Методология системотехнического проектирования электронных и радиоэлектронных средств (в двух частях)
..pdf7.3.3.Провести оценку технических характеристик ФА.
7.3.4.Определить достоинства и недостатки ФА.
7.3.5.Определить лучший из ФА (прототип).
7.3.6.Выявить противоречия между потребностями стейкхолдеров и характеристиками прототипа.
7.3.7.Сформулировать уточнённые технические требования к объекту проекти-
рования.
7.3.8.Удовлетворяет ли прототип уточнённым техническим требованиям?
7.3.8.1.Если прототип не удовлетворяет уточнённым техническим требованиям,
то сделать вывод о необходимости модернизации прототипа.
7.3.8.1.1.Сформулировать противоречие между техническими требованиями
иреальными характеристиками прототипа.
7.3.8.1.2.Перейти к этапу разработки технического задания на проектирование технического объекта.
7.3.8.2. Если прототип удовлетворяет уточнённым техническим требованиям, то удовлетворяет ли прототип экономическим требованиям?
7.3.8.2.1.Если прототип удовлетворяет экономическим требованиям, то сделать вывод об отсутствии потребности в разработке объекта проектирования и возможности приобретения прототипа.
7.3.8.2.2.Если прототип не удовлетворяет экономическим требованиям, то сделатьвывод осуществовании потребности в разработкеобъекта проектирования сцелью уменьшения его себестоимости.
7.3.8.2.2.1.Осуществить реверс-инжиниринг.
7.3.8.2.2.2.Перейти к этапуразработки техническогозаданияна проектирование технического объекта.
Таким образом, на этапе обоснования потребности в проектировании ТС имеются следующие возможные проектные выходы/решения:
1) не разрабатывать ТС;
2) спрогнозировать будущие потребности;
3) купить патент;
4) дождаться окончания срока действия патента;
5) обойти мешающий патент;
6)сформулироватьзадачуразработки объекта проектированиядляспециалистов других предметных областей;
7) приобрести прототип;
8) сделать реверс-инжиниринг прототипа;
9) уменьшить себестоимость прототипа;
10) улучшить технические характеристики прототипа;
11) существенно улучшить технические характеристики прототипа;
12) заморозить проект;
13) изобрести новую ТС.
Результаты проведенного анализа по обоснованию потребности в разработке ЭРЭС удобно представить в виде комбинации дихотомий: «существования–
150
не существования» потребности в ТС и «существования–не существования» самой ТС. Это дает нам четыре возможные комбинации:
1)ТС не существует, но потребность в её функции существует (задача изобретения новой ТС с новой функцией или внедрение нового ФПД на основе использования новых ФТЭ, ФЭ);
2)ТС не существует и потребности в её проектировании нет (задача прогнозирования будущих потребностей и поиска существующих, но еще неосознанных или невыявленных потребностей);
3)ТС существует (в виде готового изделия) и потребности в её проектировании
нет:
а) ТС можно купить; б) она удовлетворяет требованиям заказчика/пользователя;
в) экономический эффект от её использования равен нулю (ТС не окупится: малый спрос (единичная, малая серия изделий));
г) ТС может быть исполнена на ФПД, отличных от физических принципов электроники, радиоэлектроники и радиотехники (задача доведения информации до специалистов других отраслей науки и техники; формулирование задачи для специалистов другого профиля).
ТС существует в виде идеи, описанной в формуле изобретения (патент), и потребность в проектировании ТС существует (задачи: покупка патента; обход патента; ожидание окончания срока его действия);
4)ТС существует (например, зарубежом) и потребность в ее проектировании существует:
а) её нельзя купить (например, в случае военных технологий, экономических санкций; задача импортозамещения);
б) она не удовлетворяет техническим и/или экономическим требованиям (выполнено на основе устаревших ФПД, слишком дорога в обслуживании и эксплуатации) заказчика/пользователя (задача модернизации ТС: простой, существенной);
в) отсутствует комплект проектной и конструкторской документации (задача ре- верс-инжиниринга с целью импортозамещения (изготовление своих более дешевых
исовершенных ТС), перепроектирования для перевыпуска вышедшей из моды продукции (старые сотовые телефоны: компании, их выпускавшие, давно не существуют, КД нет, но есть потребность в изделии, адаптированном под современные технологии), изготовления или диверсионного анализа (поиск уязвимостей с целью осуществления радиоэлектронной борьбы, промышленного шпионажа)).
