2 Модели проектирования сложных технических систем

Современное воззрение на процесс и объект проектирования

Создание новых конструкций относится к задачам структурного синтеза. Вычислительная поддержка принятия проектных решений связана с необходимостью определения статических, динамических, стоимостных характеристик проектируемых объектов и систем, решения задач информационного обеспечения проектирования, оптимизации состава и параметров проектируемой системы. Особое место при этом занимают модели проектируемых систем, позволяющие исследовать основные особенности реального поведения различных вариантов проектируемой системы в характерной для нее среде. При этом для различных вариантов конструкции можно проанализировать эксплуатационные характеристики как отдельных элементов, так и всей системы в целом. В ряде случаев это приводит к тому, что физическое моделирование системы становится ненужным.

Становление науки о проектировании

В процессе проектирования человек создает в своем воображении определенную модель объекта проектирования, которую он впоследствии реализует. В процессе изготовления изделия люди осуществляют совместную (кооперативную) деятельность, в которой возникла необходимость передавать информацию о предмете труда всем, кто участвует в работе. Необходимость общаться привела к развитию формализованных языков описания будущей конструкции в виде чертежей, схем, словесного описания, физических моделей-прототипов, которые сначала играли основную роль при конструировании.

Проектирование можно разбить на несколько стадий, которые объединяются в две повторяющиеся в процессе развития системы метапроцедуры:

1) Постановка задач, поиск аналогов и принятие проектных решений;

2) Формализованное описание системы и поэтапное преобразование описаний объекта, которые позволяют выполнить его изготовление в заданных условиях.

Выполнение первой метапроцедуры формализовано значительно меньше второй, часть вопросов относится скорее к области творчества, чем к науке. Это связано с анализом неструктурированной или слабоструктурированной информации в различных областях знаний, ее классификацией, анализом тенденций и другой (творческой, эвристической) работой.

Выполнение второй метапроцедуры регламентировано намного полнее, существуют: единая система конструкторской документации (ЕСКД), единая система технологической документации (ЕСТД), классификаторы форм деталей, системы нормирования и другие. Программные изделия тоже являются сложными системами, поэтому их проектирование регламентируется технологическими процессами, ГОСТами, ЕСПД.

Развития методов проектирования идет по пути последовательной формализации, алгоритмизации этапов и операций, однако это не снижает весомость и важность творческого подхода в проектировании.

Проектирование идет от создания схемы объекта к построению его конструктивной формы и затем к обеспечению технических, технологических, технико-экономических и других показателей, ограничений, что требует развития соответствующих методов моделирования. Моделирование связано с преобразованием реальной системы в абстрактную, что связано с решением отдельных задач, в рамках которых допустимо упростить представление системы в виде отдельных расчетных схем. В частности, при решении задач геометрического моделирования рассматриваются структурные, кинематические, динамические и геометрические (конструктивные, пространственные) задачи анализа и синтеза и учитываются соответствующие ограничения.

Пример: фундаментальные исследования академика Артоболевского в области ТММ. Проектирование рассматривается как сложная комплексная проблема, решение которой рекомендуется разбить на несколько самостоятельных этапов:

1. Установить основную кинематическую схему механизма, обеспечивающего требуемый вид и закон движения.

2. Разработать конструктивную форму механизма, которая обеспечит его прочность, долговечность, высокий КПД и т.д.

3. Достижение технологических и технико-экономических показателей проектируемого механизма, определяемых эксплуатацией в производстве и ремонтом.

ТММ берет на себя этап 1, при этом учитываются вопросы 2 и 3 этапов. Раздел ТММ, посвященный методам проектирования, носит название синтеза механизмов. Основные задачи синтеза:

а) преобразование вращательного движения вокруг одной оси во вращательное движение вокруг другой;

б) преобразование вращательного движения в поступательное движение; в) преобразование поступательного движения вдоль одной оси в поступательное движение вдоль другой;

г) воспроизведение одной из точек механизма требуемой траектории.

Движущей силой развития технических систем (ТС) являются противоречия, которые возникают при попытках усовершенствования системы между ее элементами (неравномерность развития элементов внутри системы), или между ее элементами и внешней средой при функционировании системы.

