Kesler_Osnovy_metodologii_proektirovania_2016

Элемент – «Часть целого, которая в различных совокупностях может выступать как нечто относительно целое, причем свойства этого относительно целого остаются постоянными. Это понятие противопоставляется части, которая, будучи отделенной от целого, теряет ранее имевшиеся свойства».

Определения следующего ряда терминов и понятий даны по 10 . Термину технология1) в широком понимании придается ряд смыслов, в том числе, следующие.

«Технологическая форма движения материи – глобальная совокупность материальных процессов вещественноэнергетического взаимодействия общества и природы, протекающих в системах техники и в целом формирующих техносферу».

«Технологический процесс – материальные воздействия на предмет, вызывающие в нем целесообразные качественные и количественные изменения свойств и пространственновременного положения. Изменениям могут быть подвергнуты вещество, энергия и информация».

Термин технология впервые ввел в 18 в. И. Бекманн для обозначения ремесленного искусства, включающего в себя профессиональные навыки и эмпирические представления об орудиях труда и трудовых операциях.

Физическая операция – «Преобразование, производимое технической системой или её элементом, в результате которого входящий поток вещества, энергии или информации превращается в выходящий поток с иными качественными или количественными характеристиками».

Жизненный цикл технического объекта (системы) – «После-

довательность этапов существования объектов искусственного происхождения от начала их создания до момента исчезновения». Основными этапами являются: создание объекта и его эксплуатация; завершающий этап – утилизация объекта в результате его физического или морального старения. Наибольшее число задач технического творчества возникает на этапе создания объекта.

Машина – «Устройство, выполняющее механическое движение для преобразования энергии, материалов, информации с целью за-

1) Греч. techne – искусство, умение; logos – учение, слово.

21

мены или облегчения физического и умственного труда человека». Машины делятся на энергетические (двигатели, генераторы) – для преобразования энергии; рабочие (транспортные, технологические)

– для изменения формы, свойств и положения материала или всего объекта; информационные – для преобразования информации; кибернетические – заменяющие или имитирующие процессы и обладающие элементами искусственного интеллекта. С развитием техники все большее значение приобретают агрегаты – совокупность сложных узлов, из которых проектируют и собирают машины.

Механизм – «Широкий класс устройств, часть элементов которых под действием приложенных внешних сил совершают строго определенные движения». Механизм является кинематической основой машин и приборов. С точки зрения функционального назначения различают типы механизмов: передаточные, исполнительные (рабочие органы), которые нередко рассматриваются как орудия, механизмы контроля, управления и регулирования и другие. Совершенствование механизмов различного назначения относится к числу важнейших задач технического творчества на этапе конструирования объектов.

Способ – «Процесс выполнения действий над материальным объектом». Новые, эффективные способы обычно составляют предмет изобретения.

Приспособление – «Технический объект в виде устройства, связанного с выполнением в технической системе вспомогательных функций в подготовительно-заключительных и дополнитель- но-улучшающих процессах».

Креативность – «Творческое начало, изобретательность, продуктивная оригинальность интеллекта и мышления человека, субъективная сторона творчества». Креативность обусловлена тем, что человеческий мозг представляет собой сложную, открытую, неустойчивую систему. Структуры сознания стремятся к связности, простоте и гармонии.

Моделирование технической системы – «Упрощенное ото-

бражение реального изделия и его описания с целью оценки соответствия его какому-либо требованию или осуществления выбора наилучшего изделия из нескольких альтернативных вариантов». Используют три способа моделирования технических систем: мысленное, математическое и физическое. Умение выполнять точное

22

мысленное моделирование является необходимым качеством изобретателя и творческой личности.

Ноу-хау – «Технические знания и практический опыт технического, коммерческого, управленческого, финансового и иного характера, которые представляют коммерческую ценность, применимы в производстве и профессиональной практике и не обеспечены патентной защитой». Элементами ноу-хау могут быть руководства к использованию, документация, характеристики технологического процесса, формулы и др.

Аналогия – «Соответствие элементов, совпадение ряда свойств или какое-либо иное отношение между объектами (явлениями и процессами), дающее основание для переноса информации, характеризующей один объект, на менее изученный, сходный по существенным свойствам, качествам объект».

Аналогия является одним из эффективных подходов для решения творческих технических задач. Такой подход, по сути, предполагает качественный синтез облика разрабатываемой технической системы по отдаленному подобию; он предполагает развитую интуицию и воображение. Аналогия с техническими объектами выявляется при рассмотрении структуры и процессов, свойственных человеку, животным, растениям, а также объектам неживой природы.

Параметры технической системы – «Количественные харак-

теристики описания особенностей структуры и конструкции технической системы и ее внешних факторов, для которых она предназначена». К параметрам технической системы чаще относятся её геометрические размеры, масса изделия, количество рабочих органов, характеристики входящих и выходящих из технической системы потоков вещества, энергии и информации; метеорологические и климатические характеристики. Наряду с количественными используются качественные характеристики, определяющие конструктивные особенности изделия; например, по конструктивному признаку различают сухогрузные суда бункерного и трюмного типов.

Принцип действия – «Представление технической системы в виде принципиальной схемы, в которой в упрощенной форме показаны основные конструктивные элементы и указаны во взаимосвязи действующие физические и другие эффекты, служащие основой работы технической системы».

23

Принципиальная схема технической системы (принцип действия) чаще выполняется в виде сети (цепочки, графа) используемых физических эффектов (их наименований), а также потоков вещества энергии и информации; такую сеть также называют «потоковая функциональная структура».

Закономерность изменения эффективности технической системы в пределах одной стадии развития (принципа действия).

Закономерность состоит в том, что у технической системы, имеющей неизменные основные технические функции и принцип действия основной (основные) критерий эффективности (например, производительность) в зависимости от исторического периода применения такого рода системы меняется монотонно в соответствии с S-образной функцией, график которой представлен на рис. 6.

Рис. 6. Эволюционная закономерность изменения эффективности технической системы

На графике приняты обозначения: шкала K – значения критерия эффективности системы данного типа, t – продолжительность периода, в течение которого создаются и применяются системы этого типа. Этап «А» соответствует периоду освоения нового принципа действия, на котором основана техническая система. В этот период еще не найдены наиболее эффективные варианты практической (конструктивной) реализации принципа; это обусловливает медленное возрастание критерия эффективности (K).

Этап «В» – быстрый рост критерия за счет увеличения количества изобретений, реализующих новый принцип действия.

Период «С» – замедленный рост критерия эффективности, обусловленный исчерпанием новых (более удачных) возможностей реализации данного принципа.

Согласно S-образной форме происходило, например, изменение к.п.д. паровых машин паровозов.

24

Рассмотренную закономерность рекомендуется использовать при обосновании необходимости перехода на новый принцип действия технической системы определенного назначения.

Прототип – наиболее близкий по технической сущности (по смыслу) и по достигаемому эффекту аналог (устройство, способ и др.) технического объекта (системы).

Техника1) – «Совокупность средств человеческой деятельности, созданных для осуществления процессов производства и обслуживания непроизводственных потребностей общества» 4 . По назначению различают технику производственную, военную, бытовую, медицинскую, для научных исследований, образования, культуры и др. Основную группу технических средств составляет производственная техника. Технику также классифицируют по отраслевому признаку (например, техника транспорта), по используемой при ее создании естественно-научной основе (например, ядерная, вычислительная) и по другим признакам. Развитие техники в значительной мере определяется социально-экономическими условиями.

Ряд терминов и понятий, принятых в области технического творчества, требуют развернутого представления: искусственный интеллект, системотехника, эргономика, техническая квалиметрия, функционально-стоимостный анализ; часть из них в профессиональной литературе относится (характеризуется) к уровню научнотехнических дисциплин.

3. Современная концепция разработки технических объектов

3.1. Концептуальная схема разработки технических объектов

Рассмотрим деятельность разработчиков технической системы (объекта) на этапах социотехнического и технического проектирования, а также конструирования. Для первых двух этапов такая деятельность иллюстрируется с помощью схемы (рис. 7), которая является упрощенной, поскольку на ней не показаны обратные связи (обратные переходы) между фазами (1…8 (7). Такие переходы

1) От греч. techne – искусство, мастерство, умение.

25

ствий. Эти действия можно сгруппировать по временным периодам и рассматривать такие совокупности как ступени процесса проектирования; Джонс 1предложил различать три ступени: дивергенция*, трансформация**, конвергенция***.

3.1.1. Дивергенция. Задачи и характер действий проектировщика на этой ступени Джонс определил, в частности, следующим образом.

•«Техническое задание, полученное от заказчика, принимается за отправную точку исследований, но при этом считается, что это задание может подвергаться изменениям и развитию в ходе дивергентного поиска, а может быть и на более поздних ступенях (однако не без согласия заказчика)».

•«Одна из целей исследований на этой ступени заключается в том, чтобы изучить реакцию заказчиков, потребителей, рынка, производства и т.п. на смещение целей и границ задачи в разных направлениях и в различном объеме».

•«Постановку вопросов и принятие решений о том, куда обратиться за ответом и насколько грубыми или точными должны быть эти ответы, следует предоставить самым опытным и разумным специалистам, которых удастся привлечь к работе». И еще: «Навыками работы на этой стадии лучше овладевают лица, имеющие опыт в таких областях, как журналистика, научноисследовательская работа, статистический анализ данных…».

Дивергентный поиск включает, наряду с накоплением информации, определение и ранжирование целей (цели) создания объек-

та, определение функций, которыми должен обладать проектируемый объект, установление критериев1) оценки объекта и ограниче-

*Дивергенция (лат. divergere – обнаруживать расхождение) – процесс обнаружения различий, например, различий в звучании буквы «л» в словах стол и столик.

**Трансформация (лат. transformation – преобразование) – процесс изменения, например, понижения или повышения напряжения электрического тока.

***Конвергенция (лат. convergere – приближаться, сходиться) – процесс согласования, сближения, например, сведения зрительных осей глаз путем поворота глазных яблок при рассмотрении близких предметов.

1) Критерий – это, по существу, формализованная запись той или иной потребности, связанной с объектом проектирования. Для этапов социотехнического и технического проектирования критерии отражают потребности (требования) социального характера, экономические, экологические, правовые, к безопасности

27

ний («рамок»), накладываемых на ресурсную базу при проектировании. Эти факторы относятся к задаче определения ситуации проектирования объекта; она решается при активном взаимодействии проектанта и заказчика, а также при участии «непрофессиональных» проектировщиков.

К ступени дивергенция относятся фазы 2…4 на рис. 7, а и фазы

1 ... 3 на рис. 7, б.

3.1.2. Трансформация – это ступень «высокого творчества», когда на результаты дивергентного поиска «накладывается» некоторая концептуальная схема проектируемого объекта (фазы 5, 6, рис. 7, а и фазы 4, 5, рис. 7, б). На этой ступени ярче всего проявляется личность проектировщика; большое значение имеют опыт и здравомыслие.

При социотехническом проектировании ступень трансформации включает синтез структуры мегакомплекса (модели) и системный анализ вариантов такой модели с последующим выбором единственного. При этом чаще используются неметрические подходы, в том числе неметрическая математика. В этом случае исследуются важнейшие системно-структурные свойства и отношения, присущие мегакомплексу, например, иерархии, степени предпочтения тех или иных альтернативных явлений и факторов; используется также математическая логика. Трудность абстрагирования процессов и построения математических моделей на этапе социотехнического проектирования обусловлена сложностью (недостаточной изученностью) учитываемых социотехнических и биологических процессов.

Общее представление о возможном подходе к обоснованию мегакомплекса на этапе социотехнического проектирования дает пример, представленный в 6 . Отмечено, что «Х. Александер решил с помощью ЭВМ очень сложную задачу проектирования населенного пункта в Индии». В задаче он учел 141 материальный элемент и различного рода зависимости (отношения связи) между ними: «Кастовые влияния, отношение к умершим, ориентация входной двери на юг, требования к освещению, занятия, культивируе-

объекта, его устойчивости к внешним воздействиям, к назначению (в частности, возможности реструктуризации объекта в период его жизни).

Ограничения могут касаться объема финансирования, производственных возможностей изготовления объекта и т.п.

28

мые кастой, родственная солидарность…» и целый ряд других связей. Решение задачи было построено на рациональной группировке элементов мегакомплекса, с учетом их связей, и оценке этих комбинаций по принятым (обоснованным) критериям.

На этапе технического проектирования ступень трансформации включает синтез структуры системы, а также расчеты и обоснования по вариантам этой системы (фазы 4, 5, рис. 7, б). Для выполнения этих работ используются (в общем случае) принципы и арсенал средств системотехники*.

По данным 8возможности системотехники позволяют разрабатывать технические системы, которым присущи следующие свойства.

Система обладает целостностью. Все её части служат достижению единой цели – выработке определенной продукции (город по данному определению не является технической системой).

Система является большой как с точки зрения разнообразия её элементов, так и количества выполняемых функций и, конечно, стоимости.

Система является сложной. Это означает, что изменение ка- кой-либо переменной вызывает изменение значений множества других переменных показателей системы. Другими словами математическая модель системы должна быть достаточно сложной.

Система является полуавтоматической. Это означает, что часть функций системы выполняется автоматами, а часть – человеком.

Входные воздействия системы имеют стохастическую природу (случайные по уровню воздействия). (Например, поставки деталей на производственную конвейерную линию могут оказаться неритмичными).

Инструментальная база системотехники математизирована и включает в себя 7 : «…общую теорию систем, линейную алгебру и

* Термин «системотехника» в настоящее время не имеет общепринятого определения. Этот термин используют для характеристики общего подхода к синтезу технических систем, а также определяют как «базовую теорию разработки технических объектов». Системотехника рассматривается как попытка комплексного теоретического обобщения средств технических наук, используемых для создания (проектирования) сложных технических систем.

29

матрицы, топологию, теорию комплексного переменного, интегральные преобразования, векторное исчисление, дифференциальные уравнения, математическую логику, теорию графов, теорию цепей, теорию надежности, математическую статистику, теорию вероятности, линейное, нелинейное и динамическое программирование, теорию регулирования, теорию информации, кибернетику, методы моделирования и оптимизации, методологию проектирования систем, применение инженерных моделей, проектирование, анализ и синтез цепей, вычислительную технику, социальноэкономические, экологические и информационно-вычислительные системы, прогнозирование, исследование операций и т.д.».

При этом уместно отметить следующее. Математические методы расширяют «поле ведения»; однако необходимо помнить, что достоверность результатов зависит не столько от математического аппарата, сколько от тех конкретных посылок, на которых он разработан. Об этом образно сказал Т. Хаксли: «Математика, подобно жернову, перемалывает то, что под него засыпают, и, как, засыпав лебеду, вы не получите пшеничной муки, так исписав целые страницы формулами, вы не получите истины из ложных предположений».

3.1.3. Конвергенция является последней ступенью процесса разработки технического объекта. Она наступает тогда, когда концептуальная (принципиальная) схема объекта (системы) определена и необходимо шаг за шагом разрешать второстепенные противоречия, возникающие при разработке конструкций изделий и компонентов, образующих выбранный вариант системы до тех пор, пока в каждом случае не будет получено окончательное решение. Это единственная ступень проектирования, которая практически полностью поддается логическому анализу и во многих случаях может быть выполнена на ЭВМ. Эта ступень соответствует этапу конструирования.

Конструирование – это разработка конструкции изделия, которая затем материально реализуется при его изготовлении на производстве. Конструирование машин, приборов, аппаратов и других устройств (частей) технической системы ведется исходя из основных показателей этих устройств, полученных в результате расчетов и обоснований по системе в целом (ступень – трансформация). К таким показателям устройства чаще всего относятся: геометрические размеры (например, габаритные), масса устройства, характе-

30