Struktury drzewiaste rozgrywające parametrycznie od każdego wierzchołka początkowego różnią się miedzy sobą kształtem i własnościami. Opisują proces decyzyjny i przestrzeń możliwych do uzyskania stanów pracy układu hydraulicznego po wcześniejszych zmianach parametrów konstrukcyjnych i eksploatacyjnych. Istotną rzeczą jest wyodrębnienie z grafu zależności najważniejszych stanów i decyzji determinowanych przez wierzchołki i krawędzie. W tym celu buduje się kompleksowe drzewa rozgrywające parametrycznie [68, 70].
Rozkładając graf zależności z rysunku 5.19, opisujący model matematyczny układu hydraulicznego (Rys. 5.14) od każdego z wierzchołków, otrzymano zbiór D struktur drzewiastych rozgrywających parametrycznie:
{
Qs, Ps , , Pp, Qzp}
.D= G++ G++ Gω++ G++ G++
(5.33) W kompleksowej strukturze drzewiastej rozgrywającej parametrycznie nałożono wszystkie struktury drzewiaste rozgrywające parametrycznie, od każdego z wierzchołków, na strukturę rozgrywającą, od ustalonego wcześniej wierzchołka. W związku z tym w grafie zależności z rysunku 5.22 istnieje zbiór S struktur rozrywających parametrycznie:
{
, , , ,}
, S S GQ GP G GPp GQzp S = S S S ω S S (5.34) gdzie np.: S GQS - to struktura kompleksowa z nałożonymi wszystkimi strukturami
drzewiastymi rozgrywającymi parametrycznie ze zbioru D, na strukturę rozgrywająca parametrycznie od ustalonego wcześniej wierzchołkaGQs++.
Kompleksowe struktury rozgrywające parametrycznie S GQ S , S GP S ,SGω, p GP S ,
Rys. 5.40. Drzewo kompleksoweSGQs
Rys. 5.42. Drzewo kompleksoweSGω
5.5.2.1. ZŁOŻONOŚĆ DECYZYJNA KOMPLEKSOWYCH STRUKTUR ROZGRYWAJĄCYCH PARAMETRYCZNIE
Budowa kompleksowych struktur rozgrywających parametrycznie polega na operacji ‘sczepiania’ danej struktury rozgrywającej parametrycznie nazywaną strukturą ‘bazową’. Kompleksową strukturę rozgrywającą parametrycznie uzyskuje się w wyniku operacji ‘zaszczepienia’ struktury bazowej.
Definicja 5.1
Sczepienie oznacza ‘złączenie’ na strukturze bazowej innej struktury
rozgrywającej parametrycznie w wierzchołku początkowym danej struktury.
Definicja 5.2
Zszczepienie struktury rozgrywającej parametrycznie oznacza ‘przyłączenie’
na strukturze bazowej wszystkich struktur rozgrywających parametrycznie danego grafu w wierzchołkach początkowych danych struktur.
Uwaga 5.1
W operacji zszczepienia, struktury rozgrywające parametrycznie dla danego wierzchołka przyłącza się tylko raz na strukturze bazowej, przy czym struktury
rozgrywające parametrycznie należy dołączać zaczynając od wierzchołka
początkowego struktury bazowej. Ostatecznie uzyskuje się połączenie nakładkowe identycznych fragmentów w sensie graficznym, ale występujących w różnych takich strukturach, co prowadzi do tzw. struktury kompleksowej.
Kompleksowe drzewa z rysunków 5.40 i 5.43 przedstawiono w sposób uproszczony. W ogólnym przypadku należy przedstawić szczegółowo pojedyncze oznaczenia krawędzi, jako parametrów konstrukcyjno-eksploatacyjnych badanego układu. Należy wówczas uwzględnić dekompozycję parametryczną parametrów decyzyjnych zapisanych oddzielnie, a nie w sposób interakcyjny [68].
Na rysunku 5.44 przedstawiono strukturę GPs++ z rysunku 5.27, uwzględniając decyzyjną dekompozycję.
