Kesler_Osnovy_metodologii_proektirovania_2016

Федеральное агентство морского и речного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования «Волжский государственный университет водного транспорта»

Кафедра проектирования и технологии постройки судов

А.А. Кеслер

Основы методологии проектирования

Учебное пособие для студентов очного и заочного обучения

по направлению подготовки 26.04.02 «Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры»

Нижний Новгород Издательство ФГБОУ ВО «ВГУВТ»

2016

1

УДК 62:001.8

К36

Ответственный редактор – проф., д.т.н. Е.П. Роннов

Кеслер, А.А.

Основы методологии проектирования : учеб. пособие для студ. очного и заочного обучения по направлению подготовки 26.04.02 / А.А. Кеслер. – Н. Новгород : Изд-во ФГБОУ ВО «ВГУВТ», 2016. – 76 с.

Представлены исторические аспекты и основные понятия в области проектирования объектов искусственной среды. Рассматривается современная концепция проектирования технических объектов, а также применяемые при этом управленческие схемы, методы и подходы.

Пособие соответствует направленности дисциплины «Исследовательское проектирование» учебного плана подготовки магистров по программе «Исследовательское проектирование, постройка и ремонт судов смешанного (река-море) плавания», направление

26.04.02.

Пособие также призвано дополнить знания студентовбакалавров, изучающих дисциплину «Основы проектирования и конструирования», сведениями по общетехническим подходам при проектировании объектов.

Работа рекомендована к изданию кафедрой проектирования и технологии постройки судов (протокол № 3 от 02.11.2015 г.).

ФГБОУ ВО «ВГУВТ», 2016

2

Введение

Полноценная инженерно-техническая деятельность в наше время может быть обеспечена лишь на базе широкого образования, включающего не только фундаментальную физико-матема- тическую, но и основательную методологическую подготовку в области техники и технических наук.

Об этом свидетельствуют и тенденции в системе подготовки инженеров, появившиеся еще в прошлом веке. Во второй половине прошлого века знания, даже в рамках одной отрасли стали быстро накапливаться и устаревать: учебная литература стала напоминать хранилище информации, большая часть которой быстро теряла актуальность вследствие развития техники. Из учебной литературы была исключена подробная и быстро устаревающая информация и, кроме того, усилена подготовка инженеров по научным дисциплинам.

К концу прошлого века проблема комплексного обоснования проектных решений в области искусственной среды (техносферы) потребовала определенного пересмотра концепции подготовки инженеров. Узкая специализация при подготовке инженеров тормозила развитие подходов и методов, которые могли быть применены проектировщиками различных специальностей. Новые методы зарождались как методы оптимизации проектных решений с учетом «нетрадиционных» инженерных знаний: по эргономике, исследованию операций, методам технического творчества, знаний в вопросах организационной и административной политики, в проблемах рынка и других областях. Стало ясно, что специалист, не имеющий основательной методологической подготовки, не может должным образом ориентироваться в непрерывно обновляющемся и многообразном мире техники; специалист должен обладать широкими знаниями.

Характеризуя общую тенденцию в проектировании, Джонс 1 отмечает: «Проектирование оказывается все меньше направленным на сам разрабатываемый объект и все больше – на те изменения, которые должны претерпеть производство, сбыт, потребитель и общество в целом в ходе освоения и использования нового объекта».

3

Основная трудность системного (комплексного) подхода при проектировании объектов искусственной среды в настоящее время заключается в сложности обеспечения не столько взаимодействия членов коллектива проектировщиков между собой, сколько в установлении в процессе проектирования эффективных связей с управленцами, изготовителями и потребителями продукции, представителями торговых и общественных организаций, а также другими «непрофессиональными» проектировщиками. В то же время значимость знаний (информации), которыми владеют «непрофессиональные» проектировщики возрастает, особенно при проектировании мегакомплексов. Это обусловлено масштабностью и сложным характером тех изменений в искусственной среде, начало которым кладет проектирование, а также отдаленностью и продолжительностью воздействия на общество проектируемой системы.

При «широком» подходе к проектированию крайне важно, чтобы всякий, кто вступает в межпрофессиональное (междисциплинарное) сотрудничество, достаточно ясно понимал критерии, которыми руководствуются в своих решениях его коллеги.

Современная концепция проектирования объектов искусственной среды базируется на:

–теории организации и управления проектированием больших систем;

–широком наборе машинных программ высокого уровня, объединяемых понятием – «искусственный интеллект»;

–общеинженерных и специальных методах проектирования. Наиболее интенсивно в настоящее время ведутся работы в об-

ласти «искусственного интеллекта», которая, в частности, включает системы обработки информации. В книге Белнапа 2приведены следующие данные: «За последние три десятилетия произошел разительный скачек в развитии промышленных систем обработки информации. Объем капиталовложений в эту отрасль индустрии возрос с 0 до 50 биллионов долларов в год».