151
Выводы
1.Источниками потребностей являются человек, общество, социум.
2.Движущей силой эволюции технических средств является эволюция потребностей человека.
3.Необходимым основанием технологического развития современного общества является его способность к опережающему, точному и дальновидному прогнозированию будущих, ещё не проявленных в настоящее время массовых потребностей общества.
4.Классификация потребностей общества является основанием классификации ЭРЭС по функциональному назначению.
5.Всякая искусственная система имеет определённое назначение, которое может быть описано системой целей. Цель – это некоторое (возможно, воображаемое) положение дел, к осуществлению которого стремятся. Тогда система целей может быть определена как множество и отношений между ними. Подцель может конкретизировать цель. Зачастую подцель является средством достижения цели.
6.Назначение ЭРЭС как особой категории технических систем, работающих на принципах электроники и радиотехники, заключается в удовлетворении определённого класса потребностей человека, которые можно подразделить на информационные (обмен информацией, т.е. её прием и передача; извлечение, разрушение, регистрация, защита, кодирование, декодирование, шифрование, дешифрование, обработка и хранение данных и информации); управления (управление техническими процессами и регулированиеих параметров); контроля (идентификация, классификация и учет физических объектов); измерения параметров физических сред, процессов и объектов; энергетические (обеспечение электропитания других ТС и РЭС); эстетические (электронные музыкальные инструменты, техническое искусство); технические(повышениекачества жизни, обеспечение еёбезопасности, создание комфортных условий жизни).
7.Потребность человека есть функция технической системы.
8.Техническая система есть материальный носитель функции.
9.Техническая система может выполнять одну и ту же функцию, будучи реализованной на основе использования разных физико-технических принципов, отличных от принципов электроники и радиотехники. Проектировщик должен оценить, использованиекакихФТПдляреализации данной функции болеецелесообразно(более эффективно, экономично и т.п.).
10.Принятию любого решения сопутствует риск.
11.Прогнозирование и оценка рисков при принятии решения необходимый этап процесса обоснования потребности в проектировании ТС.
12.Технический объект необходимо проектировать тогда, когда подобных объектов не существует и от него нельзя отказаться, когда затраты на проектирование, подготовку производства и изготовление окупаются в установленный срок и приносят положительный экономический эффект. Проектирование требует капиталовложений и теряет смысл, если нет реального потребителя.
152
13.Прежде чем разрабатывать новую систему, необходимо установить, нужна ли она. Всякое заявление о важности задачи должно опираться на фактические данные. Процесс определения абсолютной ценности потребности, её ценности по сравнению с другими потребностями и желательных свойств данной ТС называется исследованием потребностей. Потребность в разработке ТС необходимо не только выявить и обосновать, но и измерить или оценить количественно, т.е. определить, насколько эта потребность велика. Кроме того, нужно понять, что эффективнее: реализовать ТС на принципах электроники и радиотехники или на других ФПД.
14.Потребность в проектировании на специализированных предприятиях диктуется необходимостью совершенствования выпускаемой продукции, иначе предприятие потеряет рынки сбыта.
15.В организациях, выполняющих работу по внешним заказам, или в том случае, когда предприятиевынужденопереходитьнавыпускпринципиальноновой продукции, приходится принимать решение, нужно ли проектировать. К чему может привести неправильное решение? Во-первых, может быть спроектирован уже существующий объект. Во-вторых, в ходе проектирования или даже в конце его объект может оказаться не нужным заказчику из-за изменившихся условий производства. В-третьих, объект, созданный по выполненному проекту, не принесет ожидаемый эффект. В-четвертых, может оказаться, что объект существует, например, в другой стране и его целесообразней купить.
