Методология системотехнического проектирования электронных и радиоэлектронных средств (в двух частях)

– перспективный уровень развития технических решений изделий.

Первые два направления применяют в основном для среднесрочного и долгосрочного прогнозирования (5–30 лет), а последнее направление – преимущественно для краткосрочного прогнозирования (2–4 года). В инженерном прогнозировании используют теоретические и экспериментальные средства анализа и синтеза и опираются на информацию, содержащуюся в законченных проектных и научно-иссле- довательских разработках, в патентах и авторских свидетельствах.

На основе инженерного прогнозирования можно определить:

–направления, которые займут лидирующее положение в технике;

–возможные пропорции внедрения в практику конкурирующих направлений;

–вероятность использования техники;

–предполагаемую экономическую эффективность реализации технических направлений;

–ожидаемоевремя внедрения в производствотехники илицелевых направлений её развития.

В исследовательском проектировании выбор целей, признаков объекта проектирования, его параметров должен производиться с учётом того, что за время с момента начала разработки до ее завершения могут произойти изменения в сфере факторов окружения объекта. Для того чтобы создаваемая система не оказалась морально устаревшей, выйдя из сборочного цеха, и цели, и признаки, и параметры должны прогнозироваться [14].

Рассматривая каждый фактор как объект, следует подобрать к немунаиболее соответствующий метод прогнозирования. Классификация этих методов проводится по шести признакам [64].

1. По природе объекта прогнозирования:

а) научно-технические (развитие фундаментальных и прикладных исследований, развитиенауки,новыевиды техники, техническиехарактеристики, изобретения

иоткрытия в области науки и техники, новые материалы, технология);

б) технико-экономические (экономика народного хозяйства по отраслям, развитие и размещение производства, промышленные предприятия, технико-экономиче- ские показатели производства продукции, организационно-экономические системы управления, освоение новых видов продукции, финансирование производства);

в) социально-экономические (демография, трудовые ресурсы, размещение производительных сил, образование, национальный доход, спрос, потребление);

г) военно-политические (международные отношения, опасные зоны, военный потенциал, стратегический курс, военные конфликты);

д) естественно-природные (погода, окружающая среда, природные ресурсы). 2. По масштабности объекта прогнозирования, определяемой числом перемен-

ных, входящих в полное описание объекта:

а) сублокальные – с числом значащих переменных от 1 до 3 (производственная функция, траектория движения в трехмерном пространстве, рабочее место);

б) локальные – с числом значащих переменных от 4 до 14 (производственный участок, материал, несложное техническое устройство);

130

в) субглобальные – с числом переменных от 15 до 35 (цех, спрос на продукцию предприятия с соответствующей номенклатурой);

г) глобальные – с числом переменных от 36 до 100 (предприятия, техническая система типа «радиоэлектронноеустройство», «радиоэлектронный функциональный узел»);

д) суперглобальные – с числом переменных свыше 100 (отрасль, крупное предприятие, большая техническая система).

3. По сложности объекта прогнозирования:

а) сверхпростые– объекты с отсутствием существенныхвзаимосвязей междупеременными;

б) простые – объекты, в описании которых содержатся парные связи; в)сложные–объекты, в описании которыхсодержатсяпарныеи множественные

связи; г) сверхсложные – объекты, в описании которых нужно учитывать взаимосвязи

всех значащих переменных.

4. По степени детерминированности:

а) детерминированные – объекты, в характеристиках которых случайная составляющая несущественна;

б) стохастические – объекты, в описании которых необходим учет случайной составляющей переменных;

в) случайные, имеющие как детерминированные, так и стохастические характеристики.

5. По характеру развития во времени:

а) дискретные – характеристики изменяются скачками; б) апериодические – характеристики изменяются в виде апериодической непре-

рывной функции; в) циклические – характеристики изменяются в виде периодической непрерыв-

ной функции.

6. По степени информационной обеспеченности:

а) объекты с достаточной количественной ретроспективной информацией; б) объекты с недостаточной для обеспечения заданной точности прогнозирова-

ния количественной ретроспективной информацией; в) объекты, имеющие лишь качественную ретроспективную информацию;

г) объекты с полным отсутствием ретроспективной информации. Разнообразие решаемых задач в области прогнозирования привело к разработке

большого числа методов. В отечественной и зарубежной практике можно насчитать свыше 100 методов прогнозирования. Рекомендации для однозначного выбора метода прогнозирования сегодня ещё не разработаны. В таблице 1.17 представлены наиболее распространенные методы прогнозирования и позиции по шести классификационным признакам, характеризующим объект.

