачи подготовки кадров делают актуальным создание компьютерной системы поддержки . (СП) материаловедческой деятельности.

Целью работы является создание СП инженера - разработчика КРМиИ, выполняющей двоякую роль. С одной стороны - это помощь разработчику в его практической деятельности, возможность оперативной оценки влияния различных факторов на свойства изделий и сравнения большого числа технологических решений. С другой стороны СП должна способствовать передаче знаний опытных материаловедов другим разработчикам в процессе обучения.

Традиционная реализация СП в виде набора формальных моделей, базируются на основных физических принципах и объединенных в пакет прикладных программ, не представляется возможной. В отличии от такой классической области, как физика монокристаллических полупроводников. для гетерогенных композиций (к которым относятся КРМ) отсутствует обобщенная теория электропереноса, количественно описывающая явления в КРМ. СП должна ориентироваться на всю совокупность знаний о ПО, которыми могут руководствоваться материаловеды. Для ее создания необходимо решение последовательности задач:

- сбор и анализ информации о КРМ. классификация информационных источников;

- систематизация информации в терминах тетрады "состав - структура - технология - свойства" (ССТС);

- параметрическое описание ПО, систематизация сведений о взаимосвязях между параметрами, классификация их по ; природе знаний, описание системы знаний о КРМ;

- разработка методов представления знаний в виде, пригодном для использования в СП;

- создание СП. функционирующей на персональных ЭВМ (ПЭВМ), разра-

■ ботка методов пополнения базы знаний в процессе эксплуатации.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- предложена структура описания системы знаний по КРМиИ; ,

• - выделена понятийная структура ПО, сформированы' множества существенных параметров и взаимосвязей между ними; . -

- определены условия применимости существующих моделей для описании температурных и концентрационных зависимостей сопротивления реальных КРМ; . -л .■/;".: '>.■• ■'■ ■„

- на базе моделирования предложены', рекомендации ," для получения, КРМиИ с минимальным ТКС в рабочем диапазоне температур и сглаженной формой концентрационной кривой:

- произведена классификация' эмпирической информации, относящейся

к КРН, разработаны методы ее представления в материаловедческой базе данных;

- произведена структуризация слоя эвристических знаний, показана их важная роль в описании КРМ, предложены способы представления эвристик в СП;

- предложена архитектура гибридной СП, базирующейся на модели функциональной сети с фреймовым представлением параметров;

- разработан аппарат представления параметров описания тетрады ССТС, включающий в себя базовое значение, стек смещений от внешних воздействий и результирующее значение параметра;

- предложены методы и средства динамической конверсии между качественным и количественным представлениями значений параметров, позволяющие использовать знания, относящиеся к теоретичес-: кому, эмпирическому и эвристическому слоям.

Практическая ценность работы заключается в создании работоспособной программной системы Кермет. осуществляющей поддержку разработок в области КРМиИ и функционирующей на ПЭВМ, совместимых с IBM PC. Эта'система, позволяет оперативно прогнозировать последствия изменений, вносимых разработчиком в составы исходных материалов и параметры технологического .процесса, а также планировать действия, необходимые для получения КРМиИ с требуемыми свойствами. С помощью • системы поддержки (СП) Кермет решаются также задачи фиксации и передачи'знштй инженеров-технологов и материаловедов.

• Реализация результатов работы. Разработанная СП Кермет передала в'НПО "Физика", где используется при подборе резистивных паст и ;отработке технологии изготовления тест-плат. Различные модификации системы внедрены как лабораторные практикумы в Московском институте приборостроения. Ленинградском институте повышения квалификации ра-;'ботников промышленности.по методам и технике управления, а также Московском энергетическом институте. ■ .Положения, выносимые на защиту:

^ :;г :ош!сание . системы знаний по КРМиИ-в виде трех неравноценных и

■ взаимодействующих слоев (теоретического, эмпирического и эврис-?^^^вСкого),'-:'кажпый из которых имеет свою понятийную систему и ¿р^собстаейный -язык-представления знаний;

- классификация моделей электропереноса в композиционных материалах применительно к КРМиИ. результаты моделирования температур-

V ной и концентрационной зависимостей сопротивления;

- методы гибридного представления знаний, адекватно учитывающие особенности каждого из слоев знаний, методы динамического преобразования между численными и лингвистическими значениями;

- архитектура системы, базирующаяся на модели функциональной сети с фреймовым представлением параметров, алгоритмы управления распространением возмущений и уравновешиванием сети.

Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались на конференциях: "Автоматизация проектирования в электромашиностроении" (Суздаль,1989), "Программное обеспечение, новой информационной технологии" (Тверь,1989), "Интеллектуальное программное обеспечение ЭВМ" (Терскол, 1990). "Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике" (Ташкент. 1990). "Создание и применение экспертных систем" (Рига.1990), "Программное обеспечение ЭВМ" (Тверь,1990), "Композиционные материалы" (Реутов. 1990), "Гибридные интеллектуальные системы" (Терскол, 1991), "Автоматизация проектирования в электронике и электротехнике", (Иваново, 1991); 34 международном научном коллоквиуме (Ильменау. 1989); 7 всесоюзном совещании по Технической диагностике и отказоустойчивости (Саратов,1990), международном форуме информатизации (Москва.1992).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 23 печатных работы. ■ , . .

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем 214 страниц, в том числе 15 таблиц и 37 рисунков. Список литературы включает 287 названий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ .

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель работы, изложены основные положения, выносимые на защиту. изложены научная новизна и практическая ценность работы.

Первая глава посвящена анализу и систематизации информации о КРМ. Литературный обзор, производившийся на основе фондов ГПНТБ, РГБ, ВИНИТИ, ЦНИИ "Электроника", ГПБ, ИТИ, ПО "Гиперон", позволил отобрать более 600 единиц информационных источников. Основная масса приходится на экспериментально - исследовательские статьи, в перио-. дической печати (более 65%), далее идут патенты (около 15!?). .каталоги фирм-производителей и публикации рекламного характера (менее

103!). Реже встречаются теоретические исследования (не более 10%) и монографии по данной проблеме (менее 155).

Помимо открытых публикаций существует большое количество внутрифирменной информации, являющейся собственностью производителей. В обзоре обрабатывались доступные технические отчеты, результаты испытаний и другая производственная документация.

Важным источником знаний о КРМ является личный опыт практической работы, а также сведения, полученные при личных контактах с другими разработчиками. Эта информация касается правил действия в определенных ситуациях и критериев выбора решений.

• Имеющуюся информацию целесообразно сгруппировать вокруг различных этапов технологического процесса производства КРМ:

- выбор твердых компонентов паст; проводящие порошки (RuOz, В1гЕиг0т, Pb2Rh207 и др., частицы 30.. .500 нм), стеклянная шихта (РЬО, Вг03, S102, А1г03 и др., зерно 1...5 мкм);

- изготовление резистивных паст; смешивание проводящих и стеклянных порошков (5/95...50/50), внесение модифицирующих добавок (MrijOj, Сог03, MgO и др.). перемешивание пороиков с вязкими органическими жидкостями (ланолин, цшиюгексанол и др.);

- нанесение резнстивных паст; изготовление сеткотрафаретов нужной топологии, .нанесение контактных-площадок (Ag/Pd, Au, Au/Pt и др. ); печать пасти на подложку_(А1г03. A1N, ВеОидр. );

- обжиг резистивных слоев в конвейерных печах с трапецеидальным температурным профилем (tUKKJIa=40.. .60 мин.. Тмакс=850.. ,950°С.

-..,Чпих=5/. : 10 мин. ) и циркуляцией окислительной атмосферы; v ".юстировка керметных резисторов: подрезание'слоев лазерным лучом

• до получения сопротивления с точностью 0.0155, электро- и тер-v. : : , мотренировки для стабилизации параметров.

■ Извлекаемые из различных источников сведения различаются тема-атакой, формой представления, подробностью и часто противоречат друг ДРУГУ-' Для систематизации информации был выбран классификационный базис, .опирающийся на тетраду "состав - структура - технология -свойства" (CÇTC). Действительно. КРМиИ характеризуются сильным влиянием параметров технологического процесса, составов используемых материалов и микроструктуры получаемых композиций на электрофизические: ¡рвойства пленок. В то же время составы и гранулометрия исходных 'компонентов, сами претерпевают серьезные изменения в процессе обработки, что также отражается на свойствах изделий.

Взгляд на ПО в парадигме ССТС позволяет с одной стороны рассматривать КРМ как единую и взаимодействующую сложную систему, а с другой - перейти к декомпозиции и формализации этой системы, выделяя описывающие ее параметры и связи между ними.

Параметрическое описание КРМиИ с одной стороны должно адекватно характеризовать ПО. охватывая все элементы ССТС. а с другой -соответствовать представлениям о предмете материаловеда-практика; на которого ориентируется создаваемая СП. Разнообразие в происхождении данных приводит к различиям в степени параметрической детализации одних и тех же физических характеристик КРМиИ.

Например, такая характеристика резистора, как температурная зависимость сопротивления, для потребителя в каталоге представляется как единый ТКС в рабочем диапазоне температур. Производитель изделий из стандартных паст контролирует уже два параметра - "холодный" и "горячий" ТКС (в верхней и нижней областях рабочего диапазона). Изготовители паст оперируют коэффициентами параболической аппроксимации кривой я-Г(Т). а разработчики новых материалов - с конкретными точками этой зависимости.