16.Процедура определения потребности в проектировании относится к маркетинговым исследованиям и выполнять ее заказчик может вместе с проектировщиком.
17.В самом общем случае логика обоснования потребности в разработке технической системы проста: техническую систему нужно проектировать тогда, когда такой системы несуществует, а если она есть, еёнельзя приобрести; от системы нельзя отказаться; когда затраты на проектирование, подготовку производства и изготовление окупятся в установленный срок и принесут положительный эффект. Однако более детальный анализ этого алгоритма позволяет выявить ещё несколько важных потенциальных решений, которые может принять проектировщик на данном этапе работы.
18.Главныевопросы, на которые должен ответить системотехник на этапеобоснования потребности:
– существует ли потребность в объекте проектирования (нужно ли и целесообразно ли проектировать);
– каков характер потребности (требуется создать новую ТС или модернизировать существующие ТС, в какой степени);
– каков масштаб (объём) потребности (сколько потребителей будут пользоваться ТС);
– можно ли реализовать ОП на основе других ФТП, дешевле ли это будет;
– как долго будет существовать потребность в ОП;
– как появление новой ТС изменит сценарии поведения использующих её людей?
153
19. Таким образом, имеем следующее условие задачи и описание ожидаемого результата её решения.
Исходные данные для обоснования потребности в проектировании ЭРЭС:
1)результат выявленияи исследования социальныхзапросов и потребностей общества в условиях настоящего времени;
2)результат научно-технического прогнозирования эволюции общественных потребностей.
Результаты обоснования потребности в проектировании ЭРЭС:
1)обоснованный вывод проектировщика о наличии или об отсутствии потребности в проектировании ЭРЭС с конкретизацией решения для первого случая;
2)определение типа решаемой задачи (разработка новых ЭРЭС, модернизация (частичная или существенная) имеющихся ЭРЭС);
3)масштаб потребности, определяющий объем производства ЭРЭС.
Контрольные вопросы
1.Как открывается новое знание? Предложите алгоритм открытия нового
знания.
2.Что такое уровни разукрупнения РЭС?
3.Чем большие системы отличаются от сложных?
4.Как между собой соотносятся следующие понятия: радиоэлектронное средство, техническое средство, техническая система, технический объект?
5.Каковы особенности конструктивных определений понятия «система»?
6.Что такое системотехника РЭС?
7.Чем макропроектирование отличается от микропроектирования?
8.Какую роль выполняет схема в деятельности проектировщиков и системотехников?
9.Что такое схемотехника РЭС?
10.Как можно кратко изложить суть деятельности системотехника РЭС?
11.Как можно кратко изложить суть деятельности схемотехника РЭС?
12.Что такое проектирование?
13.Что является результатом процесса проектирования?
14.Какие уровни иерархии описаний ЭРЭС существуют?
15.Что является ядром иерархии описаний ЭРЭС?
16.Какова систематика задач поиска и выбора проектно-конструкторских ре-
шений?
17.Как связан экономический эффект решения с уровнем задач выбора про- ектно-конструкторских решений?
18.Что такое жизненный цикл РЭС? Из каких стадий он состоит?
19.В чем состоит содержание CALS-технологий?
20.Что такое уровни готовности технологий? Для каких целей они применя-
ются?
154
21.Каковы перспективы развития электронных и радиоэлектронных средств с точки зрения смежных наук?
22.Как связаны процессы научного исследования, проектирования, конструирования и производства радиоэлектронных средств?
23.Почему в системотехнике важное место отводится изучению креативных методов мышления?
24.Какие креативные методы мышления проектировщика существуют?
25.Какие существуют задачи проектирования?
26.Что такое системный подход? Каковы его основные задачи?
27.Что понимается под методологией системотехнического проектирования?
28.Что такое эволюция технических систем?
29.Какие существуют законы развития технических систем?
30.К чемусводится иерархическоеисчерпаниевозможностей конструкторскотехнологических решений?
31.Что такое S-кривая и как она связана с понятием изменения показателя качества технической системы при ее конструктивной эволюции?
