3. Структурирование процесса проектирования

Описания технических объектов должны быть по сложности согласованы с возможностями их восприятия человеком, а также возможностями оперирования описаниями в процессе их преобразования с помощью имеющихся средств проек­тирования. Однако выполнить это требование в рамках единого описания, не рас­членяя его на некоторые составные части, удается лишь для простых изделий. Как правило, требуется структурирование описаний и соответствующее расчленение представлений о проектируемых объектах на иерархические уровни и аспекты. Это позволяет повысить эффективность проектирования.

Иерархические уровни описаний проектируемых объектов

Разделение описаний по степени детализации отображаемых свойств и ха­рактеристик объекта лежит в основе блочно-иерархического подхода к проекти­рованию и приводит к появлению иерархических уровней (уровней абстрагирова­ния) в представлениях о проектируемом объекте.

На верхнем уровне используют наименее детализированное представление, отражающее только самые общие черты и особенности проектируемой системы. На следующих уровнях степень подробности описания возрастает, при этом рас­сматривают уже отдельные блоки системы, но с учетом воздействий на каждый из них его соседей. Такой подход позволяет на каждом иерархическом уровне фор­

мулировать задачи приемлемой сложности, поддающиеся решению с помощью имеющихся средств проектирования. Разбиение на уровни должно быть таким, чтобы документация на блок любого уровня была обозрима и воспринимаема од­ним человеком.

На каждом иерархическом уровне используются свои понятия системы и эле­ментов.

На уровне i (верхнем уровне) проектируемый сложный объект S рассматрива­ется как система S из п взаимосвязанных и взаимодействующих элементов S, (рис. 2). Каждый из элементов в описании уровня i представляет собой также довольно сложный объект, который, в свою очередь, рассматривается как система S, на уровне 2. Элементами систем S, являются объекты Sy. Как правило, выделение элементов происходит по функциональному признаку. Подобное разделение про­должается вплоть до получения на некотором уровне элементов, описания кото­рых дальнейшему делению не подлежат. Такие элементы по отношению к объек­ту S называют базовыми элементами.

Другими словами, блочно-иерархический подход есть декомпозиционный под­ход, который основан на разбиении сложной задачи большой размерности на последовательно и (или) параллельно решаемые группы задач малой размерности. Это, в частности, значительно снижает требования к используемым вычислитель­ным ресурсам.

Иерархические уровни в каждом приложении могут быть специфичными, но для большинства из них характерны следующие наиболее крупные уровни:

• системный уровень, на котором решают наиболее общие задачи проектиро­вания систем, машин и процессов; результаты проектирования представляют в виде структурных схем, генеральных планов, схем размещения оборудования, диаграмм потоков информационных данных и т. д.;

• макроуровень, на котором проектируют отдельные устройства, узлы машин и приборов; результаты представляют в виде функциональных, принципиальных и кинематических схем, сборочных чертежей и т. д.;

• макроуровень, на котором проектируют отдельные детали и элементы машин и приборов.

В каждом приложении число выделяемых уровней и их наименования могут быть различными. Так, в радиоэлектронике микроуровень часто называют компо­нентным, макроуровень - схемотехническим. Между схемотехническим и сис­темным уровнями находится уровень, называемый функционально-логическим. В вычислительной технике системный уровень подразделяют на уровни проектиро­вания ЭВМ (вычислительных систем) и вычислительных сетей. В машинострое­нии имеются уровни деталей, узлов, машин, комплексов.

Наряду с декомпозицией описаний на иерархические уровни применяют раз­деление представлений о проектируемых объектах на аспекты.

Стили проектирования

В зависимости от последовательности решения задач иерархических уровней различают нисходящее, восходящее и смешанное проектирование (стили проек­тирования). Последовательность решения задач от нижних уровней к верхним ха­рактеризует восходящее проектирование, обратная последовательность приводит к нисходящему проектированию, в смешанном стиле имеются элементы как вос­ходящего, так и нисходящего проектирования. В большинстве случаев для слож­ных систем предпочитают нисходящее проектирование. Отметим, однако, что при наличии заранее спроектированных составных блоков (устройств) можно гово­рить о смешанном стиле проектирования.