Сведения о взаимосвязях между параметрами также разбросаны по информационным источникам. Даже простая вербальная фиксация найденных зависимостей, сгруппированных в блоки по парам "состав -структура", "состав - свойства", "технология -структура" и т.д., привела к выявлению нескольких сотен таких связей.

Собранное объемлющее описание ПО содержало более ста пятидесяти параметров и четырехсот взаимосвязей между ними. Его недостатком явилась громоздкость для реализации в СП и плохая корреляция с понятийной структурой, существующей у разработчиков КРМиИ. В ходе

ДСмГ!1Л!СГ'шС«! рабСТи ¡1иД проектом ПаршчсТрИЧбСКСс* ииИСаНИс УдалиСЬ

регировать так. что полученный базовый набор параметров стал интуитивно понятен пользователю и удобен для использования в СП.

Однако проблема формализации связана не столько с их количеством или противоречивостью, сколько с простой совместимостью данных. Оказалось, что различаются как методы описания связей (формулы, наборы числовых значений, графики, выражения типа "лучше", "уменьшается" и др.). так и форма представления параметров (численные и качественные значения, интервальные и лингвистические величины). Различается также и степень доверия к информации, относящейся к различным уровням параметрической детализации ССТС.

Эти проблемы приводят к необходимости классификации имеющихся знаний о КРМ. что позволило выработать подходы к способам их формализации.

Во второй главе проведено описание системы знаний (СЗ) о ПО. существующей в керметном материаловедении, выделены критерии оценки различных слоев знаний, приведена их сравнительная характеристика.

Анализ имеющейся о КРМ информации показал наличие трех основных подходов к описанию ПО, являющихся проекциями трех слоев знаний о предмете: теоретического, эмпирического и эвристического. Для сравнительного описания этих слоев была разработана система оценок, включающая в себя такие критерии, как объемная доля в СЗ. степень покрытия ПО. происхождение, характер данных, предсказательная сила и репрезентативность (отношение научного сообщества).

Слой теоретических знаний - физические законы, формулы и модели. Это - традиционный способ научного представления знаний. Однако. в настоящее время не существует полноценной теории электропереноса в гетерогенных керметных композициях, что связано со сложностью и нерегулярностью КРМ.

Такая теория должна учитывать наличие нескольких структурных уровней материала, имеющих различные масштабные факторы. На уровне изделия (характерные размеры - миллиметры) в резистивном слое наблюдается наличие приконтактных и приподложечных областей с модифицированными свойствами, а также скрытая пористость. На уровне макроструктуры композиции (десятки микрон) обнаруживается принудительное структурирование проводящих частиц по границам стеклянных зерен. Микроструктура слоя (десятки нанометров) включает легированные прослойки стеклянной матрицы, разделяющие проводящие частицы.

"Была проведена систематизация существующих моделей электропереноса в композициях и их апробация применительно к поставленной задаче. Максимальный интерес представляли модели, описывающие основные свойства ЯРМ - температурную К-Г(Т) и концентрационную Я*!(р) зависимости сопротивления. Было рассмотрено десять таких моделей. Условно их можно разделить на "геометрические" (вероятностные) и "физические".

Первые рассматривают материал как двухфазные механические смеси проводящих и изолирующих частиц, не учитывая наличие переходных областей вокруг проводящих зерен. Сюда относятся модели Кубовы и Форлани. основанные на теории протекания и учитывающие зависимость

критических индексов от гранулометрического состава композиции, а также модель Ивена для протекания на "наклонных решетках". Модель Скарисбрика базируется на определении вероятности формирования сквозных проводящих цепочек в композиционном материале. Применительно к керметам сна была адаптирована Кьюзи путем введения фактора упорядоченности, учитывающим геометрическую форму проводящих частиц.

"Геометрические" модели ориентированы на расчеты только кривых 1?=Ир), считая, что ТКС смеси соответствует ТКС проводящей фазы (чего в действительности не наблюдается). Следует отметить, что концентрационные расчеты реальных керметов требуют введения настроечных коэффициентов, не имеющих физического смысла.

Модели второго типа рассматривают элементарную ячейку материала, состоящую из двух проводящих частиц и разделяющей их межгранулярной прослойки. Существуют модели, описывающие перенос электронов через стеклянный барьер на основе механизмов резонансного туннели-рования (модели Пайка и Хилла). прыжковой проводимости (модель Яко-бони), а также комбинированная туннельно-прыжковая модель Холдера. Эти модели с различной степенью достоверности моделируют кривые (Т) для керметов, оставляя без внимания концентрационные зависимости. и влияние соотношения размеров частиц.