32.Какова роль программного обеспечения в разработке и эксплуатации ТС?
33.Какие существуют законы развития программных систем?
34.Что такое потребности?
35.Какова классификация потребностей?
36.Какова структура противоречия?
37.С какой целью используются дихотомии существования ТС и потребности
веё проектировании?
38.Сколько возможных решений и каких может принять системотехник на этапе обоснования потребности?
39.В чем заключается цель исследования окружения технической системы?
40.Для чего используются перечни контрольных вопросов Мэтчетта и Холла?
41.Как проводится маркетинговое исследование?
42.Что такое реверс-инжиниринг?
43.Какова цель патентного исследования?
44.Какие существуют информационные состояния мира и его наблюдателя?
45.Как осуществляется прогнозирование?
46.Для чего и каким образом осуществляется формализация научно-исследо- вательских и проектных задач системотехники?
47.Как можно охарактеризовать отношение понятий «план» и «прогноз»?
155
Упражнения
1.Разработайте форму анкеты для опроса общественного мнения и с ее помощью соберите у одногруппников и своих товарищей по вузу информацию о существующих нереализованных техническими средствами потребностях общества. Результаты исследования зафиксируйте в письменном виде. Предложите и опишите функции, устраняющие зафиксированные противоречия. Подберите потенциальным объектам проектирования подходящие названия.
2.Проведите анализ эволюции потребностей и возможностей современной науки и техники: выясните, чем стали отличаться потребности человека, использующего современный смартфон, от потребностей человека, использовавшего телефон
сдисковым набирателем номера. Охарактеризуйте социальные условия каждого периода исторического времени. Опишите поведение пользователя каждой ТС и сформулируйте сценарии использования каждого устройства.
3.Выберитеиз приложения 410разныхТС, проведите ихисследованиеи сформулируйте идеи (например монитор без кабелей электропитания и сигнала, система управления дорожным движением (светофоры, видеокамера, нейрокомпьютер) с видеонаблюдением за дорожной и пешеходной обстановкой и нейросетевым управлением) для не менее 10 задач для каждой ТС по их частичной и существенной модернизации (используйтекритерий ИКРи инструментарийТРИЗ). Придумайтенеменее 10 абсолютно новых ТС РЭС.
4.Сформулируйте не менее 10 задач синтеза нового знания в области Э/РЭ/РТ на фундаментальном уровне.
5.Проведите исследование и выясните, как можно улучшить главный показатель выбранной вами ТС; второстепенные показатели ТС. Используйте методы ТРИЗ.
6.Используя методы и инструменты ТРИЗ, выявите и сформулируйте актуальные противоречия между потребностями современного общества и текущими условиями реальности, которые можно было бы устранить с помощью новых классов ТС и достичь тем самым существенных экономического, политического, военного, социального и других эффектов.
7.Для известных вам представителей РЭА (бытовой, промышленной и др.): выявите и сформулируйте требования и условия, назовите противоречия, которые устраняются этой РЭА.
8.Используя методы подавления психологической инерции из арсенала ТРИЗ (в частности ИКР), спрогнозируйте возможные перспективы развития потребностей общества или определенных социальных групп по отдельным отраслям науки и техники (мобильные технологии, умный дом, IoT, робототехника (включая БПЛА), медицинская, промышленная, военная электроника и т.д.).
9.Приведите примеры областей жизнедеятельности человека, в которых противоречие между потребностями и условиями реальности в настоящее время отсутствует, однако может проявиться в ближайшем будущем. Ответ обоснуйте.
10.Задайте противоречие. Опишите функцию, которая его устраняет.
156
11.Задайте ФПД ЭРЭС (например ФПД мемристора). Охарактеризуйте свойства ТС, которая будет реализована на этом ФПД.
12.Задайте ТС, работающую на ФПД, отличных от ЭРЭ. Предложите возможные ФПД ЭРЭ (пользуясь приложением 1), с помощью которых можно реализовать ТС с той же функцией.
13.Заданы механический арифмометр и современный персональный компьютер. На каких ФПД основана работа каждогоТО? Проанализируйтеалгоритм работы каждого ТО.