131

Таблица 1.17 – Классификация методов прогнозирования

132

Приступая к прогнозированию, необходимо вначале отыскать позиции, относящиеся к объекту по всем классификационным признакам, а затем подобрать метод, охватывающий возможно большее число характеризующих объект позиций [14, 64]. Введем понятие коэффициента общности метода прогнозирования:

kобщ p p ,

где p – количествопозиций повсем характеристическимпризнакам, охватываемых

методом прогнозирования; p – общее количество позиций по всем признакам.

Наибольшим коэффициентом общности обладает метод коллективного экспертного опроса (20 позиций из 24). Все методы, имеющие отношение к опросу экспертов, обладают высоким значением этого показателя. Из других методов прогнозирования с большой общностью можно выделить метод «Дельфи» и морфологический анализ.

Среди всех методов определенную группу объединяет инженерное прогнозирование [40, 64]. Оно опирается на информацию, содержащуюся в законченных проектных и научно-технических разработках, в патентах.

Инженерное прогнозирование – научно обоснованная информация, определяющая в вероятностной постановке потенциальные возможности техники. Оно охватывает срок до15 лет и способнодать оценкуперспективности как отдельного объекта, так и целого технического направления.

Методы инженерного прогнозирования весьма разнообразны, но в их основе лежит небольшое число принципов: экспертный опрос, экстраполяция, морфологический анализ, математическое моделирование. При этом используются три основных метода прогнозирования: экстраполяция, экспертиза (метод экспертных оценок), моделирование. Но такая классификация условна, потому что прогностические модели предполагают экстраполяцию и экспертные оценки, последние представляют итоги экстраполяции и моделирования экспертом исследуемого объекта и т.д. В разработках прогнозов применяют также методы аналогии, индукции и дедукции, различают статистические, экономические, социологические и другие методы.

Влогическом смысле прогнозирование обратно планированию, так как задачей прогнозирования является описание образа будущего объекта или ситуации на основеимеющихся данных, а задачей планирования является описаниепоследовательности действий для достижения известной (желаемой, сформулированной, намеченной) цели.

Втаблице 1.18 представлены источники информации для прогнозирования

ивиды прогнозов на их основе.

Экспертный опрос строится на использовании мнений специалистов. Результаты опроса обрабатываются средствами математической статистики, при этом возможен учет квалификации специалистов. Экспертный опрос применим ко всем видам прогнозирования. Опрос экспертов может проводиться в устной форме (интервью) или в форме заполнения анкет. В качестве экспертов следует выбирать специалистов, признанных ведущими в данной области и имеющих некоторый опыт

133

прогнозирования. Количественный состав экспертной группы формируют с учётом возможных последствий от неверного выбора целей проектирования. Суть метода сводится к тому, что группе экспертов ставят ряд вопросов, касающихся развития данного технического направления или прогнозируемого объекта. Затем с помощью математической обработки результатов опроса экспертов выясняется преобладающее мнение. Сложным при использовании этого метода, который носит субъективный характер, является установление принципов проведения опроса, оценка точности результатов и др.

Таблица 1.18 – Источники информации для прогнозирования и виды прогнозов на их основе

Этот метод целесообразно использовать в случае отсутствия достаточно систематизированной информации о прошлом или когда научно-техническое развитие

вбольшей степени зависит от принимаемых решений, чем от технических возможностей.

Экстраполяция при прогнозировании заключается в переносе закономерностей развитиятехники изпрошлогов будущее. Этот метод широкоприменяется при краткосрочном прогнозировании преимущественно в областях техники, где не предвидятся существенные качественные изменения в развитии. Областью исследования метода являются в основном события, развивающиеся эволюционным путём и достаточно медленно во времени. Прогнозирование методом экстраполяции тесно связано с использованием выявленных законов и закономерностей развития техники.

Методом экстраполяции можно решать задачи двух типов:

1)статические, в которых анализируют связи между главным параметром и другими без учета фактора времени. Статическая задача связана с определением одного какого-либо значения прогнозируемого признака объекта по ранее установленным величинам других признаков;

2)динамические, в которых непременной составляющей уравнений является фактор времени. Динамическая задача экстраполяции связывает значение прогнозируемого признака со временем.