Модель эффективной среды Смита-Андерсона занимает промежуточное положение, вводя в обычную двухфазную смесь частиц различных диаметров разброс контактных сопротивлений между проводящими шарами (что имитирует наличие прослоек различной толщины). Однако даже она не могла быть непосредственно использована для численных предсказаний й и ТКС в -широком диапазоне входных параметров.

Пппбпр.мя сряяяня г. трм, ни одна из .моделей не учитывает сложности структуры реальных керметов, что приводит к появлению собственных систем понятий, плохо согласующихся с системой параметров КРМиИ. Исследование моделей электропереноса позволила сформулировать достоинства и недостатки, присущие теоретическому слою СЗ. Теоретические знания привлекательны своей высокой предсказательной, силой и удобством обработки данных, однако для КРМ этот слой достаточно беден. Непосредственно в СГ. можно включить лишь закон Ома и две-три классические формулы. Имеющиеся модели оказались применимы для структурирования массивов эмпирической информации и выявления тенденций на качественном уровне.

Такой вывод основан на анализе результатов . моделирования (рассматриваемых в четвертой главе). , которые позволили сформулировать рекомендации по получению материалов с минимальным ТКС и .требуемым видом концентрационной кривой.

Слой эмпирических знаний - :большие объемы экспериментальных данных по зависимостям между составами, свойствами материалов и параметрами техпроцесса. Эта информация разбросана по большому числу разнообразных источников' (научно-исследовательские публикации, каталоги серийных паст,. патенты, результаты производственных испытаний и т.д.). где она представлена в самых разнообразных формах -таблицы, графики, отдельные значения параметров. - .

Основная черта эмпирических знаний - неоднозначность. Это связано с тем, что КРМ являются." сложными системами, которые при проведении экспериментов трудно привязать к стандартной системе параметров. Поэтому часть из : них может.либо не контролироваться, либо просто умалчиваться по'коммерческим соображениям.

Отсюда плохая воспроизводимость результатов и противоречивость в.данных..При обработке эмпирики нужно быть готовым к учету неопределенности и противоречивости. Несмотря на большой объем, покрытие ПО экспериментальными знаниями осуществляется выборочно, а сами знания имеют низкую предсказательную силу.. . .

По существу, эмпирические знания представляют собой точки в . многомерном пространстве параметров, поэтому для включения их в СП необходимо разработать методы поиска в базах данных,, интерполяции и экстраполяции. Основными функциями этих знаний в СП представляется поиск прецедентов для начальных установок и верификация получаемых результатов.

Слой эвристических знаний - некодифицированные правила и инту-. итивные критерии, составляющие основу личного и группового опыта квалифицированных разработчиков. Такие знания можно рассматривать как цеховой свод правил, позволяющих успешно вести повседневную деятельность. Эвристики не считаются достаточно строгим знанием и поэтому на уровне публикаций, каталогов и проспектов они практически отсутствуют. Эти сведения представляют собой разновидность научно-инженерного фольклора и передаются в основном изустно. ■ Анализ доступной информации позволил предложить следующую рабочую классификацию эвристик: а) эвристики - прогнозы, предсказывающие свойства изделий по известной комбинации параметров; б) эврис-

тики - действия, задающие значения параметров для получения требуемых свойств; в) эвристики - запреты, определяющие недопустимые при проектировании сочетания параметров; г) эвристики - факторизаторы. задающие отношения эквивалентности.

В керметном материаловедении слой эвристических знаний играет превалирующую роль, обслуживая всю ПО, выступая связующей основой СЗ и предохраняя ее от распада. Эвристики занимают промежуточное место интерпретируя теоретические знания и обобщая эмпирические.

Проведенная работа показала, что СЗ по КРМ состоит из трех пересекающихся и взаимодействующих между собой слоев. Каждый из них обладает своей системой понятий и собственным языком представления информации. Для формул, моделей и эмпирики характерны числовые данные. а для эвристик - качественные, типа: "большой", "уменьшается", "лучше" и т.д. Кроме того неопределенность в эмпирических знаниях часто приводит к необходимости интервального представления данных.

Третья глава посвящена проблеме формализации трех слоев СЗ по КРМ для использования их в создаваемой СП. Задача состоит как в выборе способов представления параметров и взаимосвязей, имеющих различную природу, так и в разработке методов целостной реализации системы, обеспечивающих преобразования между различными представлениями' данных. Для решения этой задачи было разработано габридное представление знаний о КРМ.

В качестве структурной основы для реализации СП была выбрана модель функциональной сети - двудольного , графа с вершинами двух типов: параметрами и правилами, которые формализуют связи между ними. Функциональная сеть (ФС) обеспечивает целостное представление системы. Вычисления на ФС основаны на распространении возмущений по сети. Активация очередного правила связана с изменением знаиений параметров, являющихся для него выходными. Эти параметры в свою очередь являются входными для других правил, которые также активируются и т. д. Управление ФС осуществляется «а основе сценариев уравновешивания сети, включающих информацию о маршрутах распространения. контроле цикличности и условиях останова.- .

