Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Сборник научных трудов кафедры информационных систем и технологий управления в строительстве. Выпуск 1.pdf
КАФЕДРА ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ И ТЕХНОЛОГИЙ УПРАВЛЕНИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Ф.К. КЛАШАНОВ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ НА ОСНОВЕ МЕТАСИСТЕМНОГО АНАЛИЗА
Создание нового (либо технологического процесса, либо средств труда и т.п.) всегда базируется на парадигме оптимального соответствия проектируемого объекта функциональному назначению, т. е привести в соответствие потребительскую стоимость с издержками на данный момент
времени с учетом достижений научно-технического прогресса. К проектируемым объектам предъявляются требования по наиболее полному удовлетворению постоянно растущих требований человека. Чтобы объединить
эти противоречивые требования – максимальные функциональные возможности при минимальных затратах целесообразно использовать метасистемный подход к проектированию, который целевое назначение отражает при помощи функционально-физического анализа, а затраты оцениваются методами функционально-стоимостного анализа. Функциональнофизический анализ потребует составления морфологических карт с последующей обработкой на основе реляционной алгебры, а это диктует использование ЭВМ.
Новый виток развития информационно-компьютерных технологий
позволяет по-новому подойти и в части строительства, объекты которого
отвечали бы всем требованиям потребителя. Разработка алгоритма поиска
оптимального варианта конструкторского решения с применением ЭВМ
наиболее полна на основе сочетания этих двух анализов и базируется на
научно-технических достижениях на данный момент времени. Суть метасистемного анализа можно выразить в виде следующих процедур:
1. Формулируется цель (назначение) проектируемого объекта.
2. На базе функционально-физического анализа определяются ран-
жированные функции проектируемого объекта. На этом этапе выделяются
главные физические функции и сопровождающие их – вспомогательные,
нейтральные и вредные. Выявляется физическая природа их реализации.
3. Каждая функция проектируемого объекта экономически оценива-
ется функционально-стоимостным методом.
4. На базе данных, полученных функционально-стоимостным методом, рассчитывается оптимальное значение, но для этого предварительно
строится функция цели и определяются критерии оптимальности.
Прежде всего, согласно техническим регламентам, все вновь создаваемое должно быть безопасным для окружающей среды и персонала – это
необходимое условие проектирования (создания) нового, т.е. при проектировании должна быть учтена система безопасности с введенным для
11
СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ
этой цели множеством S соответствующих параметров S= {s
, s2, . . sn}.
1
Так, например, только при условии, что средства механизации строительства удовлетворяют этим параметрам, то средства механизации имеют
право на жизнь. Это же относится и к любым технологическим процессам.
Следующее условие - это надежное выполнение требуемых потребительских функций U, множество параметров которых U = {u
, u2, . . u
1
} и иден-
k
тифицируют данный вид (класс) объекта проектирования.
Тщательный анализ некоторых конструкторских решений показал, что
их эффективность можно значительно повысить при системном подходе к
задаче проектирования. Для выявления сути системного подхода необходимо определить некоторые понятия, прежде всего понятие - система.
Системой условимся называть совокупность функционально взаимно
увязанных элементов, предназначенных для выполнения всего множества
работ или услуг, определенных на уровне решения однотипных задач
строительной технологии. Примеры систем — каждый элемент из множества строительной техники. Элементом, например, является экскаватор
как землеройная машина. Отсюда следует, что понятие системы отождествляют с совокупностью технических средств и производственного персонала. Любой из перечисленных систем и многим другим присуща комплексность организации производства.
Для выявления главной функции каждой строительной машины проведем классификацию строительных машин по основным видам выполняемых работ. При возведении зданий и сооружений выполняются комплексы работ, которые можно объединить в три группы.
Общестроительные работы по способу их выполнения или применяемых и обрабатываемых материалов подразделяют на земляные, свайные, каменные, монтажные, бетонные, кровельные, отделочные и др.
Специальные работы включают монтаж систем водоснабжения, канализации, отопления, вентиляции, электромонтаж, монтаж технологического оборудования, лифтов, возведение резервуаров, промышленных печей
и т.д. Эти работы специфичны, в том числе для каждого строительного
объекта своя номенклатура подобных работ, поэтому преимущественно
специальные работы выполняют специализированные организации, которые будут являться субподрядчиками к основному исполнителю строительства.