При решении задач второго типа устанавливают изменения главного параметра

вбудущем. Исходной информацией длярешениятакихзадачявляетсядинамический ряд, отражающий изменение главного параметра в функции времени.

Прогнозирование развития техники на базе динамических рядов состоит из следующих основных операций:

134

а) приведения исходной информации к виду, приемлемому для предварительного анализа ряда;

б) нахождения зависимости между главным параметром и фактором времени; в) проверки точности прогнозирования по главному параметру; г) корректирования результатов расчета в случае существенных расхождений.

Морфологический анализ связан с разделением задачи на составные части

всоответствии с определенными характеристиками объекта прогнозирования (надежностью, технологичностью, эргономичностью, эстетичностью, экономичностью, научной обоснованностью и др.). Характеристики подразделяются на позиции

внарастающем смысловом значении. И характеристики, и позиции получают оценки. Характеристики оцениваются в долях единицы. Чем выше оценка, тем важнее характеристика. Оценку дают эксперты.

Перспективность целого научно-технического направления определяется по приведенному числу патентов, которое выражается следующей зависимостью:

n

NA i , i 1

где n – число патентов по научно-техническому направлению А; i – коэффициент научно-технической значимости патента i по направлению А.

Таким образом, перспективность тогоили иногонаучно-техническогонаправле- ния оценивается суммой коэффициентов научно-технической значимости всех патентов, выданных по этому направлению за некоторый ретроспективный период, например за последние 15 лет. Наиболее перспективным следует считать направление, имеющее наибольшее значение приведенного числа патентов.

Cхема процесса прогнозирования содержит этапы прогнозирования и связи между ними (рисунок 1.32). Исходным положением является определение цели прогнозирования. В зависимости от неё выбирают объект прогнозирования (связь 1).

Рисунок 1.32 – Схема процесса прогнозирования

135

Период упреждения и точность прогнозирования устанавливают исходя из цели и объекта прогнозирования (связи 2 и 3). Период упреждения (период, на который составляют прогноз) зависит от требуемой точности прогнозирования: чем больше период упреждения, тем меньше точность прогнозирования; при необходимости повысить точность прогнозирования уменьшается период упреждения (взаимосвязь 4).

В зависимости от периода упреждения устанавливают необходимый объём и содержание исходных данных об объекте прогнозирования: чем больше период упреждения, тем полнее должны быть исходные данные; при малом объёме исходных данных период упреждения уменьшается (взаимосвязь 5).

Выбираемый метод обработки исходных данных зависит от требуемой точности прогнозирования: чем выше точность прогнозирования, тем точнее должен быть метод обработки исходных данных; при снижении точности прогнозирования принимают менее точный метод обработки исходных данных (взаимосвязь 6). Для обеспечения требуемой точности прогнозированиянеобходиморасполагатьсоответствующим объёмом и содержанием исходных данных об объекте прогнозирования. Для повышения точности прогнозирования объём и содержание исходных данных должны быть более полными (взаимосвязь 7).

Выбор метода обработки исходных данных об объектепрогнозирования зависит от принимаемого периода упреждения: чем он больше, тем точнее должен быть метод обработки исходных данных (взаимосвязь 8).

Наличие объема и содержания исходных данных определяет выбор метода их обработки: чем полнее исходные данные, тем точнее может быть метод их обработки. В то же время определенный метод требует соответствующего объёма исходных данных (взаимосвязь 9).

Определив объём и содержание исходных данных о прогнозируемом объекте и приняв соответствующий метод обработки исходных данных, можно выполнить необходимые расчеты (связи 10 и 11), которые должны дать возможность получить требуемый результат прогнозирования (связь 12). На его основе могут быть разработаны допустимые варианты прогноза. Не исключается, что полученный результат прогнозирования не будет полностью отвечать поставленной цели. В этом случае необходимоуточнить отдельныеэтапы прогнозирования, используя обратныесвязи.

Рассмотреннаясхема процесса прогнозирования может оказаться для некоторых классов задачпроектированиянеприемлемой. Тогда прогнозированиеможновыполнять по следующему сценарию:

1)разработка общей схемы прогнозирования;

2)установление комплекса прогнозируемых параметров;

3)определение требуемой точности прогнозирования;

4)установление продолжительности периода упреждения.