Сложность СЗ. большое количество параметров и правил вызывают необходимость декомпозиции ФС на отдельные подсети. В основу такого разбиения СП на модули легла привычная разработчику схема этапов технологического процесса. Передача возмущений между ними осуществляется через выделенные интерфейсные параметры.

Тип слоя СЗ, к которому принадлежит источник конкретного правила. определяет метод его реализации в СП. Правила, ведущие свое происхождение из теоретического слоя представляются в виде расчетных формул или -алгоритмических моделей. Правила из эмпирического слоя реализуется как запросы к базе экспериментальных данных. Эвристики же формализуются в виде продукций типа "если - то". Помимо этого в системе предусмотрены правила - запросы к пользователю.

Каждое правило объединяет группу входных и выходных параметров. причем их действие на последние может различаться. Некоторые правила возвращают новые значения, например: "для паст серии DuPont 1400 при использовании сетск с ячейкой 200 меы толщина отпечатка составляет 25±2 мкм". Результатом действия остальных правил является смещение от существующего значения. Примером может служить эвристика: "с уменьшением вязкости пасты толщина отпечатка уменьшается, а его площадь слабо растет". Все правила, используемые в СП с достаточно высокой достоверностью действуют независимо друг от дру- . га и их влияние на параметр определяется суперпозицией.

При неизменной физической сущности спссоб реализации правила может претерпевать изменения. Например, для зависимости толщины нанесенной пленки от вязкости пасты это могут быть: а) запрос к базе данных' для конкретного типа пасты и техпроцесса; б) эмпирическая формула с настроенными коэффициентами и ограничениями; в) обобщаю- . щая эвристика; г) запрос к пользователю. Применение конкретного вида правила определяется подсистемой планирования в зависимости от степени общности правила и коэффициента доверия к нему. Такой подход дает возможность развития базы знаний, обеспечивая работу с СП на различных этапах ее наполнения, отладки и сопровождения.

Требования к методам представления параметров включают в себя возможность преобразования данных между различными представлениями (для согласования с конкретным правилом). учет множественности источников значений и многократности их преобразований. Реализацию описания параметра в ФС было решено проводить на основе фреймовой модели представления знаний, включающей в себя необходимую структуру данных с рабочими и управляющими слотами (полями), а также ассоциированные с ними процедуры обработки.

К рабочим слотам данных параметра относятся базовое значение, стек смещений и текущее значение. Размерность стека определяется числом входящих в данный параметр правил, которые смещают его базо-

вое значение. Текущее значение параметра определяется сумной базового значения и результирующего (по всему стеку) смещения. Основными операциями над полями данных являются суммирование значений со смещениями и смещений меаду собой. Эти операции возложены на т.н. "процессор параметра" и выполняются автоматически по мере поступле-' • ния данных в процессе работы ФС.

Различная природа правил, влияющих на конкретный параметр, приводит к необходимости постоянных преобразований между числовой и лингвистической формами представления данных. Лингвистическое представление величины связано с природой параметра. Например, за значением "высокая" для температуры и пористости стоят различные реалш. да и понятия "высокая температура" применительно к обжигу или условиям эксплуатации сильно различаются.

Поэтому для каждого параметра, включенного в СП были разработаны контекстные шкалы значений и смещений типа "лингвистическая величина - числовой интервал" (для смещений интервал обычно процентный). Число градаций каждой шкалы не превышает 7. что связано с порогом человеческого восприятия.

Для того, чтобы качественные по своей природе эвристические правил:, не сводились к принудительному преобразованию в числовую шкалу в целях дальнейшей обработки, оказалось необходимш разработать таблицы базовых лингвистических операций. Это - операции сложения значения со смещением (значение + смещение новое значение) и сложения двух смещений (смещение + смещение. •-• новое; смещение). . Трудоемкость создания таких таблиц достаточно высока, но их наличие делает СП прозрачной по отношению к способу представления данных. Формульные правила выполняются на числовой шкале, а эвристические на каче1лвеяний, не утрачивал при зток сйосИ ст:с".соой суЕЦГсстк.

Обработка числовйх интервалов производится по выбору пользователя с использованием классической, марковской или хансеновской мо- : делей, или же методом сжатия интервала к центральной точке. .

Четвертая глава посвящена описанию реализаЬш СП. На начальном этапе работ над проектом была предпринята традиционная'.попытка . построения СП на базе математического моделирования/свойств КРМ.: Был разработан пакет программ для расчета температурных й концентрационных зависимостей КРМ. В его основе, лежат, двеподели электро-, переноса, показавшие применительно к КРМ наилучшие результаты:: туннельная модель Хилла (микроуровень структуры, туннельное просачива-.