Вспомогательные работы предназначены для обеспечения строительства материалами, полуфабрикатами, деталями и подразделяются на
транспортные и погрузочно-разгрузочные.
12
КАФЕДРА ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ И ТЕХНОЛОГИЙ УПРАВЛЕНИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Каждая строительная машина может быть представлена описаниями,
имеющими иерархическую соподчиненность. Описания характеризуются
двумя свойствами:
1) каждое последующее описание является более детальным и более
полно характеризует машину по сравнению с предыдущим;
2) каждое последующее описание включает в себя предыдущее.
За основу структурно-логической схемы принята разработанная
А.И.Половинкиным методология иерархического выбора проектных решений, которая представляется наиболее простой, достаточно строгой и
последовательной. В этой методологии выделяются 5 уровней. На первом
уровне выбирается удовлетворяемая потребность - функция машины, на
втором - потребительские качества, на третьем - функциональная структура, на четвертом - принцип действия, на пятом - техническое решение.
Таким образом, 1-й и 2-й уровни (являющиеся, по сути, техническим
заданием (ТЗ)), а также 3-й, 4-й, 5-й уровни составляют концептуальное
проектирование, при котором формируются качественные параметры
(свойства) техники.
При проектировании необходимо провести морфологический анализ
проектируемого объекта (процесса, конструкции).
Сущность морфологического анализа состоит в выделении всех независимых переменных проектируемой системы, перечислении возможных
значений (способов реализации) этих переменных и генерировании альтернатив перебором всех возможных сочетаний этих значений.
Целью морфологического поиска является составление морфологических карт, которые позволят расширить область поиска решений проектной проблемы. Морфологическая карта – это объектно-ориентированный
элемент, являющийся банком данных для каждого проектируемого узла,
для которого относительно не сложно составляется СУБД с целью автоматизированного поиска с помощью ЭВМ оптимального элемента строительной техники.
Преимущество морфологических карт состоит в том, что для заполнения матрицы требуется очень мало времени. Основная трудность заключается в определении набора функций, которые были бы:
- существенными для любого решения;
- независимыми друг от друга;
- охватывающими все аспекты проблемы;
- достаточно немногочисленными, чтобы можно было составить мат-
рицу, допускающую быстрое изучение.
Формировать технические решения следует, используя по одному способу реализации из каждой независимой переменной. То или иное сочета-
13
СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ
ние способов реализации всех независимых переменных и составляет вариант технического решения. Форма, удобная для разработки вариантов
проектируемого объекта, представлена в виде таблицы. В ней указываются код технического решения, независимые переменные - Yi, а также способы реализации каждой независимой переменной - Xij.
Единицы в ячейках на пересечении строк и столбцов таблицы означают
использование того или иного способа реализации каждой независимой
переменной в данном варианте технического решения. Полученному техническому решению присваивается код в соответствии с обозначениями
способов реализации, принятых в данном варианте для выполнения каждой независимой переменной.
Общее число технических решений будет равно произведению сумм
числа способов реализации каждой независимой переменной. В условиях
таблицы можно получить требуемое количество вариантов технических
решений. Функциональные структуры технологических объектов практически решают выделение указанных независимых переменных. Таким образом, первая задача морфологического анализа может решаться с использованием функциональных структур.
Для решения второй задачи, т.е. выявления возможных способов реализации этих переменных можно использовать существующие классификации выделенных элементов объектов проектирования, а также патентные
источники. Описания независимых переменных и способов их реализации
оформляются в виде таблицы. Полученная морфологическая таблица является основой для синтеза технических решений.
Система функционально-физического анализа. Главной целью ФФА
является выявление по определенным правилам различных видов продуктивных знаний, позволяющих определять требования к объекту проектирования и давать соответствующие конструктивно-технологические решения. Овладение методикой проведения ФФА, как инструментария оперирования продуктивными знаниями, специалистами позволяет значительно повысить эффективность проектирования.
В 1994 г. на основе работ специалистов в области профессионального
творчества (Г.С. Альтшуллера, Г.Я. Буша, А.И. Половинкина) профессором В.В. Поповым была разработана системная методология проектной
деятельности, которая охватывает основные этапы проектирования. В качестве инструментария, используемого на этих этапах, выступают малоизвестные эвристические стратегии, тактики и методы проектирования, способы преодоления психологических барьеров мышления, законы и закономерности развития технологий и техники, методы выявления и разрешения
14
КАФЕДРА ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ И ТЕХНОЛОГИЙ УПРАВЛЕНИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
противоречий в технических системах (ТС), систематизации функций и
потребительских свойств ТС и др.