Методологию «определяют как науку о построении человеческой деятельности» 3 . Методология – учение о структуре, логической организации, методах и средствах используемых в определенной области технического творчества.

Методология технического творчества изучает средства научного познания (т.е. модели: математические, графические, эвристиче-

4

ские и др.), схемы деятельности, категории и понятия, методы и процедуры исследования, способы организации и проведения эксперимента, а также методы построения научно-технических теорий.

Различие между методологией и методикой заключается в том, что методология направлена (используется) на построение общей программы деятельности, а методика обеспечивает решение частной конкретной задачи. Основу «ресурса» методологии проектирования объектов техносферы составляют:

технические знания (прикладные знания), базирующиеся на фундаментальной («чистой») науке и составляющие основу общетехнических дисциплин (например, механики) или отраслевых (например, теории корабля);

содержание технических наук, «аккумулирующих» набор технических рецептов, норм, процедур, приемов, методов, специфических теорий разного уровня общности, используемых в определенной области или в ряде областей техники и технологий (например, в кораблестроении);

кибернетика техническая1);

организационно-правовая и нормативная документация, регламентирующая создание технических объектов;

инженерная психология; прогнозы о тенденциях развития науки, техники и техноло-

гий, изобретательство 5 , справочная информация.

1) Кибернетика техническая (кибернетика, в переводе с греческого, – искусство управления) – «научное направление, связанное с применением единых для кибернетики идей и методов при изучении технических систем управления. Кибернетика техническая (К.т.) включает теорию автоматического управления, теорию оптимальных систем, теорию адаптивных и обучаемых систем, теорию надежности. Главная задача К.т. – синтез технических систем управления, обеспечивающий достижение требуемых или наивыгоднейших значений определенных показателей, характеризующих их функционирование. Решение задач в К.т. доводится до определения структуры и параметров управляющих устройств и не включает вопросы выбора, расчета и проектирования конкретных конструктивных элементов, реализующих требуемые преобразования сигналов, которые рассматриваются в таких прикладных дисциплинах, как автоматика, промышленная электроника, вычислительная техника, измерительная техника. Основной математический аппарат, используемый в К.т.: теория дифференциальных уравнений, функциональный анализ, вариационное исчисление, математическое программирование, теория графов, математическая логика, теория вероятностей» 4 .

5

В пособии рассматриваются вопросы проектирования технических объектов; их совокупность образует техносферу, которая создавалась и развивается с целью обеспечения благополучного существования человека.

Техносфера 10– «это пространственно-временная система социально организованной технической формы материи – техники и управляемой ею технологической формы движения материи» и еще

– «Техносфера постепенно формирует не только искусственную среду обитания, но и становится «физиологической» системой общества, осуществляющей вещественно-энергетический обмен с окружающим миром».

При подготовке пособия автор стремился к возможно полному представлению понятийного аппарата. Это обоснованно, поскольку полнота и четкость терминологии являются необходимым условием любой науки. По ряду понятий и терминов отсутствуют общепринятые определения; с учетом этого даются определения, содержащиеся в работах известных специалистов в области проектирования.

1. Исторические аспекты создания технических объектов

Исторически первым творцом технических объектов, например, повозки, гончарного круга, ткацкого станка, можно считать ремесленника, который создавал вещи, не вычерчивая чертеж своего изделия.

Ремесленное производство относят к 5–15 вв. нашей эры, к периоду существования феодального общества (периоду средневековья). Разработка изделия ремесленником начиналась с создания умозрительного образа, которым он руководствовался в своей работе (рис. 1); это была технология художника-ремесленника.

Изменение формы (совершенствование) изделия происходило в процессе работы над изделием, чаще – методом проб и ошибок.

При ремесленном (кустарном) производстве информация хранилась в виде выполненных изделий, шаблонов (эталонов), а также передавалась в устной форме в процессе обучения. На основе такой информации могли быть выполнены простейшие изделия.

6

Исторические данные свидетельствуют о том, что эскизы изделий стали появляться лишь в конце средневековья. Дитрих отмечает 6 : «Изобретенная Гуттенбергом в конце 40-х годов 15 столетия отливаемая подвижная литера привела к значительным изменениям в способах осуществления записи…. В конце 15 столетия Леонардо да Винчи использовал рисунок в качестве формы записи многих деталей различных машин и строений». Здесь следует иметь в виду, что эскизы (рисунки) являлись художественным образом изделия; они выполнялись без учета масштаба и других требований к чертежам.

Следующий исторический этап развития технологий создания объектов техники относят к периоду 16 – начало 18 века – периоду мануфактурного производства; стали создаваться технические изделия, заменившие руки и производственные навыки человека, что дало возможность осуществлять замену ручного труда машинным.