ние электрона через полупроводящий стеклянный барьер) и модель эффективной среды Андерсона-Смита (макроуровень, проводимость смеси изолирующих и проводящих частиц, каждая из которых покрыта полупроводящим слоем различной толщины, что обеспечивает разброс контактных сопротивлений).

Производились попытки решения таких задач разработчика, как минимизация ТКС в рабочем диапазоне температур и уменьшение крутизны концентрационнойзависимости в высокоомной области. Основная проблема заключалась в привязке таких параметров моделей, как высота и ширина потенциального барьера изолирующей . прослойки, степень разброса контактных сопротивлений и др; к характеристикам реальных КРМ. Для ряда специальных случаев удалось получить наблюдаемые на практике: а) смещение точки минимума к изменение кривизны температурной зависимости и б) сглаживание концентрационной зависимости и изменение порога протекания. Остальные результаты в лучшем случае только качественно соответствуют.экспериментальным данным.

Эта работа продемонстрировала: невозможность построения работоспособной СП на имеющейся, теоретической базе. Однако она г.е позволила сделать важный вызод о необходимости использования в СП всей совокупности'взаимосвязанных между собой знаний о КРМиИ. Об этом свидетельствует и тот факт, что на основе количественных результатов моделирования были сформулированы обобщающие качественные рекомендации по минимизации ТКС (подбор исходных материалов с близкими работами выхода, использование термокомпенсированных проводящих смесей), сглаживанию концентрационной кривой (предварительное легирование стеклофазы материалом проводника), и изменению порога протекания (использование проводящих,частиц меньшего размера), вошедшие в СП в виде эвристических правил. -

Для отработки методов формализации эвристической компоненты знаний'.-о КРМиИ на следующем этапе работ была проведена разработка программной оболочки (ПО) ПоеоЭырь, предназначенной для создания продукционных экспертных систем. Качественные сведения о предмете исследований представляются в ней в виде.продукций "ЕСЛИ А, ТО В" или более сложных'конструкций. дополненных сферой применения продукции. условием ее применимости и возможным последействием. Заполнение такой экспертной системы достаточным количестзом продукционна. 1^авил: позволяет, производить .'обратный вывод (от следствия к Причинам). . ': ■ ..." .

В процессе разработки и эксплуатации ПО Поводырь были отработаны не только методы представления эвристик в виде продукционных таблиц, но и принципы организации взаимодействия с пользователем, включая настраиваемые пользовательские интерфейсы и развитую систему объяснений. Подход к построению СП в виде продукционной эксперт- '1 ной системы оказался также неприемлимым из за его слабой привязки к. численным данным и недостаточного покрытия продукциями ПО. Однако сама ПО Поводырь используется в ряде организаций для поддержки диагностики сложных систем (вычислительная техника, радиолокационное оборудование).

Результатом проведенных исследований явилась разработка системы поддержки деятельности инженера-материаловеда в области кермет-ного резисторостроения, названная Кершеп. Это - гиОридная система, основанная на различных методах представления знаний. В основе СП Кермет лежит модель ФС, объединяющая параметры и правила. Для практической .реализации было выбрано минимальное базовое множество параметров. описывающих КРМи'Л (18) и правил, связывающих их между • собой (33). Функционально СП ¡Сермет разбит на 4 взаимодействующих модуля. -описывающих следующие этапы техпроцесса: подбор резистивных и контактных*паст, расчет топологии слоев, выбор подложки и нанесение паст, ' термообработка керметных пленок. Основным принципом системы является ее максимальная ориентация на пользователя-технолога.

Внешне СП Кермет выглядит как электронная таблица с ячейками, соответствующими текущим значениям параметров, распространение возмущений на ФС приводит к автоматическому пересчету этих'-значений.. Пользователь может сфокусироваться на любом параметре и /выяснить вклад всех правил - источников смещений. ' установить приоритетную шкалу для пересчетов (числовую или лингвистическую) и метод обработки неопределенности. Большое внимание удеденообънснительний части СП Кермет, построенной с помощью, гипертекстовой технологии./В :. любой момент пользователь может получить.исчерпывающие разъяснения по тому, в каком состоянию находится система,"какими путями подучены имеющиеся результаты, по описаниям включенных, в. систему параметров и правил, источникам их происхождения И/степени- доверия к ним..