14.Предложите ТС, реверс-инжиниринг которых в настоящее время мог бы принести ощутимый экономический эффект нашей стране.
15.Изобретите новую ТС.
16.Задана функция ТО. Найдите аналоги этого ТО (их работа может быть основана на ФПД, отличных от ЭРЭ).
17.Проведите поиск функциональных аналогов, патентное исследование, маркетинговое исследование для выбранной ТС.
18.Нарисуйте генеалогическое дерево эволюции интересующего вас бытового ЭРЭС (годы, изобретатели, обстоятельства, при которых было открыто улучшение ЭРЭС, использующиеся ФПД). КакиеФПД, ФТЭиспользуются в каждом поколении предков этой ТС? Спрогнозируйте или постройте обоснованное предположение о том, каков будет представитель следующего поколения данного класса устройств. На каких ФПД он может работать? (пример: загоревшаяся от молнии ветка – факел
–масляная лампа – свеча Яблочкова – лампа накаливания – светодиодная лампа –
…?).
19.Найдите функциональные аналоги заданных ТС (РЛС, система электрического освещения, система GPS-навигации, …), работа которых основана на ФПД и ФЭ, отличных от ФПД электроники и радиотехники. Опишите их ФПД. Назовите разделы физики, в которых изучаются данные ФПД.
20.Определите аналог современной радиолокационной системы, которым пользовались люди несколько веков назад. Охарактеризуйте его ФПД.
21.Проведите функциональный/конструктивный анализ выбранного ранее ЭРЭС. Оформите в виде инфографики, реферата, презентации.
22.Сделайте обзор последних моделей мобильных телефонов нескольких мировых компаний (например, Apple, Samsung, Xiaomi, Nokia,…) и соберите информацию по их основным техническим характеристикам, используя сайты фирм-произ- водителей или официальных дилеров продукции. Определите достоинства и недостатки каждой модели, проведите их сравнительный анализ и выявите лучший из аналогов (найдите прототип). Пользуясь методами ТРИЗ, найдите противоречия междупотребностями пользователей этихпродуктов ихарактеристикамипрототипа, выявите в нём недостаток. Сформулируйте уточнённые технические требования к прототипу. Предложите возможные направления усовершенствования прототипа.
23.Выполните предыдущее задание для робопылесоса, телевизора, автомобильной сигнализации.
157
24.Используя методы ТРИЗ (в частности ИКР), спрогнозируйте возможные перспективы развития существующих ЭРЭС. Согласно сделанным прогнозам определите направления поисковых исследований новых ФПД.
25.Перечислите как можно большее количество известных вам ЭРЭС.
26.Приведите примеры ситуаций и условий возникновения потребности в осуществлении реверс-инжиниринга.
27.Представьте, что вы оказались на неизвестной планете с развитой технической инфраструктурой. Вам в руки попался некий предмет. Ваша задача определить, природного или искусственного происхождения этот объект. По каким признакам и каким образом (в каком порядке) вы решите эту задачу? (Задача по сюжетам фантастических романов С. Лема.)
28.Представьте себе, что вы живете в мире, где не существует интересующая вас ТС (например, УКВ-трансивер). Поставьте себя на место проектировщика, действующего по алгоритму системотехнического проектирования РЭС. К какому решению вы придете? На основе АСПЭ РЭС выберите и обоснуйте решение, которое вы должны принять в описанных условиях.
29.Выберите любой предмет и предложите его усовершенствование с помощью ТС, работающих на принципах ЭРЭС (например улучшите обычные очки).
30.Проведите классификацию множества ТС из приложения 1. Придумайте, какие основания классификации можно подобрать. В качестве подсказки используйте таблицу с примерами потребностей и функций ТС (см. таблицу 1).
31.Распределите по категориям потребностей (информационные, управления, контроля, измерения, эстетические, технические) РЭС из приложения 1.
32.Выберитеконкретный тип устройств изприложения 1и постройтеегоклассификацию.
33.Пользуясь методами генерации новых идей, придумайте новые ТС.