Принципиальным отличием подхода, разработанного В.В.Поповым,
является его изначальная ориентация на компьютерную реализацию. Информационный и методический инструментарий инновационной деятельности представляется в виде так называемых продуктивных знаний (знаний, способствующих порождению новых знаний). Применяемая при этом
формализация позволяет использовать базы продуктивных знаний в компьютерных средствах поддержки инновационной деятельности.
Формирование информационного обеспечения процесса проектирования, построенного в соответствии с системной методологией проектной
деятельности, происходит при проведении функционально-физического
анализа ТС, методика которого предполагает следующую последовательность действий:
1. Дать алгоритм описания ТС (с указанием источников информации),
схему ТС.
2. Выявить главную, основные, вспомогательные, вредные и ней-
тральные функции.
3. Сформировать функционально-логическую структуру ТС.
4. Выявить и описать реализуемые критерии эффективности (потреби-
тельские свойства) ТС, характеризующие меру ее полезности.
Применение ФФА позволяет повысить качество проектных решений,
создавать в короткие сроки высокоэффективные образцы техники и технологий и таким образом обеспечивать конкурентное преимущество
предприятия.
Практическое применение научных теоретических и экспериментальных исследований к строительной технике сводится к созданию новых
поколений строительной техники или совершенствованию существующей
применительно как к новым, так и функционирующим строительным технологическим процессам.
Разработанная системная методология проектной деятельности базируется на законах развития строительной техники, соответствия между
функциями и структурой строительных машин и законе прогрессивной
эволюции технической системы.
Все функции проектируемого объекта делятся на следующие группы:
основные, для осуществления которых предназначен данный объект;
вспомогательные, способствующие осуществлению основных функций, и
нейтральные, которые, как правило, сопровождают основные функции, но
не несут полной нагрузки, и могут быть без ущерба ликвидированы вместе
15
СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ
с их материальными носителями (узлами, деталями, видами работ, формами документации и т.п.).
Алгоритмические основы проектной деятельности являются базой для
их практического использования при синтезе новых проектных решений с
новыми конкурентоспособными качественными параметрами.
Строительная техника, отбираемая для проведения ФФА, должна отвечать следующим требованиям:
− представлять последние наиболее эффективные отечественные и
зарубежные достижения отрасли;
− иметь повышенные параметры для более эффективного использо-
вания в отрасли в целом.
Результативность ФФА заключается в сравнении последней (лучшей)
реализации строительной техники с ее аналогом (прототипом).
Основной целью и задачами проведения ФФА проектируемого объекта является поиск новых, более эффективных конструкторско-технологических решений, в том числе решений, превосходящих мировой уровень. Такие задачи возникают при разработке новых машин, приборов,
технологического оборудования и технологий. А также, необходимость
постановки и решения подобных задач вызвана постоянно возрастающей
сложностью изделий по числу деталей и используемых физических эффектов, расширением номенклатуры используемых материалов и комплектующих элементов, ростом разнообразия самих проектируемых объектов, сокращением времени их создания и морального старения, возрастанием объема патентной и научно-технической информации и т.д.
Решение проблемы интенсивного развития экономики выдвигает
большое число дополнительных творческих инженерных задач, связанных
с экономией трудовых ресурсов, сырья, материалов и энергии.
Таким образом, очевидно, что изучение вопроса функционального
анализа является актуальным на сегодняшний день.
Порядок проведения ФФА строительной техники включает в себя следующие этапы:
1. Формулируется проблема. Описание проблемы должно включать
назначение проектируемого объекта, учитывать условия функционирования и предъявляемые технические требования. Формулировка проблемы
должна способствовать раскрытию творческих возможностей и развитию
фантазии для поиска возможных решений в широкой области.