СП Кермет можно рассматривать как лабораторный стенд, позволяющий быстро моделировать задачи прогнозирования и плакирования. К -первым относятся задачи типа "а что будет, если... '': В этом случае; ' разработчик изменяет один или несколько входных параметров (напри-

мер - увеличивает длину резистора на 1.5 мм, заменяет золотые контакты на серебро - палладиевые и уменьшает на 10°С температуру обжига), после чего смотрит, как это! отразится на выходных свойствах изделий (ТКС. 1?^). При решении задач второго типа ("как сделать, чтобы...") нужно установить требуемые свойства - значения выходных 'параметров (например - ТКС < 200-Ю*6^1) и запустить уравновешгаа-ние ФС, подбирая подходящие варианты.- .

СП Кармет может использоваться не только в повседневной деятельности, но и при обучении персонала. Это - открытая система, которая может пополняться и модифицироваться при переходе на новые технологии и материалы, а также, по мере накопления знаний о них.

В заключении кратко сформулированы полученные результаты: • 1. Проанализированы- задачи,, стоящие, перед инженерами-материаловедами и технологами в области создания керметных композиционных -материалов и изделий.на их основе: : :Поставлена задача создания заа-• ниеориентированной компьютерной системы поддержки разработок, позволяющей -оперативно решать задачи двух типов: а) предсказания влияния изменений состава исходных компонентов, параметров технологического процесса на свойства изделий и б) определения путей и методов создания изделий на основе керметных композиционных материалов с заданными свойствами.

2. Проведено описание предметной области керметных композиционных материалов, выявлены и зафиксированы существенные параметры и взаимосвязи в тетраде "состав - структура - технология - свойства".

3. Произведена структуризация и : описание' системы знаний по керметным композиционным материалам и. изделиям на их основе. Показано, что система знаний состоит из трех неравноценных взаимодействующих слоев: тонкого слоя теоретических знаний, включающего Физические законы и модели электропереноса; обширного и неупорядоченного слоя эмпирических знаний и слоя эвристических знаний, представляющего собой набор неформализованных правил, являющихся обобщением коллективного опыта квалифицированных разработчиков и определяющих успешность их практической деятельности. Проведена сравнительная характеристика слоев, выделены понятийные системы и языки представления знаний для каждого слоя. Показана необходимость использования в компьютерной системе всех трех слоев знаний.

■ 4. Предложена классификация моделей электрояерекоса в много-

фазных композиционных материалах с точки зрения описания различных уровней структуры: изделие, резистивный слой, макроструктура композиции и микроструктура проводящего канала. Рассмотрена возможность применимости существующих моделей к керметным материалам.

5. Проведено математическое моделирование температурных и концентрационных зависимостей керметов, на базе которого получены рекомендации. по подбору компонентов для получения материалов с'минимальным 7КС в рабочем диапазоне температур и сглаженной концентрационной кривой. Предложено использовать твердые фазы с близкими, работами выхода, термокомпенсировакные смеси проводящих порошков и легированные стекла для получения низких контактных сопротивлений.

6. Предложены методы гибридного представления знаний по керметным композиционным материалам и изделиям на их основе, адекватные понятийному аппарату и.языкам всех трех слоев системы знаний предметной области. В качестве интегрирующей среда использована модель Функциональной сети. ■

7. Разработан аппарат динамических преобразований представлений параметров между языками описания данных различных слоев, поз-, воляющий поддерживать вычисления в числовой и качественной формах.

8. Разработана программная оболочка ПоеоЭырь.. ориентированная на создч.ле экспертных систем продукционного типа.и предназначенная для накопления, и систематизации знаний опытных терологов и- специалистов по-эксплуатации-сложного оборудования. . Оболочка применяется при анализе причин технологического брака и диагностики неисправностей сложных систем. ."., "-'..'

9. Разработана знаниеориентированная. система поддержки разработок в области керметных композиционных материалов и изделий на их основе, названная Кврм?тп„ "я позволяющей отоовтивнс прогнояиппкять последствия изменений, вносимых пользователем в состав исходных материалов и/или технологический процесс. а такхе планировать - действия. необходимые для получения материалов и-изделий с требуемыми, свойствами. С помощью СП Кермет решаются также задачи фиксации, и передачи знаний инженеров-технологов и материаловедов.

. ...... - _; • ■- - • . . . -; . ■■.

. Основные результаты изложены. в -следующих .публикациях: . .

1. Гришечкин Д.М.. : Колдашов Н.Д. и др.. Переменный непрово- . лочный резистор движкового типа. //Электронная промышленность. -1986. -N.7. -С. 72.

2. Гришечкин Д.И., Рубина 0.В. и лр. Толстопленочкые наборы резисторов на унифицированных плоских керамических подложках. //Электронная промышленность. -1988. -II. 9. -С. 24.

3. Анохин В..В., Гришечкин Д.М.и др.. Движковый резистор дискретного регулирования РДР1-1 //Электронная промышленность. -1989. -N.8. -С. 72.