34.Прочитайте книгу С. Лема «Сумма технологий» и на основе анализа современных реалий науки и техники определите, какие из описанных Лемом фантастических ТС уже реализованы или имеют значительный шанс реализоваться в ближайшем будущем.
35.Для каждоговопроса изконтрольныхперечней Мэтчетта и Холла обсудите, где получить наиболее надежные сведения: у конечного потребителя, у людей, которые будут устанавливать и ремонтировать ТС, у администрации или из некоторой комбинации этих источников.
36.Рассмотритеинтересующую вас ТС и дайтекачественныеответы на восемь вопросов «Перечня вопросов № 3: Характеристика рынка» (см. п. 1.3.4).
158
Рекомендуемая литература
1.Диксон П. Фабрики мысли / П. Диксон ; пер. с англ. под общ. ред. В.И. Се-
дова. – М. : Прогресс, 1976. – 419 с.
2.Физические явления и эффекты в технических системах / В.Л. Бурковский, Ю.Н. Глотова, Д.А. Ефремов [и др.]. – Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2007. – 247 с.
3.Селюцкий А.Б. Правила игры без правил / А.Б. Селюцкий. – Петрозаводск, Карелия, 1989.
4.Тринг М. Как изобретать? / М. Тринг, Э. Лейтуэт ; пер с англ. А.С. Доброславского ; под ред. и с предисл. В.В. Патрикеева. – М. : Мир, 1980. – 272 с.
5.Техническое творчество: теория, методология, практика. Энциклопедический словарь-справочник/под ред. А.И. Половинкина, В.В. Попова. –М. :НПО «Ин-
форм-система», 1995. – 408 с.
6.Клег Б. Интенсивный курс по развитию творческого мышления : пер. с англ.
/Б. Клег, П. Бич. – М. : Астрель : АСТ, 2004. – 392 с.
7.Чяпяле Ю.М. Методы поиска изобретательских идей / Ю.М. Чяпяле. – Л. : Машиностроение, 1990. – 96 с.
8.Альтшуллер Г. Как стать гением: Жизненная стратегия творческой личности
/Г. Альтшуллер, И. Верткин. – Мн. : Беларусь, 1994. – 479 с.
9.Альтшуллер Г. Найти идею: Введение в ТРИЗ – теорию решения изобретательских задач / Г. Альтшуллер. – 4-е изд. – М. : Альпина Паблишер, 2011. – 400 с. – (Серия «Искусство думать»).
10.Уразаев В.Г. ТРИЗ в электронике / В.Г. Уразаев. – М. : Техносфера, 2006. – 320 с. – (Серия «Мир электроники»).
11.Физические явления и эффекты в технических системах / В.Л. Бурковский, Ю.Н. Глотова, Д.А. Ефремов [и др.]. – Воронеж: ГОУВПО Воронежский гос. технич.
ун-т, 2007. – 247 с.
12.Шарыгина Л.И. События и даты в истории радиоэлектроники / Л.И. Шарыгина. – Томск : Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2011. – 306 с.
13.Быховский М.А. Развитие телекоммуникаций: на пути к информационному обществу. История развития электроники в ХХ столетии : учеб. пособие / М.А. Быховский. – М. : Книжный дом «Либроком», 2012. – 352 с.
14.Higgins J.M. 101 Creative Problem Solving Techniques. The Handbook of New Ideas for Business. – 1994. – 241 p.
15.Игошев Б.М. История технических инноваций : учеб. пособие / Б.М. Игошев, А.П. Усольцев. – М. : ФЛИНТА, 2013. – 352 с.
16.Юшина Л.Д. Твёрдотельная хемотроника / Л.Д. Юшина. – Екатеринбург :
УрО РАН, 2003. – 103 с.
17.Лем С. Сумма технологии / С. Лем. – М. : АСТ, 2006.
18.Философия техники в ФРГ : пер. с нем. и англ. / сост. и предисл. Ц.Г. Арзаканяна, В.Г. Горохова. – М. : Прогресс, 1989. – 528 с.
159