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

Например, конструкция корпуса электронного средства должна удерживать детали и сборочные единицы в заданном взаимном положении (Ф1) и сохранять это положение при воздействии на него нагрузок, т.е. обеспечивать жесткость корпуса (Ф2). Функция Ф2 является подчинённой по отношению к функции Ф1. Ф2 – это дополнительное требование.

В случае подчинения функций нужно давать формулировку только подчиняющей функции. Подчинённая функция будет относиться к вспомогательной функции.

Опыт показывает, что даже людям, имеющим навыки в проведении функционального анализа, не всегда сразу удается четко сформулировать функции исследуемых объектов. Поэтому рекомендуется сначала сформулировать функцию в том виде, как она естественно следует из условия решаемой задачи. Затем подобрать синонимы и выбрать наиболее емкий термин, т.е. обобщить понятия, которые участвуют в формулировке, как в отношении действия, так и в отношении объекта функции.

Например, электрический фильтр должен очищать спектр сигнала. Такаяконкретная формулировка ориентирует на использование именно этого принципа действия – очищать. Более общая формулировка – фильтровать спектр сигнала – способствует поиску и других принципов действия. А формулировка «обрабатывать сигнал» настолько общая, что непонятно, о каком действии идет речь. Это может быть очищать, фильтровать, удалять, видоизменять и т.д.

Формулировка функций является одним из видов моделирования задачи и, как всякая модель, она должна быть прагматичной, обладать эвристической силой. Поэтому нужно найти такие формулировки, которые способствуют продвижению вперед при решении задачи.

Если имеется прототип или спроектирован черновой набросок ТС, то проведение функционального анализа для ее улучшения имеет некоторые особенности. Для выделенных функциональных компонентов формулируются выполняемые ими функции. Типовой ошибкой при формулировании функции является либо сужение функции, либо её расширение.

Чтобы убедиться в правильности сформулированной функции, необходимо:

1)выявить рабочий орган ТС. Именно он непосредственно участвует в выполнении главной полезной функции (ГПФ). Все остальные функциональные компоненты участвуют в выполнении ГПФ опосредованно, через рабочий орган (РО). Для этого нужно посмотреть, к какому компоненту ТС подводится энергия и управляющий сигнал. Если ТС выполняет несколько функций, то у нее может быть несколько РО;

2)проверить, может ли ТС сама выполнить сформулированную функцию;

3)проверить, не состоят ли несколько выделенных функций в отношении подчинения. Для этого нужно проанализировать, не выполняет ли рассматриваемая ТС

140

какие-либо другие функции. И если выполняет, то являются ли все выполняемые ею функции независимыми или связаны между собой;

4) проверить, не произошло ли сужение или расширение функции. Для этого целесообразно описать, зачем (для чего) выполняется эта функция, и проверить, соответствует ли функцияпредъявляемым требованиям. Здесь необходимоотметить, что объектом функции всегда является некоторый компонент ближайшей надсистемы или свойство, её характеризующее.

Например, электрическая лампа: излучать свет, РО – нить накаливания; светильник: освещать предметы, ТО – светильник, ПЭ – нить накаливания, РО – отражатель, рассеиватель. Функция лампы – излучать свет. Можно сказать: преобразовывать электрическую энергию (ПЭ) всветовую. Но вторая формулировкауже ориентирует на использование электрической энергии, т.е. она исключает из рассмотрения другие принципы получения света.

Главная полезная функция технической системы в целом или её компонента направлена на выполнениетребований первой вышестоящей системы. Поэтомуформулирование функций ТС и её компонентов целесообразно осуществлять одновременно с анализом связей между функциями, выполняемыми компонентами.

Итак, описание потребности в ТО (или ТС) формализованно можно представить в виде

где D – указание действия, производимого ТО и приводящего к желаемому результату, т.е. к удовлетворению (реализации) интересующей потребности; G – указание объекта, процесса или предмета, на который направлено действие D; H – указание особых условий и ограничений, при которых выполняется действие D.