2. Составляется описание функций назначения объекта. Описание
базируется на анализе запросов потребителя и должно содержать четкую и
краткую характеристику, с помощью которой можно удовлетворить возникшую потребность. Для понимания функций назначения проектируемо-
16
КАФЕДРА ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ И ТЕХНОЛОГИЙ УПРАВЛЕНИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
го объекта необходимо дать краткое описание надсистемы, т.е. системы, в
которую входит проектируемый объект. Описание функций включает:
действия, выполняемые проектируемым объектом, объект, на который направлено действие, и условия работы для всех стадий жизненного цикла
машины.
3. Производится анализ надсистемы. Анализ надсистемы производится с помощью структурной и потоковой модели объекта. При этом целесообразно воспользоваться эвристическими приемами, например, рассмотреть: можно ли выполнить функцию рассматриваемого объекта путем
внесения изменений в смежные объекты надсистемы, нельзя ли какомулибо смежному объекту надсистемы частично или полностью передать выполнение некоторых функций рассматриваемой системы, что мешает внесению необходимых изменений и нельзя ли устранить мешающие факторы.
4. Строится функциональная модель проектируемого объекта обычно в виде функционально-логической схемы.
5. Анализируются физические принципы действия для функций проектируемого объекта.
6. Определяются технические и физические противоречия для функций проектируемого объекта. Такие противоречия возникают между техническими параметрами при попытке одновременно удовлетворить нескольким требованиям потребителя.
7. Определяются приемы разрешения противоречий и направления
совершенствования машины.
Для того чтобы реализовать совокупность потребительских свойств
объекта, отраженных в его функциональной модели, с помощью минимального числа элементов, модель преобразуется в функциональноидеальную. Поиск вариантов технических решений часто производят с
помощью морфологических таблиц, которые отражают строение анализируемого объекта.
Рассмотрим более подробно каждый уровень структурно-логической
схемы.
Потребность (функция). Реализация возникшей потребности являет-
ся целью создания объекта. Описание потребности должно содержать следующую информацию: необходимое действие; объект (предмет обработки), на который направлено это действие; особые условия и ограничения.
Описание потребности формализовано можно представить в виде трех
компонент:
Р=(D,G,H),…,
где D – указание действия, производимого рассматриваемой техникой и
приводящего к удовлетворению интересующей потребности;
17
СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ
G – указание объекта, на который направлено действие;
Н – указание особых условий и ограничений, при которых выполняет-
ся действие.
Техническая функция (ТФ). Описание ТФ содержит следующую
информацию:
− потребность, которую может удовлетворить проектируемый объект;
− физическая операция, с помощью которой реализуются потребности.
Таким образом, описание ТФ состоит из двух частей:
F=(Р,Q), …
где Р – удовлетворяемая потребность;
Q – физическая операция.
Описание физической операции (ФО) формализовано можно представить состоящим из трех компонент:
Q=(AT,E,CT),
где АТ , СТ – соответственно входной и выходной поток вещества, энергии
или сигналов;
Е – наименование операции Коллера по превращению АТ в СТ.
Функциональная структура (ФС). Подавляющее большинство
строительных машин состоит из нескольких элементов (агрегатов, блоков,
узлов) и могут быть естественным образом разделены на части. Каждый
элемент как самостоятельный механизм выполняет определенную функцию и реализует определенную ФО, т.е. между элементами имеют место
два вида связей и соответственно два вида их структурной организации.
Элементы имеют определенные функциональные связи друг с другом,
которые образуют конструктивную функциональную структуру. Кроме
функциональных связей, между элементами имеются еще потоковые связи, т.е. элементы, реализуя определенные физические операции, образуют
поток преобразуемых или превращаемых веществ, энергии, сигналов или
других факторов.
Физический принцип действия (ФДП). Описание ФДП, как прави-
ло, содержит изображение принципиальной схемы машины, в которой в
упрощенно-идеализированной форме показаны основные конструктивные
элементы, обеспечивающие реализацию ФДП, и указанны направления
потоков и основные физические величины, характеризующие используемые физико-технические эффекты.
Техническое решение (ТР). Представляет собой конструктивное
оформление ФДП и ФС. ТР конкретной машины, как правило, описывается в виде двухуровневой структуры через характерные признаки машины
в целом и ее элементов. При этом используют следующие группы признаков: перечень основных элементов; взаимное расположение элементов в
пространстве; способы и средства соединения и связи элементов между
18
КАФЕДРА ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ И ТЕХНОЛОГИЙ УПРАВЛЕНИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
собой; последовательность взаимодействия элементов во времени; особенности конструктивного исполнения элементов; принципиально важные
соотношения параметров для машины в целом или отдельных элементов.