Rys. 5.44. Struktura drzewiasta rozgrywająca parametrycznieGPs++z uwzględnieniem dekompozycji decyzyjnej
Aby otrzymać szczegółową budowę kompleksowej struktury rozgrywającej
GPs
S z rysunku 5.41, należy zeszczepić „bazową” strukturę rozgrywającą
parametrycznieGPs++ z rysunku 5.44.
Na rysunku 5.45 zaznaczono miejsca sczepień struktur rozgrywających parametrycznie odpowiednich wierzchołków początkowych.
Rys. 5.45. Struktura drzewiasta rozgrywająca parametrycznieGPs++z zaznaczonymi miejscami sczepień pozostałych struktur rozgrywających parametrycznie:
- GPp++, -zp Q G++, -s Q G++, -Gω++
Na rysunku 5.46 przedstawiono szczepioną kompleksową strukturę rozgrywającą parametrycznie GPs++.
1 7 8 ST R U K TU R Y G R A FO W E W O P TY M A LIZ A C JI U K ŁA D Ó W M A SZ YN O W YC H
Rys. 5. 46. Zszczepiona struktura drzewiasta rozgrywająca parametrycznie GPs++ obrazująca całościową postać
Na rysunkach 5.47- 5.49 przedstawiono szczegółową złożoność fragmentów 1, 2 i 3, zaznaczonych na całościowej kompleksowej strukturze rozgrywającej parametrycznie
GPs
S z rysunku 5.46. Fragmentami opisano decyzje, przekształcenia
analityczno-algebraiczne i stany właściwe odpowiednich struktur.
Rys. 5.49. Złożoność decyzyjna fragmentu 1 kompleksowej struktury SGPs
Węzłami na kompleksowych strukturach drzewiastych opisano decyzje, przekształcenia analityczno-algebraiczne i stany właściwe danej struktury rozgrywającej parametrycznie. Jeśli odpowiednie fragmenty struktur rozgrywających parametrycznie są identyczne, to w węźle oznaczono ich koniunkcję.
Węzeł na strukturze kompleksowej będący iloczynem wszystkich elementów ze zbioru D:
{
Qs, Ps , , Pp , Qzp}
D= G++ G++ Gω++ G++ G++nazywa się -pełnym i oznaczany jest jako γ .
Na przykład, na strukturze kompleksowej SGPp z rysunku 5.43 opisano jeden
taki węzeł iloczynem GPp GQzp GQs GPs G∧ ∧ ∧ ∧ ω. Odpowiada on wspólnej części
wszystkich struktur rozgrywających parametrycznie ze zbioru D, przedstawionej na rysunku 5.50.
a) b)
5.50. Cześć wspólna wszystkich struktur rozgrywających parametrycznie (z ewentualnym rozpisaniem na oddzielne parametry konstrukcyjno- eksploatacyjne)
Oznacza to analizę procesu decyzyjnego we wszystkich elementach struktur z rysunku 5.50, niezależnie od ustalonego wcześniej wierzchołka rozkładu grafu zależności z rysunku 5.19,
W kompleksowych strukturach rozgrywających parametrycznie może być n
węzłów pełnych
γ
n, dlatego istnieje rodzina B zbiorów pełnych węzłów ze wszystkichstruktur zbioru S:
{ }
{
1,..., n : 1,..., n Qs Pp Ps Qzp, 1 2... n}
B⊆
γ γ γ γ
∈G++ ∧G++ ∧G++ ∧Gω++ ∧G++γ
≠γ
≠γ
.5.6. TECHNIKA POWROTÓW (BACKTRACKING BT) W DRZEWACH ROZGRYWAJĄCYCH PARAMETRYCZNIE
W celu wyszukania optymalnych zachowań się funkcji zależnych od czasu opisanych za pomocą wierzchołków w grafie zależności, możliwe jest zastosowanie algorytmu techniki powrotów [2, 185].