У каждого из этих двух видов проектирования имеются преимущества и недос­татки. При нисходящем проектировании система разрабатывается в условиях, ко­гда ее элементы еще не определены и следовательно, сведения об их возможностях и свойствах носят предположительный характер. При восходящем проектировании, наоборот, элементы проектируются раньше системы, и, следовательно, предполо­жительный характер имеют требования к ней. В обоих случаях из-за отсутствия ис­черпывающей исходной информации имеют место отклонения от потенциально возможных оптимальных технических результатов. Однако, подобные отклонения неизбежны при блочно-иерархическом подходе к проектированию и что какой- либо приемлемой альтернативы блочно-иерархическому подходу при проектиро­вании сложных объектов не существует. Поэтому оптимальность результатов блочно-иерархического проектирования следует рассматривать с позиции технико- экономических показателей (материальных и временных) на проектирование.

Неопределенность и нечеткость исходных данных при нисходящем проекти­ровании (не спроектированы компоненты) или исходных требований при восхо­дящем проектировании (имеется ТЗ на всю систему, а не на ее части) обуславли­вают необходимость прогнозирования недостающих данных, с последующим их уточнением, т. е. последовательного приближения к окончательному решению (итерационность проектирования).

Внешнее и внутреннее проектирование

При нисходящем проектировании формулировка технического задания на раз­работку элементов i-ro иерархического уровня относится к проектным процеду­рам этого же уровня. Разработка ТЗ на систему высшего иерархического уровня является самостоятельным этапом проектирования, часто называемым внешним проектированием. В отличие от него этапы проектирования объекта по сформу­лированным ТЗ называется внутренним проектированием.

На начальных стадиях проектирования сложных систем имеет место итераци­онный процесс, в котором поочередно выполняются процедуры внешнего и внут­реннего проектирования - формулировка ТЗ, его корректировка, оценка выпол­няемое™, прогноз затрат на проектирование и изготовление.

Аспекты описаний проектируемых объектов

Кроме расчленения описаний по степени подробности отражения свойств объ­екта, порождающего иерархические уровни, используют декомпозицию описаний по характеру отображаемых свойств объекта. Это приводит к появлению ряда аспектов описания.

Аспект описания (страта) - описание системы или ее части с некоторой огово­ренной точки зрения, определяемой функциональными, физическими или иного типа отношениями между свойствами и элементами.

Различают аспекты функциональный, информационный, структурный и пове­денческий. Функциональное описание относят к функциям системы и чаще всего представляют его функциональными схемами. Информационное описание включа­ет в себя основные понятия предметной области (сущности), словесное пояснение или числовые значения характеристик (атрибутов) используемых объектов, а также описание связей между этими понятиями и характеристиками. Информационные модели можно представлять графически (графы, диаграммы), в виде таблиц или списков. Структурное описание относится к морфологии системы, характеризует составные части системы и их межсоединения и может быть представлено струк­турными схемами, а также различного рода конструкторской документацией. По­веденческое описание характеризует процессы функционирования (алгоритмы) системы и (или) технологические процессы создания системы. Иногда аспекты описаний связывают с подсистемами, функционирование которых основано на раз­личных физических процессах.

В общем случае выделение страт может быть неоднозначным. Так, помимо указанного выше очевидна целесообразность выделения и таких аспектов проек­тирования систем, как функциональный (разработка принципов действия, струк­турных, функциональных, принципиальных схем), конструкторский (определение форм и пространственного расположения компонентов изделий), алгоритмиче­ский (разработка алгоритмов и программного обеспечения) и технологический (разработка технологических процессов). Примерами страт применительно к САПР могут служить виды обеспечения автоматизированного проектирования.

Для машиностроения наиболее крупными являются: функциональный, конст­рукторский и технологический аспекты. Решение задач, с преобразованием или получением описаний, относящихся к этим аспектам, называют соответственно функциональным, конструкторским и технологическим проектированиями.

Функциональный аспект связан с отображением основных принципов функ­ционирования, характера физических и информационных процессов, протекаю­щих в объектах, и находит выражение в принципиальных, функциональных, структурных, кинематических схемах и сопровождающих их документах.

Конструкторский аспект связан с реализацией результатов функционального проектирования, т. е. с определением геометрических форм объектов и их взаим­ным расположением в пространстве.