В таблице 1.20 приведены примеры покомпонентного описания потребности. Еще раз отметим, что наряду с понятием потребности в инженерной практике

широко используется понятие функции ТО. Доказано [15], что описания потребности и функции ТО тождественно совпадают. Различие между потребностью и функцией состоит в том, что понятие потребности всегда связано с человеком (коллективом людей) или автоматом (автоматами), поставившим задачу реализации потребности и выполняющим проектирование соответствующего ТО и его изготовление. Понятие функции всегда связано с ТО, реализующим эту потребность. Интересно отметить, что человек часто выступает в двух качествах: как субъект, формулирующий потребность, и как элемент ТО (имеется в виду система типа «человек– машина»), реализующий эту потребность. Чтобы отличать эти понятия, в описании потребности будем пользоваться отглагольным существительным, а в описании функции – глаголом. В таблице 1.20 в скобках указаны описания функции.

141

Таблица 1.20 – Примеры описания потребности в ТС

1.5Формализация научно-исследовательских

ипроектных задач системотехники

После уяснения целей и задач проекта, необходимо осуществить их формализованное описание. Формализация позволяет представить предметную область исследовательской илипроектной задачи вкомпактномиполномвиде. При формализации задач исследования с помощью корректной математической записи требуется сформулировать ее суть, критерий решения, входные и выходные данные, существенные факторы и условия, свойственные решаемой задаче [65].

Рассмотрим примеры формализации некоторых наиболее часто встречающихся в проектной деятельности типовых исследовательских задач.

Задача на моделирование

Дано: S – система (объект исследования); X – множество входных параметров; Y – множество выходных параметров (предмет исследования); Z – множество внутренних параметров системы; E – множество параметров среды (условий функционирования); Q – множество показателей качества/эффективности функционирования системы (предмет исследования).

Содержательная (вербальная) постановка научной задачи: разработать модель

μ системы S, устанавливающую закономерность изменения множества выходных

параметров Y и множества показателей качества/эффективности функционирования системы Q от множества значений входных параметров X, множества значений

142

внутренних параметров Z, множества значений параметров условий функционирования E. При этом на значения параметров множеств X, Y, Z, E наложены условия физической реализуемости:

X Xдоп, Y Yдоп, Z Zдоп, E Eдоп,

где индекс «доп» означает «допустимые».

Формальная постановка научной задачи:

μ:<S,X,Z,E> Y,Q X Xдоп, Y Yдоп, Z Zдоп, E Eдоп.

Задача на исследование модели и выявление существенных факторов

Дано: S – система (объект исследования); X – множество входных параметров (предмет исследования); Z – множество внутренних параметров системы (предмет исследования); E – множество параметров среды и условий функционирования (предмет исследования); Y –множествовыходныхпараметров; Q– множествопоказателей качества/эффективности функционирования системы; μ – модель системы S.

Содержательная (вербальная) постановка научнойзадачи: на основе модели μ

, устанавливающей закономерность изменения множества выходных параметров Y и множества показателей качества функционирования системы Q от множества значений входных параметров X, множества значений внутренних параметров Z, множества значений параметров условий функционирования E, выявить множество существенных параметров как среди входных параметров Xс X , так и среди параметров среды Eс E, которые определяют поведение системы S. Критерием существенности параметров является интегральный критерий – превышение выход-

143

Задача по повышению эффективности или качества функционирования системы

Дано: S – система (объект исследования); X – множество входных параметров; Y – множество выходных параметров; Z – множество внутренних параметров системы; E – множество параметров среды и условий функционирования; Q – множество показателей качества/эффективности функционирования системы; q1, ,qn –

повышаемые показатели качества/эффективности (предмет исследования).

Содержательная (вербальная) постановка научной задачи: разработать метод/

методику М повышения качества/эффективности функционирования системы по показателям q1, ,qn в диапазоне значений входных и выходных параметров (X, Y)

системы за счет варьирования значений её внутренних параметров Z и при ограничениях на значения параметров среды E Eдоп , где индекс «доп» означает «допу-

стимые».

Формальная постановка научной задачи: найти метод/методику М такой(-ую),

что

M:<S,X,Y,Z,E,Q> q1, , qn qi 0, qi Q, i 1 n,

при этом

q1 qiп qnд, i 1 n,

где индекс «д» означает «до использования метода»; индекс «п» – «после использования метода»;

ограничения на варьируемые параметры:

zk zkmin,zkmax , zk Z Zдоп,k 1 Z ;

ограничения на неварьируемые параметры:

el const, el E Eдоп, l 1 E .