Происходят качественные сдвиги в проектировании, связанные с повышением сложности технических систем, применением новых физических и химических явлений и эффектов, миниатюризацией датчиков и систем обработки информации. Увеличение количества подсистем приводит к усложнению процесса проектирования, т.к. возникла необходимость в фундаментальных знаниях в различных областях науки.

Существенно выросли темпы изменения элементной базы для создания ТС, что сократило временя морального старения ТС, которое становится соизмеримым с временем проектирования. С одной стороны поиск новых перспективных технических решений в условиях традиционных методов проектирования усложняется из-за постоянного роста объема научно-технической информации. С другой стороны механистическое создание ТС из новых элементов и подсистем с высокими показателями не приводит к автоматическому повышению их эффективности.

Изучение тенденций развития систем показывает, что для создания современных изделий требуются знания не только в области в области конструирования механических систем, но и в электромеханике, электротехнике, в теории и технике управления, электронике, цифровой схемотехнике, программировании. Персональные компьютеры и современное программное обеспечение позволяют моделировать, проектировать и исследовать технические и организационные системы, оснащенные системами автоматизации и управления. Активно развивается новая область науки и техники, ориентированная на создание и эксплуатацию сложных динамических автоматических и автоматизированных систем с компьютерным (микропроцессорным) управлением их движением, названная мехатроникой. Областью практического применения мехатроники является создание высокоточных, надёжных и многофункциональных систем управления объектами начиная от космических аппаратов до бытовой техники.

Развитие ТС, интеграционные процессы в технике требуют совершенствования методов проектирования, обеспечивающих качество создания сложных ТС. С точки зрения автоматизации проектирования сложных ТС наиболее актуальными являются вопросы информационного обеспечения первой метапроцедуры проектирования, связанной с поиском и принятием технических решений. Это требует развития методов практического применения БД и БЗ, интеграции их с методами искусственного интеллекта (ИИ) и современными технологиями разработки программного обеспечения.

Обзор исследований в области методологии проектирования

Задачи поиска технических решений можно отнести к эвристическим, так как они не поддаются формализации с помощью известных математических и логических методов [10].

Идеи комбинаторики нашли отражение в известном методе "морфологического анализа" американца Цвикки [7]. По мнению Ханзена в творчестве необходима систематизация. Область возможных решений может быть обследована и любая новая идея окажется комбинацией известных элементов. Исследование-это движение от явления к сущности, проектирование - наоборот. Основным принципом построения схемы является разделение, следуя которому процесс создания технического объекта разбивается на последовательные этапы. Выделяется 4 этапа проектирования:

1 выделение ядра, в котором находится совокупность всех возможных решений;

2 описание возможных рабочих принципов и функций, подлежащих выполнению;

3 анализ недостатков в выполнении функций; путем их устранения приходят к улучшенным рабочим принципам;

4 выбор улучшенного рабочего принципа, имеющего наименьшее число недостатков.

Хилл говорит об инженерном проектировании, как об особой науке, систематизирующей знания и уделяющий особое внимание этапам проектирования и их взаимосвязи. Методика проектирования - это не формула и даже не инструкция, а последовательность событий, составляющих процесс проектирования, в рамках которого возможно логическое развитие конструкции. Основные этапы проектирования сводятся к следующему:

- определение потребности (столкновение конструктора с ситуацией, которая раздражает и волнует, в результате чего у него возникает потребность в изменении существующего положения);

- определение цели (формулировка в общих выражениях характеристик проектируемого объекта, которые удовлетворяют эту потребность);

- научные исследования (сбор всей доступной информации для решения задач, вытекающих из поставленной цели);

- формулировка задания (перечень данных и параметров, обеспечивающих достижение заданной цели);

- формирование идей (процесс рождения новых идей);

- выработка концепций (выработка вариантов для достижения поставленной цели);

- анализ (проверка выбраных концепций на соответствие физическим законам);

- эксперимент (создание опытного образца и лабораторные испытания);

- решение (описание проектируемого объекта: рабочие чертежи, технические условия);

- производство (определение объема производства и потребности в производственном оборудовании, методы изготовления продукции, календарное планирование, контроль качества...);

- распределение продукции (установление конкурентоспособности цен, реклама, рынки сбыта, обеспечение прибыли);

- потребление (контакты с потребителями, ремонт, обслуживание).