5.6.1. IDEA TECHNIKI POWROTÓW
W grafie zależności rozgrywającym parametrycznie określono przestrzeń stanów, przy czym stan jest sytuacją stanowiącą rozwiązania problemu albo mogącą prowadzić do znalezienia optymalnej wartości funkcji oraz sposób przechodzenia z jednego stanu układu (elementu) w drugi. Aby rozwiązać problem, najpierw należy przeszukać przestrzeń stanów, przechodząc z jednego wierzchołka w drugi (zgodnie ze zwrotem krawędzi oraz zmieniając parametry konstrukcyjne i lub eksploatacyjne), aż zostanie znaleziona optymalna wartość funkcji, zależnej od czasu w wierzchołku grafu. W danym stanie (zachowanie się funkcji zależnej od czasu) może istnieć wiele dopuszczalnych ruchów, czyli dróg w grafie oraz zmian wartości parametrów konstrukcyjnych odpowiadającym krawędziom, można wybrać złe decyzje. Jeśli w grafie zależności, będzie wybrana zła droga oraz nieprawidłowe zmiany arytmetyczne parametrów konstrukcyjnych (nie osiągając poprawnego zachowania się funkcji zależnych od czasu), to należy cofnąć się do wcześniejszego wierzchołka i wybrać inną drogę. Na drzewie z cyklami, cofnięcie się do wcześniejszego etapu procesu przeszukiwania jest możliwe za pomocą cykli. Jeśli na danym etapie procesu
decyzyjnego nie istnieją cykle prowadzące do wcześniejszych wierzchołków, to należy wykorzystać technikę powrotów
W metodzie powrotów wszystkie drogi i odwiedzone stany w drzewie rozgrywającym parametrycznie zostają zapamiętane, co umożliwia cofnięcie decyzji. Naturalną techniką kodowania algorytmów opartych na decyzji jest rekurencja.
W algorytmie zdefiniowano: x1,...,xn−1,xn
- szukane rozwiązanie, czyli wartości arytmetyczne wybranych zmiennych decyzyjnych w danych wierzchołkach,
k
A − zbiór możliwych rozszerzeń rozwiązania częściowego x1,...,xk−1 ,
F − funkcję przejścia w grafie, która dla danego rozwiązania częściowego x1,...,xi
przyjmuje wartość 0- fałsz, gdy ciąg x1,...,xi
nie daje się rozszerzyć do rozwiązania całkowitego, a 1 w przeciwnym wypadku. Funkcji F przyporządkowany jest algorytm rozkładu grafu od danego wierzchołka.
Przykład 5.1
W celu znalezienia optymalnych wartości wybranych zmiennych decyzyjnych na strukturzeGPs+(Q )s zdefiniowano:
Ps- wierzchołek początkowy;
X- macierz incydencji- tablica sąsiedztwa;
DOP- tablicę logiczną rejestrującą możliwość istnienia cykli w danej drodze DOP; k- długość rozwiązania częściowego (droga na strukturze drzewiastej od wierzchołka początkowego do wierzchołka końcowego );
y- szukana wartość wybranego parametru decyzyjnego. Dla struktury rozgrywającej parametrycznie:
Skrócony pseudokod działania algorytmu:
For (i=1;i≤n i; + +) to DOP [i]=1; and X[1]=s; DOP[s]=0;
(Q )
Ps s
G+ ; i GPs+ (k)
[
[ 1]]
u=G X k− ;for każdy wierzchołek y∈Adj u( )
{ if k( == +n 1& &y==s) „ X zawiera cykl powrotny”; else (if DOP [y])
{ X[k]=y; DOP [y]=0; (k 1) Ps G+ + DOP [y]=1;}} 0 1 2 3 4 4 3 3 4 4 3 2 2 3 3 2 1 0 1 1 ( ( 1 ( ( , ( ) ) , 1 ( ( , 1 ) ) ) , ( ( , ) ) ) ) Ps dPs G Ps Pp Qs RlPp dtPs Rpo C dt K dQzp dQzp D d D dPs R d dtQzp Qs dt T dt T dt J dt C dt J dt ω ω ω + = − − − − −
∫
∫ ∫
W całościowym algorytmie należy uwzględnić tablicę zmian w wartości funkcji
określonej przez wierzchołek (w przykładzie Qs) oraz tablicę zmian wartości
parametrów konstrukcyjnych i/lub eksploatacyjnych (wpływających na wartości funkcji w wierzchołku) przypisanym odpowiednim krawędziom w tablicy X.
5.7. WSPÓŁCZYNNIK ZŁOŻONOŚCI STRUKTURY W UJĘCIU