144

Задача на оптимизацию выходного параметра системы

Дано: S – система (объект исследования); X – множество входных параметров; Y – множество выходных параметров; y1, , yn – оптимизируемые выходные параметры (предмет исследования); Z – множество внутренних параметров системы; E – множество параметров среды и условий функционирования.

Содержательная (вербальная) постановка научной задачи: разработать метод/

методику М обеспечения максимизации/минимизации выходных параметров системы y1, ,yn yi Y,i 1 n в диапазоне значений входных параметров X за счётварьированиязначений внутреннихпараметров Zпри ограниченияхназначения параметров среды E Eдоп , где индекс «доп» означает «допустимые».

Формальная постановка научной задачи: найти метод/методику М такой(-ую),

Задача на оптимизацию показателя эффективности или качества функционирования системы

Дано: S – система (объект исследования); X – множество входных параметров; Y – множество выходных параметров; Z – множество внутренних параметров

методику М обеспечения максимизации/минимизации параметров качества функци-

онирования системы q1, ,qn qi Q,i 1 n в диапазоне значений входных и вы-

ходных параметров (X, Y) системы за счет варьирования значений её внутренних параметров Z и при ограничениях на значения параметров среды E Eдоп ,

где индекс «доп» означает «допустимые».

145

Формальная постановка научной задачи: найти метод/методику М такой(-ую),

что

M:<S,X,Y,Z,E,Q> maxqi qi Q, i 1 n,

или

M:<S,X,Y,Z,E,Q> minqi qi Q, i 1 n,

при ограничениях:

а) на варьируемые параметры

zk zkmin,zkmax , zk Z Zдоп, k 1 Z ;

б) на неварьируемые параметры

xj xjmin,xjmax , xj X Xдоп, j 1 X ; ym xmmin,xmmax , xm X Xдоп, m 1 Y ; el const, el E Eдоп, l 1 E .

Задачанаобеспечениетребуемого значения показателя эффективности или качества функционирования системы в условиях дестабилизирующего влияния среды

Дано: S – система (объект исследования); X – множество входных параметров; Y – множество выходных параметров; Z – множество внутренних параметров системы; E – множество параметров среды (условий функционирования); e1, ,em –

дестабилизирующие параметры среды; оптимизируемые показатели качества/ эффективности (предмет исследования); Q – множество показателей качества/эффективности функционирования системы; e1, ,em – контролируемые показатели качества/эффективности (предмет исследования).

Содержательная (вербальная) постановка научной задачи: разработать метод/

методикуМ обеспечениятребуемыхзначений q1тр, ,qnтр показателей качества функ-

ционирования системы q1, ,qn qi qiтр, qi Q, i 1 n в диапазоне значений

входных и выходных параметров (X, Y) системы за счет варьирования значений её внутренних параметров Z в условиях воздействия дестабилизирующих параметров

среды e1, ,em ej E, j 1 m .

Формальная постановка научной задачи: найти метод/методику М такой(-ую),

что

M:<S,X,Y,Z,E,Q> qi qi qiтр, qi Q, i 1 n,

при ограничениях:

а) на варьируемые параметры

ej ejmin,ejmax , ej E Eдоп, j 1 E ; zk zkmin,zkmax ,

zk Z Zдоп, k 1 Z ;

146

б) на неварьируемые параметры

xv xvmin,xvmax , xv X Xдоп,v 1 X ; ym ymmin,ymmax ,

ym Y Yдоп,m 1 Y .

1.6Обобщённый алгоритм обоснования потребности

впроектировании

Схема обобщённого алгоритма обоснования потребности показана на рисун-

ке 1.33.

Фиксация проблемной ситуации

1.Выявить и проанализировать требования (потребности) человека, группы людей, сообщества, социума посредством опроса общественного мнения или проведения социально-инженерного исследования.

2.Выявить текущие условия реальности в заданной области деятельности посредством анализа опыта эксплуатации и сценариев использования ТС, практики, жизненного опыта пользователей.

3.Выявить и сформулировать поверхностное противоречие стейкхолдеров и текущих условий реальности.