Методы проектирования призваны организовать процесс. Основным из них является наглядное представление заданной функции, служащее переходным звеном между поставленной задачей и ее решением и способствующее расширению информационной основы творчества; диаграмма идей, дающая наглядное представление о развитии техники в интересующей области; матрица идей, представляющая собой средство морфологического анализа независимых переменных и позволяющая вырабатывать различные сочетания характеристик проектируемого объекта, что порождает альтернативные идеи; мозговой штурм, дающий возможность получения новых идей путем творческого сотрудничества группы специалистов; синектика - отличается от мозгового штурма тем, что обсуждение ведется в направлении поиска небольшого числа идей (2-3), однако с детальным их рассмотрением группой специалистов различных профессий. Особо нужно остановиться на методе, связанном с принятием наилучших решений из совокупности вариантов. Он основан на построении матрицы решений. Сущность метода заключается в выборе критериев для сравнения вариантов, определении их относительной значимости (веса в долях единицы) и оценки вариантов по каждому из критериев в десятибальной системе. Наилучшим будет тот вариант, у которого наибольшая сумма произведений оценок на относительный вес соответствующих критериев. Метод дает возможность сравнивать варианты, представленные лишь принципиальными схемами, не содержащими параметрической информации. Особое значение Холл придает морфологическому подходу к проектированию, связанному с логической организацией идей, что отличает его от традиционного подхода, основанного лишь на интуиции и опыте. Значительный арсенал новых методов проектирования предлагает Джонс. По его мнению проектирование следует понимать как "процесс изменения в искусственной среде". Подчеркивается, что проектирование состоит не только в изготовлении рабочих чертежей, но и в планировании всех этапов существования будущего изделия. Таким образом проектирование затрагивает социальные, политические, экономические и другие ситуации возникающие в результате внедрения проектируемого объекта. Общей отличительной особенностью всех новых методов проектирования является стремление наглядно представить и систематизировать процесс мышления. Достигается это использованием какой-либо схемы, позволяющей разбить задачу на части и указать взаимные связи между этими частями, привлечь к процессу всех заинтересованных членов общества. Методы проектирования можно разбить на группы в зависимости от основных концепций:

- черный ящик;

- самоорганизующаяся система;

- прозрачный ящик.

В первом случае проектировщик не может объяснить полученное удачное решение (мозговой штурм, синектика). Концепция позрачного ящика построена на предположении, что проектировщик осознает свои действия и их причины. Логическое или систематическое поведение проектировщика включает: анализ получаемой и имеющейся информации; синтез технических решений; их оценку и повторение циклов до получения наилучшего из возможных результатов. Общие черты методов, построенных на концепции "прозрачного ящика": 1 цели, переменные и критерии задаются заранее; 2 поиску решения предшествует проведение анализа; 3 оценка результатов дается в словесной форме и построена на логике; 4 заранее фиксируется стратегия (используются последовательные приемы, условные и циклические операции). Главным условием применения этой концепции является возможность разделения задачи на отдельные части, каждая из которых решается самостоятельно. По мнению Джонса цель методологии проектирования - уменьшение цикличности и увеличение линейности проектирования. Цикличность связана с вынужденным повторением этапов работы в связи с тем, что некоторые, оказавшиеся впоследствии части задаче не были учтены. Линейность предполагает, что все важнейшие проблемы можно обнаружить с самого начала. Существенным методом обеспечения линейности Джонс считает прогнозирование, позволяющее определить выходные параметры этапов до их выполнения.

Подход к проектированию, как к самоорганизующейся системе вызван стремлением сузить область поиска решений за счет обоснованного выбора стратегии. Для этого нужен метаязык (набор терминов достаточно широких по значению, чтобы можно было описать зависимости между стратегией и проектной ситуацией, а также проводить оценку модели, позволяющую предсказать вероятные результаты).