Данный подраздел выполняется для более правильного формулирования свойств объекта труда (ОТ) и главной функции рассматриваемой
строительной машины. Любая строительная техника производит преобразование свойств некоторого ОТ или совокупности объектов.
Обозначив характеристику объекта труда в конечном состоянии через
У, а характеристику объекта в начальном состоянии через X, получим
форму записи функции строительной техники:
У= Р(Х)…
Объектом труда может быть материал, вещество, объект, поток материала, поток вещества, поток объектов, энергия, поле, информация. При
преобразовании объекта (или ряда объектов) труда возможны два основных случая:
1. ОТ на входе и выходе - один и тот же объект, свойства которого
изменились в процессе функционирования строительной техники;
2. ОТ на входе и выходе - разные объекты (например, в двигателе
внутреннего сгорания объекты труда на входе - топливо и воздух, ОТ на
выходе - механическая, тепловая энергия и продукты горения).
Для описания метода (способа) получения (преобразования) объекта
труда (или получения объекта труда с заданными свойствами) необходимо: описать преобразование ОТ (какие свойства ОТ и в каком направлении меняются); описать движущую силу процесса (за счет чего происходит преобразование объекта труда). Основным силовым оборудованием
строительной техники являются электродвигатели или двигатели внутреннего сгорания. От силового оборудования через трансмиссию и коробку отбора мощности механическая энергия вращения вала передаётся на
гидравлический или пневматический приводы рабочего и вспомогательного оборудования строительных машин.
Ходовое оборудование приводится от двигателя и коробку передач,
через механический или гидравлический привод.
Система управления строительными машинами состоит обычно из
пульта управления с расположенными на нём приборами, рукоятками, педалями, кнопками, системы передач в виде рычагов, тяг, золотников, трубопроводов, а также дополнительных устройств, позволяющих контролировать работу двигателей, механизмов привода и рабочего оборудования.
Каждая функция технического средства проходит экономическую
оценку при помощи системы, базирующейся на функциональностоимостном анализе. Эти системы можно формализовать и разработать
алгоритм, реализуемый на ЭВМ, что в свою очередь дает возможность
быстро найти оптимальное решение.
19
СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ
Ф.К. КЛАШАНОВ, С.В. ШИЛКИНА
МЕТАСИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ
«ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ЗДАНИЙ»
Создание нового (либо технологического процесса, либо средств труда и т.п.) всегда базируется на парадигме оптимального соответствия проектируемого объекта функциональному назначению, т.е предполагает
привести в соответствие потребительскую стоимость и издержки на данный момент времени с учетом достижений научно-технического прогресса. В современных условиях к проектируемым объектам предъявляются
требования, связанные с наиболее полным удовлетворением постоянно
растущих потребностей и запросов человека. Чтобы объединить эти противоречивые требования – максимальные функциональные возможности
при минимальных затратах целесообразно использовать метасистемный
подход к проектированию, который отражает целевое назначение при помощи функционально-физического анализа, затраты при этом оцениваются методами функционально-стоимостного анализа. Функциональнофизический анализ требует составления морфологических карт с последующей обработкой на основе реляционной алгебры, что в свою очередь,
диктует необходимость использования ЭВМ.
Новый виток развития информационно-компьютерных технологий
позволяет по-новому подойти и к вопросам проектирования, и к вопросам
строительства, объекты которого отвечали бы всем требованиям потребителя. Разработка алгоритма поиска оптимального варианта конструкторского решения с применением ЭВМ наиболее полна на основе сочетания
этих двух анализов и базируется на научно-технических достижениях в
данный момент времени.
Суть метасистемного анализа можно выразить в виде следующих
процедур.
1. Формулируется цель (назначение) проектируемого объекта.
2. На базе функционально-физического анализа формируются ранжиро-
ванные функции проектируемого объекта. Выделяются главные физические функции и сопровождающие их – вспомогательные, нейтральные и вредные. Выявляется физическая природа их реализации.
3. Каждая функция проектируемого объекта экономически оценивается
функционально-стоимостным методом.
4. На базе данных, полученных функционально-стоимостным методом,
определяется оптимальное значение с учетом предварительно построенной функции цели и критерия оптимальности.
20