4.Противоречие найдено?

4.1.Если противоречие не найдено, то сделать вывод об отсутствии текущей потребности в разработке ТС и принять решение о прогнозировании возникновения будущих потребностей в исследуемой области реальности, провести прогностическое исследование;

4.2.Если противоречие найдено, то выявить функцию, устраняющую существующее противоречие.

5. Назвать объект проектирования.

Поиск функциональных аналогов

6. Осуществить маркетинговое исследование.

7. Функциональные аналоги (ФА) найдены? (При этом помнить, что могут существовать ФА ТС, работающие не на принципах Э/РЭ/РТ, а на ФПД из других отраслей науки и техники. Возникают задачи поиска ФА на разных ФПД и исследования возможности реализации целевой функции ТС на заданных ФПД.

7.1.Если функциональныеаналогинарынкененайдены, тоосуществитьпатентное исследование.

7.1.1.Если функциональные аналоги найдены в виде патентов, то принять одно из следующих решений:

а) патент купить; б) дождаться, когда срок действия патента закончится, и воспользоваться гото-

вой формулой изобретения; в) обойти мешающий патент и придумать своё изобретение, затем защитить

результат интеллектуальной деятельности.

147

148

Рисунок 1.33 – Схема обобщённого алгоритма обоснования потребности в разработке технической системы

7.1.2. Если функциональные аналоги в виде патентов не найдены, то выяснить, можно ли реализовать объект проектирования на ФПД, отличных от ФПД Э/РЭ/РТ (например, на ФПД квантовой механики или оптики).

7.1.2.1.Если объект проектирования нельзя реализовать на ФПД, отличных от ФПД Э/РЭ/РТ, то перейти к пункту 7.1.2.2.2.

7.1.2.2.Если объект проектирования можно реализовать на ФПД, отличных от ФПД Э/РЭ/РТ, то можно ли отказаться от объекта проектирования, реализующего выполнение потребности на основе принципов Э/РЭ/РТ, в пользу его реализации на других ФПД?

7.1.2.2.1.Если можно отказаться, то сделать вывод об отсутствии потребности в разработке ТС на основе ФПД Э/РЭ/РТ.

7.1.2.2.2.Если нельзя отказаться, то провести прогностический анализ способности объекта проектирования принести ожидаемый экономический эффект.

7.1.2.2.2.1.Экономический эффект достижим в данных условиях (политика, экономика, уровень развития науки и техники, дедлайн проекта)?

7.1.2.2.2.1.1.Если экономический эффект не достижим в данных условиях, то принять одно из следующих решений:

а) временно «заморозить» проект до наступления подходящих условий; б) полностью отказаться от реализации проекта.

7.1.2.2.2.1.2.Если экономический эффект достижим в данных условиях, то сделать вывод о существовании потребности в разработке новой ТС на основе ФПД Э/РЭ/РТ.

7.1.2.2.2.1.3.Провести исследование проблемной ситуации на основе системного подхода (сделать системный анализ проблемной ситуации).

7.1.2.2.2.1.4.Сформулировать изобретательскую задачу.

7.1.2.2.2.1.5.Последовательно выявить административное, техническое и физическое противоречия.

7.1.2.2.2.1.6.Разрешить все противоречия и решить изобретательскую задачу с помощью инструментов ТРИЗ.

7.1.2.2.2.1.7.Получить результат интеллектуальной деятельности и защититьего (получить патент).

7.1.2.2.2.1.8.Перейти к этапу разработки требований технического задания на проектирование ТС.

7.2. Если функциональные аналоги на рынке найдены, то при необходимости провести реверсивный инжиниринг.

7.3. Работа найденных на рынке ФА основана на ФПД Э/РЭ/РТ?

7.3.1. Еслинет, томожноли реализоватьФА, работа которыхоснованана других ФПД?

7.3.1.1.Если да, то перейти к пункту 7.1.2.2.2.

7.3.1.2.Если нет, то сделать вывод об отсутствии потребности в разработке объекта проектирования на основе ФПД Э/РЭ/РТ.

7.3.2. Если работа найденных на рынке ФА основана на ФПД Э/РЭ/РТ, то сделать обзор найденных ФА.

149