Технологический аспект относится к реализации результатов конструкторского проектирования, т. е. связан с описанием методов и средств изготовления объектов.

Внутри каждого аспекта возможно свое специфическое выделение иерархиче­ских уровней. Так базовые элементы представлены деталями: винт, шпонка, вал, зубчатое колесо и т.д. Это нижний уровень, для него системами являются сбороч­ные единицы: редуктор, двигатель, тормоз, соединительные муфты и т.д. Базовы­ми элементами могут быть не только детали, но и объекты, состоящие из многих деталей и получаемые как законченные комплектующие изделия (подшипники, реле и т.п.). Сборочные единицы являются элементами агрегатов (комплексов) - систем следующего иерархического уровня (механизмы подъема, передвижения, поворота, изменения вылета грузоподъемного крана, его металлоконструкция, системы управления и диагностики и т.п.) На следующем иерархическом уровне может рассматриваться машина в целом, на более высоких уровнях - комплексы машин, объединяемые в производственные образования. При рассмотрении технологических процессов в машиностроении наиболее общее, но и наименее детальное описание представляется принципиальной схемой технологического процесса. На следующем, более низком иерархическом уровне описываются мар­шруты обработки (маршрутная технология) как системы, состоящие из элементов

• технологических операций. Далее выделяются уровни описаний операционной технологии и управляющих программ.

Составные части процесса проектирования

Проектирование как процесс, развивающийся во времени, расчленяется на ста­дии, этапы, проектные процедуры и операции.

Стадии проектирования - наиболее крупные части проектирования как про­цесса, развивающегося во времени.

При проектировании сложных систем выделяют стадии: предпроектных ис­следований, технического задания и технического предложения, эскизного, тех­нического и рабочего проектов, испытания и внедрения.

На стадиях предпроектных исследований, технического задания и техническо­го предложения на основании изучения потребностей общества в получениях но­вых изделий, научно-технических достижений в данной и смежных отраслях про­мышленности, имеющихся ресурсов определяют назначение, основные принципы построение технического объекта и формулируют техническое задание (ТЗ) на его проектирование. Эти стадии называют также стадиями научно-исследовательских работ (НИР).

На стадии эскизного проекта (стадии ОКР) проверяется корректность и реали­зуемость основных принципов и положений, определяющих функционирование будущего объекта, и создается его эскизный проект.

На стадии технического проекта выполняется всесторонняя проработка всех частей проекта, конкретизируются технические решения.

На стадии рабочего проекта формируется вся необходимая документация для изготовления изделий. Далее создается и испытывается опытный образец или пробная партия изделия, по результатам испытания выносится необходимые кор­рективы в проектную документацию, после чего осуществляется внедрение в производство.

Очевидно, что по мере перехода от стадии к стадии степень подробности и тщательность проработки проекта возрастают.

Этап проектирования - часть процесса проектирования, включающая в себя формирования всех требующих описания объекта, относящихся к одному или не­скольким иерархическим уровням и аспектам. Так проектирование техпроцесса обработки резанием расчленяется на этапы: разработки принципиальных схем техпроцесса, маршрутной технологии, операционной технологии и получения управляющей программы для технологического оборудования с ЧПУ.

Составные части этапа проектирования называют проектными процедурами.

Проектная процедура - часть этапа, выполнения которой заканчивается полу­чением проектного решения. Каждой проектной процедуре соответствует некото­рая задача проектирования, решаемая в рамках данной процедуры. Проектирова­ние сводится к выполнению некоторых последовательностей проектных процедур

• маршрутов проектирования.

Примеры проектных процедур: оформления чертежей изделия; расчет его па­раметров; выбор типовой конструкции узла изделия; деталировка; анализ кинема­тики; моделирование процесса; оптимизация параметров и другие проектные за­дачи.

В свою очередь, проектные процедуры можно расчленить на более мелкие компоненты, называемые проектными операциями, например, при анализе проч­ности детали конечно-элементным методом операциями могут быть построение сетки, выбор граничных условий, собственно моделирование полей напряжений и деформаций, представление результатов моделирования в графической форме.

Таким образом, понятия иерархического уровня и аспекта относится к струк­турированию представлений о проектируемом объекте, а понятие этапа - к струк­турированию процесса проектирования.