1.2. Понятия и задачи методологии проектирования

Автоматизация инженерного труда привела к возрастанию интереса к методологии проектирования, поскольку автоматизация процесса проектирования невозможна без знаний в области методологии. Методология творческой инженерно-технической деятельности еще недостаточно хорошо разработана и описана.

Задачу поиска технических решений можно отнести к эвристическим задачам, поскольку ее невозможно полностью описать известными математическими и логическими методами.

Начало учения об эвристических методах было положено Сократом (469 - 399 гг. до н.э.). Архимед (287 - 212 гг. до н.э.) разрабатывал методы построения предположений или гипотез с помощью механических представлений (моделей). Папп (IV в.н.э.) обобщил эвристические методы античных философов и математиков и ввел название “эвристика”. Рене Декарт (1596 - 1650 гг.) разрабатывал метод решения любых проблем путем разложения их на простые составляющие, сводимые к дискретным математическим задачам. Хотя эти идеи и не могли быть осуществлены, но они послужили Лейбницу (1646 - 1716 гг.) в создании комбинаторики. Интерес к эвристическим методам, в частности к комбинаторике, в настоящее время особенно возрос. Идеи комбинаторики нашли отражение в широко известном методе морфологического анализа, разработанном американским астрономом Францем Цвикки.

Ведущие специалисты в области методологии проектирования Ханзен Ф., Хилл П., Джонс Дж.К., Холл А., Диксон Дж., Гаспарский В. и др. говорят об инженерном проектировании как об особой науке, систематизирующей знания и уделяющей особое внимание этапам проектирования и их взаимосвязи. Методика проектирования, как считает П.Хилл, - это не формула и даже не инструкция, а последовательность событий, составляющих процесс проектирования, в рамках которого возможно логическое развитие конструкции. В частности, Дж.Диксон считает, что настало время обучения не практике проектирования, а принципам и основам решения инженерных задач на базе знаний технических, общественных и гуманитарных дисциплин. Инженерное проектирование он представляет в виде последовательных этапов и различает при этом два рода деятельности: изобретательство, включающее уяснение задачи, выбор пути ее решения и формирование идеи, и инженерный анализ. Первый связан с полетом фантазии, а второй требует глубоких знаний и самодисциплины. Среди методов изобретательства Дж.Диксон называет: мозговой штурм, инверсию (отказ от прежних взглядов с тем, чтобы посмотреть на задачу с новой или измененной позиции), аналогию (заимствование идей из биологии, художественной литературы, фантастики) и др.

М.Д.Принс рассматривает проектирование как итерационный процесс (рис.1.1), поскольку первоначально нам, как правило, неизвестно, как должен выполняться синтез проекта. Мы умеем только анализировать пробный вариант, изменять его параметры и таким образом строить процесс, приводящий к решению. Такое утверждение сделано Принсом в результате анализа деятельности крупнейшей в мире авиационной фирмы “Lockheed”.

В развитии методов проектирования Дж.К.Джонс видит следующие этапы: кустарный промысел, чертежный способ проектирования и современное системное проектирование. Все новые методы проектирования делятся на три группы в зависимости от того, какая из трех концепций положена в их основу (рис.1.2).

1. Концепция “черного ящика” построена на интуиции, на предположении о полной “алогичности” процесса творчества, когда проектировщик, принимая то или иное решение, не может объяснить, каким образом ему удалось его отыскать (возникло загадочное творческое озарение).

2. Концепция “прозрачного ящика” построена на логике, на предположении о том, что проектировщик вполне осознает свои действия и их причины, происходит логический процесс, до конца поддающийся объяснению. Поведение проектировщика включает:

- анализ получаемой и имеющейся информации;

- синтез технических решений;

- оценку технических решений;

- повторение циклов синтеза и анализа (оценки) до нахождения наилучшего из всех возможных решений.

Методы, построенные на концепции “прозрачного ящика”, характеризуются следующими чертами:

- цели, переменные и критерии задаются заранее;

- поиску решения предшествует проведение анализа;

- оценка результатов дается в основном в словесной форме и построена на логике;

- заранее фиксируется стратегия проектирования.