Процесс прогнозирования может иметь три составляющие, различающиеся точностью предсказания:

1)детерминированную, поддающуюся точному расчету;

2)вероятностную, позволяющую установить предполагаемую закономерность протекания процесса;

136

3) случайную, которая не поддается расчёту.

Научное детерминированное прогнозирование характеризуется тем, что период упреждения может быть значительным и при этом точность прогнозирования во времени неснижается. При вероятностномпрогнозировании точностьниже. Использование детерминированной и вероятностной составляющих позволяет сравнить прогноз с действительным протеканием процесса и установить влияние случайной составляющей. Соотношение между всеми тремя составляющими зависит от уровня научного познания рассматриваемого процесса и может изменяться со временем. Научно-технический прогресс способствует увеличению влияния детерминированной составляющей и снижению влияния других составляющих. Поэтомуповышение значимости детерминированной составляющей и точности вероятностной составляющей приводит к повышению общей точности прогнозирования.

Продолжительность периода упреждения следует устанавливать с учетом, вопервых, продолжительности реализации прогнозируемыхпроцессов, во-вторых, возможности уточнения первичных результатов прогнозирования по мере получения информации о ходе реализации прогнозируемых процессов.

Прогнозирование конструкций ТО основывается на ЗРТС, при этом рассматриваются следующие основные свойства и факторы ТО.

1.Функциональное назначение.

2.Основные технические и экономические параметры.

3.Возможные компоновочные схемы.

4.Новые материалы.

5.Новые технологические процессы, оборудование и технологическая оснастка.

6.Новые формы и методы организации и управления производством.

7.Потребность и предполагаемый план изготовления ТО.

8.Строительство нового или реконструкция действующего предприятия.

9.Экономическая эффективность нового технического решения. Прогнозировать можно и отдельные параметры ТО, например массу, габариты

ит.п. В ряде конструкций особое значение приобретает необходимость ограничения массы на ранних стадиях проектирования. Для этого анализируют аналогичные конструкции и устанавливают математическую зависимость массы от основных параметров ТО. Учитывают влияниена массуповышения конструктивной сложности отдельных сборочных единиц, а также коэффициента прогрессивного снижения массы конструкции при совершенствовании методов расчета и конструирования, применении прогрессивных материалов, электронной компонентной базы и т.д.

137

Форма с использованием отглагольного существительного описывает предназначение объекта и в ряде случаев оказывается более естественной.

Таблица 1.19 – Две формы описания функции технической системы

Объект функции может выражаться либо конкретным понятием, обозначающим, например, некоторый объект, который нужно изменить или обнаружить: переместить датчик, повернуть антенную систему, перемешивать раствор, фиксировать механизм в заданном положении (защелка), обнаружить БПЛА, либо абстрактным понятием, обозначающим простые свойства вещества, поля или процессов, в которых нужно что-то обнаружить, измерить или изменить, преобразовать.

Например, измерять температуру среды, перекрывать поток жидкости, регулировать расход газа и т.д. Процесс проверки герметичности

– определить места (полевая характеристика) ивеличину утечки среды (параметр).

Свойство должно быть простым и характеризоваться одним параметром. В формулировкефункции нельзя использовать наименования свойств, которыехарактеризуются несколькими простыми, например повысить надежность, эффективность, качество. Надежность – этокомплексный показатель, который характеризуется частными показателями: долговечностью, безотказностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью. Поэтому в формулировке: «повысить надёжность…» непонятно, о чем идет речь.

Понятие «эффективность» очень широкое, например экономическая эффективность, энергетическая эффективность.

Часто ТС выполняет не одну, а несколько функций. И если хотя бы одну из них она не выполняет, то пропадает ее полезность.

Несколько функций могут быть связанными или находиться в отношении подчинения.

В формулировке главной полезной функции нужно указывать все необходимые связанные функции.

Если ТС должна выполнять несколько функций, то необходимо проверить, не находятся ли они в отношении подчинения. Подчинённая функция отражает дополнительное требование. Это не означает, что оно менее важно. Без выполнения этой функции могут пропасть потребительские свойства ТС. Просто подчинённая функция может быть выполнена только после того, как выполнена подчиняющая.

139