Джонс выделяет три этапа проектирования: дивергенцию, трансформацию, конвергенцию. Дивергенция - расширение границ проектной ситуации в целях обеспечения достаточно обширного пространства для поиска решений. Дивергенция больше связана с исследованием, чем с проектированием. Трансформация - стадия создания принципов и концепций. На этой стадии возникает общая концептуальная схема проектируемого объекта. Конвергенция - стадия окончательного выбора варианта технического решения. Именно здесь могут в наибольшей степени использованы средства автоматизации проектирования. Стратегии проектирования могут быть линейными, циклическими, разветвленными (позволяют выполнять отдельные этапы параллельно), адаптированными (выбор последующего этапа зависит от результатов выполнения предыдущего), случайного поиска. Не обязательно придерживаться одной стратегии. Одной стратегии следуют до тех пор, пока она перспективна, затем ее заменяют в соответствии с обстановкой.

Холл в методологии выделил 6 процедур - уяснение задачи, выбор целей, синтез систем, выбор наилучших альтернатив, планирование действия. Методами процедуры уяснение задачи являются - исследование потребностей и окружения, метод входов и выходов. Исследование потребностей связано с определением требований к проектируемой системе, на основе которых составляется общая программа разработки. При этом рассматриваются четыре основные направления планирования проектов: - расширение и обновление функций; - улучшение технических характеристик; - снижение стоимости; - улучшение внешних качеств. Под окружением Холл понимает множество всех предметов вне системы, изменение признаков которых влияет на систему, а сами признаки изменяются вследствие поведения системы. Основными факторами окружения считаются: состояние технологии, естественное окружение (климат, растительность), приоритеты фирмы, экономические условия для новых систем, человеческий фактор. Успех проектирования измеряется степенью интеграции с окружением.

Выбор целей Холл считает одной из важнейших процедур проектирования. Цели должны соответствовать системе ценностей, принятой для проектируемой системы. Однако ряд элементов системы ценностей оказывается общим для всех систем (прибыль, рынок, стоимость, качество, технические характеристики, совместимость с существующими системами, стойкость против морального старения, простоту и изящество, безопасность в обслуживании, время на разработку). В качестве методов синтеза систем Холл предлагает мобилизацию идей и функциональное проектирование. Первое означает сбор всех известных альтернатив и выработку новых (без поспешной критики). Всегда должна быть более чем одна альтернатива решения задачи. Функциональное проектирование представляет наиболее общий подход к описанию систем. Определяются граничные условия, желательные входы и выходы, составляется подробный перечень функций или операций, которые должны выполняться. Метод в упрощенном виде сводится к составлению блок-схемы системы. Процедура анализа системы состоит в выделении всех возможных следствий из альтернативных систем для выбора из них наилучшей. При анализе некоторые сведения получаются объективно (путем сбора опытных данных и нахождения распределения частот), другие субъективно - путем интуитивного восприятия относительных частот, неявно отображающих объективные частоты. Для выбора оптимальной системы в условиях определенности, когда все следствия определены по шкале отношений, можно воспользоваться аппаратом математического программирования. Дело осложняется, когда следствия недостоверны, взаимозависимы и требуют различных шкал измерений.

Схема решения творческих задач

Существует множество моделей решения творческих задач, которые помогают выбрать правильные решения. Процесс решения практически во всех методах разбивают на этапы. В процессе решения вопрос стоит не только о выборе технических решений, параметрическом анализе систем, но и о дисциплинировании мыслительных, творческих процессов при решении различных задач. Аналогично рассматривают и задачи выбора проектных решений, особенно на первых стадиях, когда постановка задачи ещё слабо формализована.

Рассмотрим процесс решения творческих задач, который предложил философ Джон Дьюи (рис. ). Он считал, что человек начинает изучение задачи, когда вступает во взаимодействие с окружающей средой, которая является источником задач. Затем он пытается уяснить для себя ситуацию, выявить ее особенности, сделать формулировку, отражающую смысл задачи, а также сделать формулировки целей решения. Если создается новый объект, его делят на составляющие элементы. Под элементами объекта понимаются не детали, а функциональные элементы. Когда это сделано, производят поиск идеи решения. После этого человек оценивает полученное решение, анализирует его достоинства и недостатки. При необходимости изменения найденного решения задачи меняется и формулировка исходной задачи. Схема решения творческих задач Дьюи предполагает циклическое повторение процедур решения до получения удовлетворительного результата.

Основные звенья процедуры решения (процесса выбора систем) это шесть функций:

• уяснение задачи;

• выбор целей;

• синтез систем;

• анализ систем;

• выбор наилучших альтернатив.

Рисунок Укрупнённая модель процесса, обеспечивающего решение творческой задачи: а - схема решения творческих задач Дьюи; б- укрупнённая модель процесса выбора систем

«Уяснение задачи» – в блоке решается более узкая задача, чем у Дьюи, так как он не содержит формулировки целей. Это описание неопределенной ситуации, в которой определяется потребность решения задачи. Блок «Оценка идей» в процедуре Дьюи разделен на два этапа с помощью следующего различия: выделение логических следствий предложенных идей отделено от оценки ценности этих идей.

Первый этап – анализ системы (дедукция в математике). Второй этап – оценка идеи – оценка выбора между альтернативными системами.

«Планирование действий» – блок показывает, что решение не прекращается с выбором наилучшей системы. Необходимо составить план наблюдения за объектом (системой). Эта функция имеет ту же структуру, что и процесс основного решения задачи, но для другой задачи.

Выполним декомпозицию операций по определению решения для заданной системы (рис. ).

Рисунок – Декомпозиция блоков: «Принятие решений», «Анализ систем» и «Синтез систем»

Операция принятия решений основана на двух понятиях:

Идеальная система – образ потребной системы, которая выполняет требуемые функции. Описывается множеством желательных следствий (другое название целей решения)

,

где - относительное отклонение от идеального решения; Y_U - идеальное решение; Y_q - реальное решение.

Оптимальная система – одна из ряда альтернативных систем, которую можно построить при данных физических, экономических, политических и др. ограничениях. Она описывается множеством действительных следствий (достижимых целей).

Функция примирения целей – состоит в том, чтобы сопоставить цели идеальной системы и условия задачи. Примирение целей имеет три формы:

1) некоторые цели могут быть отброшены (например, нарушают законы природы);

2) анализ может указать новые цели, которые нужно добавить к старым;

3) разрешение конфликтов, которые при анализе несовместимы (высокое качество и низкая стоимость). В этом случае необходим компромисс, обеспечивающий приемлемый уровень качества системы при выполнении ограничивающих условий.

Критерий решения – показывает достигнуто ли решение задачи – это функция, которую мы в итоге хотим макси- или минимизировать. Это правило, указывающее как комбинировать между собой следствия при выборе оптимальной системы. Критерий решения может рассматриваться как сверхцель, учитывающая все ценности и неопределенности системы. Критерий решения позволяет оценивать и сравнивать системы с точки зрения соответствия идеальной системе. Возможны различные подходы к формированию зависимостей для объединения частных показателей качества в обобщенный, например в соответствии с зависимостью

,

где - обобщенный критерий решения; Y_Ui , Y_qi – частные показатели качества для идеальной и реальной системы; а_i – весовой коэффициент важности частных показателей качества, причем

.

Понятия и принципы проектирования технических систем (объектов)

Методология проектирования включает два понятия: методология - учение о структуре, логической организации, методах и средствах деятельности, в частности о логической организации проектирования как процесса; проектирование – процесс составления описания, необходимого для создания ещё не существующего объекта в заданных условиях.

Рассмотрим основные понятия, связанные с проектированием:

1. Алгоритм проектирования – совокупность предписаний, необходимых для выполнения проектирования;

2. Язык проектирования – язык, предназначенный для представления и преобразования описаний при проектировании (схемы, чертежи, диаграммы).

3. Проектная процедура – совокупность действий, выполнение которых заканчивается проектным решением.

4. Проектное решение – промежуточное или конечное описание объекта проектирования, необходимое и достаточное для рассмотрения и перехода к дальнейшему рассмотрению или окончанию проектирования.

Современные методы проектирования должны обладать эргатичностью, то есть разумным сочетанием формализованных (ПК) и неформализованных (человек) процедур в процессе проектирования.

Между понятием проектирование и конструирование имеются существенные различия. Проектирование – термин, определенный стандартом (ГОСТ 22487). Конструирование стандартом не закреплено. Принято, что конструирование - составная часть проектирования и связана с теми его этапами, где принятое техническое решение получает конкретное конструктивное воплощение, например в виде объемной геометрической модели, выполненной в CAD -системе.

Современные САПР поддерживают и позволяют автоматизировать контроль за информацией на протяжении всего жизненного цикла изделия, т.е. не только в процессе проектирования, но и в производстве, при эксплуатации и утилизации.

САПР существенно помогает при выполнении ряда процедур и операций, позволяет автоматизировать следующие функции:

1. Предоставляет средства объёмного моделирования.

2. Предоставляет средства конечно-элементного анализа.

3. Обеспечивает выполнение проектировочных и проверочных расчётов.

4. Предоставляет средства выполнения кинематического и динамического анализа объектов, других инженерных и специализированных расчётов.

5. Позволяет оптимизировать параметры при расчётах.

6. Обеспечивает различные виды математического моделирования.

7. Предоставляет средства информационного обеспечения проектирования (базы данных и знаний), обеспечивает интеграцию с промышленными СУБД и другими системами уровня управления предприятием (ERP, MES, CRM).

8. Обеспечивает управление процессом проектирования, ограничение доступа, контроль версий, учёт выполненной работы.

9. Обеспечивает управление процессом архивирования и хранения информации.

10. Обеспечивает автоматизацию рутинных процессов:

• составление спецификаций;

• генерацию чертежей;

• генерацию документации;

• копирование;

• вывод информации на различные носители;

• перевод информации с бумажных носителей в электронный вид.

Автоматизированное проектирование производится при помощи систем автоматизированного проектирования, которые в настоящее время включают ряд подсистем, имеющих различное функциональное назначение (CAD, CAE, CAM, PDM, CRM и другие):

• CAD - системы предназначены для создания объемных моделей изделий;

• CAE – системы обеспечивают выполнение инженерных расчётов (прочность, кинематические, динамические, тепловые и другие процессы);

• CAM – системы для разработки технологических процессов обработки деталей на станках с ЧПУ, визуализации процессов обработки;

• специализированные подсистемы для расчёта процессов литья, формоизменения листовых деталей, проектирования пружин, сварки, разводки трубопроводов;

• PDM – системы для решения организационных вопросов при проектировании изделий;

• CALS - системы для непрерывной информационной поддержки всех стадий ЖЦ продукта.

• CRM - системы для взаимодействия с потребителями продукции.

• MES (Manufacturing Execution Systems) - производственные исполнительные системы для оперативного планирования и управления производством.

• ERP – системы управления ресурсами предприятия.

В настоящее время во всех классах перечисленных систем происходит интенсивная разработка формализованной методологии их создания и внедрения в производство.

Хуже обстоит дело с созданием поисковых САПР, которые автоматизируют первоначальные этапы проектирования. Поисковые САПР позволяют:

1. Находить аналоги в БД и БЗ, патентной и научно-технической литературе, фондах технических решений, физических, химических явлений и эффектов (осуществить информационную поддержку проектирования).

2. Реализовать алгоритм (последовательность этапов).

3. Осуществить синтез технических решений (предоставить приемы устранения технических противоречий, экспертные системы).

4. Осуществить оценку технических решений (предоставить критерии оценки, выполнить расчеты).

5. Оптимизировать состав элементов изделия.

В настоящее время не существует САПР для всех этапов проектирования, т.к. не сделана их формализация ни в одной области техники.

В результате проектирования получают комплект документации, достаточный для изготовления всех элементов изделия. Со временем форма документации будет меняться, однако стадии проектирования регламентируются ГОСТом в соответствии с ЕСКД. В скобках приведены соответствующие (примерно) стадии разработки программных продуктов:

1. Техническое задание (техническое задание) – обеспечивает формирование требований к системе.

2. Техническое предложение (концептуальная модель системы).

3. Эскизный проект (логический проект).

4. Технический проект (физический проект).

5. Рабочее проектирование (кодирование) – обеспечивает формирование и документирование «деталей» проекта).

Данные этапы соответствуют процессу распознавания объекта в среде его окружения. Поэтому перечисленные этапы имеют место при проектировании любых систем, однако особенности, связанные с объектом проектирования, меняют содержание этапов и средства документирования проекта.