3. Концепция “самоорганизующейся системы” построена на подходе к проектировщику как к “самоорганизующейся системе” и стремлении сузить область поиска технических решений за счет обоснованного выбора стратегии проектирования, под которой Дж.К.Джонс понимает тот или иной метод проектирования. При использовании концепции “самоорганизующейся системы” осуществляется управление стратегиями поиска, т.е. в зависимости от содержания и объема исходной информации выбирается стратегия, наиболее эффективная на определенной стадии проектирования.

Стратегии могут быть:

- линейными (этапы выполняются строго последовательно);

- циклическими (при выполнении одного из этапов возвращаются к выполнению предыдущих этапов);

- разветвленными (отдельные этапы выполняются параллельно);

- адаптивными (выбор каждого этапа зависит от результата выполнения предыдущего этапа);

- случайного поиска (отличаются абсолютным отсутствием плана, когда при выборе последующего этапа совершенно не учитывают результата предыдущего).

Автоматизация процесса проектирования стимулирует развитие методов проектирования и невозможна без знаний в области методологии. Не существует какого-то универсального метода проектирования, и при решении проектных задач необходимо сочетание логики и интуиции. Остановимся на некоторых основных понятиях методологии процесса проектирования.

Существует множество определений процесса проектирования. С позиции теории познания проектирование есть форма познания объективного мира, представляющая процесс составления описания, необходимого для создания еще не существующего объекта.

Дж.К.Джонс дает простую, но универсальную формулировку, определяющую цель проектирования, - положить начало изменениям в окружающей человека искусственной среде.

Иными словами, проектирование - это творческая, целенаправленная деятельность, ориентированная на изменение окружающей человека искусственной среды (техносферы).

Под методологией проектирования понимается учение о структуре, логической организации, методах и средствах поиска и принятия решений о принципе действия и составе еще не существующего объекта, наилучшим образом удовлетворяющего определенные потребности, а также составление описания, необходимого для его создания в заданных условиях.

Алгоритм проектирования - совокупность предписаний, необходимых для выполнения проектирования.

Проектное решение - промежуточное или конечное описание объекта проектирования, необходимое и достаточное для дальнейшего рассмотрения или окончания процесса проектирования.

Проектная процедура - совокупность действий, выполнение которых оканчивается проектным решением.

Проектная операция - действие или совокупность действий, составляющих часть проектной процедуры.

Современные методы проектирования должны быть ориентированы на широкое использование ЭВМ, не исключая человека при решении наиболее сложных и творческих задач. Такую особенность называют эргатичностью, подразумевая разумное сочетание формализованных (машинных) и неформализованных процедур в процессе проектирования.

Сформулируем основные задачи методологии проектирования:

1) построение логической схемы последовательности действий, наилучшим образом организующей процесс проектирования;

2) разработка методов и алгоритмов выполнения проектных процедур и операций;

3) формализация процедур, разработка математических моделей как процесса, так и объекта проектирования;

4) выбор этапов и стадий разработки объекта проектирования.

Определим основные компоненты проектирования, рассмотрев его с точки зрения теории познания и воспользовавшись языком теории множеств: A = {a₁, a₂,..., a_n} - множество целей; P = {p₁, p₂,..., p_m} - множество признаков; G = {q₁, q₂,..., q_k} - множество технических решений; K = {k₁, k₂,..., k_r} - множество оценок (критериев).

Проектирование технической системы можно представить в виде отображения на множество оценок K среза произведения бинарных отношений между элементами множеств A и P и бинарных отношений между элементами множеств P и G. Тогда функция проектирования может быть выражена следующим образом:

F:((A₀))  K,

где   (AP),   (PG), A₀  A - основные цели проектирования.

Таким образом, процесс проектирования сводится к поиску такого соотношения между целями и признаками, признаками и техническими решениями, при которых обеспечиваются требуемые критериальные оценки проектируемого объекта. Если рассмотреть функцию проектирования в качестве целевой функции, которую в результате выполнения ряда операций необходимо оптимизировать, то получим функцию оптимального процесса проектирования, который сводится к установлению таких бинарных отношений между компонентами проектирования, при которых максимально удовлетворяются критериальные оценки

(F:((A₀))  K)  opt.