Период с 18 в. по последнюю треть 19 в. рассматривается как этап становления фабрично-машинного производства 7 . В европейских странах (прежде всего в Англии) стала быстро развиваться промышленность.

К середине 18 в. в промышленности возник энергетический кризис: водяное колесо, как двигатель, более тысячи лет служившее энергетическим нуждам, стало тормозом дальнейшего развития промышленности. Этот кризис активизировал поиск энергогенератора независимого от местных условий (мобильного источника энергии). Был создан паровой двигатель. Универсальный паровой двигатель, пригодный для практической эксплуатации, был построен англичанином Уаттом в конце 18 в.

Метод конструирования путем разработки чертежей зародился в 19 в., когда «Монж заложил основы геометрического отображения, которыми мы пользуемся до сегодняшнего дня» 6 .

Возможность разработки образа изделия в виде чертежа привела к принципиальному изменению процесса создания изделия (рис. 1). Поиск методом проб и ошибок был отделен от производства; эксперименты и изменения стали проводиться не на самом изделии, а на чертеже. Разработчик при этом имеет возможность видеть образ изделия целиком и манипулировать им, не испытывая боязни испортить дорогостоящее изделие.

8

Использование коммуникатов в виде чертежей и текстовой информации позволило изменить организацию изготовления изделия.

–Стало возможным разделить труд по изготовлению отдельных частей изделия между несколькими работниками. Вследствие этого резко возрос темп изготовления изделия.

–При изготовлении крупных изделий (например, судов) из частей отпала необходимость взаимной подгонки частей в процессе их выполнения. Такая, весьма трудоёмкая операция, была свойственна кустарному производству.

Чертежный способ проектирования и развитие промышленности обусловили выпуск в больших количествах изделий с одинаковыми свойствами (тиражирование изделий). Это стало знаменательным фактом, начиная с 19 в. и до нашего времени.

Существенными признаками периода с конца 19 в. до середины 20 в. стали электрификация промышленности и объектов техники, а также развитие инфраструктурных отраслей, включая средства связи и транспорта.

С началом 20 в. появляется «прикладная наука», т.е. теоретические и экспериментальные исследования, направленные на решение отдельных проблем и создание технических разработок. Естественные науки дали техническим наукам идеал научности, установку на теоретическую организацию знаний, математизацию и т.д.

Для этого периода характерен локальный подход к проектированию технических объектов, т.е. когда при разработке технического объекта (изделия) ограничиваются решением задач, связанных только с его конструкцией. Это соответствовало узким задачам предпринимателей того времени, которые сводились к удовлетворению большого спроса на технические средства. Конкуренция, слабая насыщенность техносферы, отсутствие ограничений экологического характера создавали условия для проектирования в пределах разработки конструкции изделия и ее обоснований. «Локальное проектирование» игнорирует социально обоснованные критерии, к которым принадлежат критерии, вытекающие из экологического подхода.

В период первой половины 20 в. искусственная среда («вторая природа») промышленно развитых стран интенсивно насыщалась

9

разнообразными техническими средствами. Одновременно со стороны потребителей возросли требования к качеству технических средств. Появились государственные органы по контролю за изготовлением и эксплуатацией объектов техники. Расширялось внедрение достижений науки в формирование техносферы. Зарождалось международное сотрудничество в этой области. Одной из важнейших потребностей создания технических средств было (и остается) их применение в военном деле. Достижения в создании военной техники во многом определяют уровень развития техники в целом.

Современный этап развития техники и промышленной технологии (середина 20 века – начало 21 века) характеризуется как научно-техническая революция. Для этого этапа характерна повсеместная компьютеризация и развитие биотехнологий.

В20 веке стали создаваться так называемые большие технические системы, состоящие из десятков тысяч компонентов, выполняющих одновременно разнообразные функции и работающих в различных режимах и условиях. В процессе разработки таких систем возникли (решаются) научно-технические проблемы, связанные с их работоспособностью, надежностью, технической эффективностью. В связи с этим появились технические науки (дисциплины): теория массового обслуживания, теория надежности и др., в которых широко используется вероятностный статистический подход. На первый план в развитии технических систем выдвинулись задачи создания средств и способов автоматизации, получения, передачи, обработки и представления информации.

В20 в. при проектировании комплексов (сложных технических систем) стал применяться системный подход. При этом разработка конструкции технического средства выполняется как второй этап проектирования. Тип и эксплуатационные параметры такого средства обосновываются в процессе оптимизации системы, которая может включать различные компоненты. Оптимизация системы рассматривается как первый этап проектирования, а разработка конструкции и технического средства – как второй этап. В целом процесс проектирования в этом случае характеризуется как «техническое проектирование».

10