4. Гришечкин Д. М.. Картшов К. И. Расчет температурной зависимости сопротивления керметккх резистивных материалов на основе теории эффективной среды. : //Депонировано в ВИНИТИ 20.12.83. -М.8852-388. 15 с.

5. Гришечкин Д. М.. ' Тихонов А. И. ' Простая экспертная система • для диагностики неисправностей электротехнического ' оборудования. ../Лезисы. докладов/,конференции,"Автоматизация . проектирования в 'электромашностроении", . Суздаль,' 1989. с. 156-157.

■ 6. .Гришечкин Д.Н:, Сутченков A.A.. ' Тихонов А.И. Экспертная система для проведения многовариантных инженерных расчетов. //34 Internationales Wissenschaft,elche3 Kolloquium Techniche Ilmenau, Po3terbeltr Bl. p.17.

7. Гришечкин Д.Н., Тихонов А.И. Простая оболочка для создания диагностических экспертных систем //Тезисы докладов конферен- ' ции. "Программное, обеспечение новой информационной технологии", Калинин, 1989г. с.167-168. ; , ■

8. Гришечкин Д. М.. Тихонов А. И. Инструментальные средства для разработки экспертных систем на Турбо Прологе //Тезисы докладов конференции "Интеллектуальное программное, обеспечение ЭВМ", Терскол. 1990, ч. 1, с. 34-36.

9. Гришечкин Д.М.. Тихонов А.И. Экспертная система поддержки ; разработчика композиционных керметных резистивных материалов.

//там же, часть 2. с. 46-47. v":.'.

';•• .10. Гришечкин Д.М.. Тандоев: А.Ю., . Тихонов А.И. Инструментальные. средства для разработки экспертных систем на Турбо Проло- -ге. //Депонировано в'ВИНИТИ 13.12.89. -N.7398-B89. 16 с. .

• И. Гришечкин Д.М., Тихонов А.И. Инструментальные средства для разработки экспертных систем на Турбо Прологе. //Тезисы докладов, конференции "Создание и' применение.экспертных систем", Ри~ ' .га, 19Э0, с. 156458.. ..

- 13:- Гришечкин Д^ Н. >•; Тихонов А. И. Инструментарий для-построе- ;/ ния интеллигентных инженерных систзм на Турбо- Прологе. //Тезисы

докладов конференции "Программное обеспечение ЭВМ". Тверь. 1990. секция 3, с.7-8.

14. Гришечкин Д.М., Тихонов А.И. Экспертная система поддержки разработчика керметнкх резистибных материалов. //там же. секция 4.. с. 78-80. ;

15. Гришечкин Д.М.. Тандоев А.Ю.Тихонов А;И. Инструмен-. тальные .средства для разработки инженерных систем ориентированных на знания //Сборник трудов МЭИ. Выпуск 635, 1990, с.24-34.

16.. Гришечкин Д.М,, Тихонов А.И. Инструментальные средства для построения интеллектуальных справочников. //Тезисы докладов конференции "Гибридные интеллектуальные системы". Терскол, 1991, часть 2. с. 13-15.

17. Гришечкин Д.М.. Тихонов А,И. КЕРМЕТ - экспертная система поддержки разработчика керметных материалов и резисторов, //там. же. часть 1. с. 113-114. ': .

18. Гришечкин Д. !■!., Тихонов А.И. Инструментальные средства для построения интеллектуальных справочников. //Тезисы докладов : конференции "Автоматизация проектирования в .энергетике и.электро- • технике". Иваново 1991. с.4-5.

19.'Гришечкин Д.М.. Тихонов А.И. Представление знаний'в материаловедении электронной техники, //там же, с. 11-12.

20. Гриаечюш Д.М.. Тихонов А.И. Представление знаний для-.системы, поддержки принятия решений в области резисторного матери- ' аловедения. //Сборник трудов,МЭИ. Выпуск 640, 1991, с. 55-01. . .

21. Гришечкин Д. м.. Тихонов: А.И. . КЕРМЕТ ^.экспертная система поддержки разработок в области, резисторного материаловедения, //Тезисы докладов международного форума информатизации. Москва. 1992 С. 69-70.

22. Гришечкин Д. М.. Оленев В..А:Тихонов. А: И. . Гипертекстовые системы. //Монитор. -.1992. -II. 5. С. 4-8.

23. Гришечкин Д.М.. Тихонов А.И.'.Эксперт^

ки разработчика керметных материалов: и рЦпстер'ое;: . //Тезисы, док- . , ладов научно-технического семинара. ^Гкбрид^уб;экспертные системы в задачах представления схемотехнических сЬъект'аз"., . Санкт-Пе'гер- ., бург. "1993, с. 179-181. / - ,: