Методы проектирования технических систем

Эти методы непрерывно совершенствуются в соответствии с развитием и усложнением как объектов проектирования, так и средств проектирования, включая ЭВМ, испытательные средства и т.д. В частности, в настоящее время все более актуальной становится задача развития новых методов автоматизированного проектирования на базе ЭВМ в виде САПР.
Напомним коротко историю развития методов проектирования. Первые методы проектирования – это методы создания изделий кустарями и ремесленниками (кустарный промысел). Ремесленник создавал свои изделия (телега, лодка, изба, храм и т.п.) без чертежей и эскизов. И хотя здесь, конечно, тоже происходило совершенствование методов создания различных изделий, все они имеют следующие общие черты:
- отсутствие чертежей и эскизов;
- решения отрабатываются непосредственно в процессе изготовления изделия (метод проб и ошибок);
- хранилищем информации об изделии является оно само, навыки ремесленников и иногда некоторые технологические приспособления (лекала и т.п.).
Сегодня основным методом проектирования является чертежный метод, при котором создаются сначала чертежи изделия, а затем по ним осуществляется его изготовление. Такое проектирование с использованием чертежей появилось в XVIII веке. В России преподавание чертежей было введено в технических школах Петром I. Именно такую школу окончил, в частности, И.И.Ползунов. Особенности чертежного метода:
- Создание проекта изделия отделено от его изготовления. Это позволяет, во-первых, «экспериментировать» на чертежах, а не насамом изделии и, во-вторых, осуществлять разделение труда разработчиков и изготовителей с отделением их друг от друга.
- Резко возросшие благодаря такому разделению труда темпы создания и изготовления изделий.
- Возможность создания изделий, которые принципиально не могут быть созданы одним ремесленником (большие суда, здания и т.п.).
Именно на этом этапе появились такие профессии, как проектант, конструктор, расчетчик, испытатель и т.д.
Наряду с указанными прогрессивными особенностями чертежный метод проектирования имеет существенный недостаток, ограничивающий области его применения. Речь идет о том, что над чертежом всего изделия в начальный период его создания, по-прежнему, работает только один человек. Как раньше ремесленник, он сначала вынашивает идею и общий вид изделия, а затем переносит все это на бумагу. Только после этого возможно подключение других специалистов. Это не позволяет привлекать несколько умов к наиболее ответственному и творческому этапу работы и поэтому ограничивает не только сроки и технический уровень разработок, но и, что имеет принципиальное значение, степень сложности изделий, которые могут быть созданы таким методом, основанном в значительной степени на знаниях и опыте одного человека.
Последнее обстоятельство является одной из основных причин поиска новых методов проектирования, основанных на коллективном творчестве. Для этого, по-видимому, необходимо, во-первых, чтобы руководитель проекта, поскольку такая личность во всех случаях должна сохраниться, стал как бы «мыслить вслух», чтобы другие специалисты могли следить за его мыслями и принимать участие в творческом процессе. Во-вторых, необходимо получить возможность уже на этом этапе разбивать сложные задачи на более простые, решаемые параллельно. Определенный опыт создания и применения новых методов проектирования такой направленности уже имеется, однако эта проблема находится еще в стадии решения, а основным методом проектирования,по-прежнему, остается пока чертежный метод.
Дадим краткую характеристику некоторым из таких новых методов проектирования, которые появились и развиваются в рамках традиционного чертежного метода, имея целью преодоление указанного его недостатка. Все эти методы можно разбить на две группы – алгоритмические и эвристические.
Алгоритмические методы – это формализованные методы, доведенные до математических алгоритмов процедуры проектирования. К ним относятся методы:
- морфологических карт;
- графов зависимостей;
- сеток связей;
- «через разделение к целому»;
- элементарных комбинаций;
- исключения избыточности;
- структурных карт;
- феноменологических и математических моделей;
- прямой минимизации при косвенном ограничении;
- сложной оптимизации и др. Метод морфологических карт имеет целью расширить область поиска решений. Последовательность действий по этому методу такова:
- определяется перечень максимально независимых функций, которые должно выполнять изделие;
- составляется перечень возможных технических реализаций каждой из этих функций в виде таблицы – морфологической карты, в первом столбце которой перечисляются функции, а в каждой строчке – способы их осуществления.
Если для каждой функции выбрать какое-нибудь одно наиболее приемлемое решение, то их совокупность даст одно из возможных решений задачи в целом. В таблице этому решению будет соответствовать последовательность клеток сверху вниз, соответствующих выбранным решениям для отдельных функций. Таким образом может быть синтезировано несколько возможных решений, из которых затем надо выбрать наилучшее. На этой же карте показываются и уже существующие решения задачи как прототипы, если они известны. При выборе частных решений для отдельных функций учитывается необходимость их совместимости, а также техническая эффективность (стоимость, массогабаритные характеристики и т.д.).
Общее число теоретически возможных решений, охватываемых этим методом, может быть очень велико:так, например, таблица из 10 строк и 10 столбцов содержит 10 миллиардов комбинаций. Это и является, как сказано выше, основной целью метода морфологических карт – максимально расширить области поиска.
Для сложных комплексов, состоящих из нескольких технических систем метод морфологических карт, может иметь развитие в виде следующей двухэтапной процедуры. На первом этапе описанным выше исходным методом для каждой составляющей комплекс системы находится по несколько вариантов технических решений. На следующем этапе ищется наилучшее общее решение путем выбора тех из этих вариантов решений, которые дают возможность осуществить в наибольшей степени унификацию и объединения их функциональных компонентов.
Для этого составляется таблица, в левой колонке которой заносится перечень составляющих комплекс технических систем, а в строках справа дается перечень компонентов, соответствующих выбранным вариантам реализации каждой системы. Анализ этой таблицы позволяет выбрать наилучшие варианты технического решения для каждой системы по указанному выше критерию унификации и объединения их функциональных компонентов.
Основным критерием оптимальности при этом обычно берется стоимость. При этом обязательно должна решаться задача унификации основных компонентов систем в рамках всего их ряда. Метод дает возможность определить оптимальное число членов этого типоразмерного ряда, их характеристики и характеристики унифицированных компонентов.
Метод графов зависимостей – это графический метод построения графа поиска решения в виде «дерева решений» и применения к нему определенных правил поиска искомого пути решения. Правила эти формализованы в виде задачи на оптимум выбранного критерия качества решения (Если поиск не формализован, тогда этот метод будет относиться уже к рассмотренным ниже эвристическим методам).
Большинство других алгоритмических методов также основано на теории оптимизаций, т.е. на математических методах нахождения оптимума функций ифункционалов, выражающих критерии качества искомого решения.
Эвристические методы основаны на предпосылке, что процесс проектирования – это творческий процесс и как таковой он в принципе неформализуем и базируется на накопленном и упорядоченном в мозгу человека опыте и на интуиции. К таким методам относятся:
- метод мозговой атаки (мозгового штурма);
- метод синектики;
- метод элементарных вопросов;
- принцип «синергии»;
- метод наводящих операций и др.
Напомним наиболее известные из этих методов. Метод мозговой атаки имеет основной целью осуществить генерацию возможно большего числа идей по решению поставленной задачи для их последующего анализа. Он может применяться на всех стадиях проектирования.
Основные этапы этого метода:
- Отбирается группа лиц для генерации идей.
- Устанавливается для них основное правило: не критиковать идеи друг друга, а подхватывать их, максимально развивая и комбинируя.
- Участники разбиваются на несколько групп, члены которых за несколько минут записывают на карточках свои идеи по решению поставленной задачи. Затем эти идеи читаются вслух. При этом участники на своих карточках записывают появившиеся под влиянием услышанного новые идеи.
- Проводится классификация и оценка всех идей. Главную ценность при этом представляют не сами конкретные идеи, а выявленные новые направления поиска.
- Результаты передаются специалистам по данной проблеме для анализа и дальнейшего поиска в предложенных направлениях.
Метод синектики заключается в поиске новых идей путем стимулирования спонтанной деятельности мозга на основе использования аналогий. Для этого формируется группа специалистов разных профессий (группа синектики), которая в порядке свободных бесед, направляемых руководителем группы, генерирует всевозможные аналогии требуемому изделию – прямые (например, из биологических систем), субъективные (путем представления себя или частей своего тела в роли изделия и т.п.), символистические, абстрактные,фантастические. Конечным результатом работы группы должен быть образ, макет изделия. Обычный срок существования группы – несколько недель.
Довольно часто разработчик сталкивается с тупиковыми ситуациями, когда область поиска, в которой он ищет решение, не дает приемлемого решения.

Для выхода из подобных положений предложен ряд методов преодоления тупиковых ситуаций. Все они могут быть сведены к следующим трем типам методов:
- правила преобразований, применяемые к полученному неудовлетворительному решению;
- поиск новых взаимосвязей между частями неудовлетворительного решения;
- переоценка проектной ситуации.
Пример метода первого типа: записываются новые синонимы к словам, определяющим имеющееся неудовлетворительное решение, и на их основе ищутся новые идеи. Пусть, например, стоит задача поиска способа быстрой ликвидации луж на тротуаре после дождя. Возьмем заведомо неудовлетворительное решение – дожидаться их естественного испарения и запишем различные синонимы для ключевого слова «испариться»: скрыться, улетучиться, рассосаться, исчезнуть, выветриться и т.д. Каждое из этих слов может натолкнуть на новые идеи решения задачи: слово «скрыться» – на решетчатое или перфорированное покрытие тротуара, слово «улетучиться» – на отсасывание воды уборочной машиной, «рассосаться» – на использование пористого покрытия, «выветриться» – сдувание сжатым воздухом и т.д.
Суть второго метода поиска новых взаимосвязей – в переборе совокупностей отдельных частей изделия с целью поиска возникающих при этом ассоциаций для новых решений. Например, при решении задачи усовершенствования телефонного аппарата следует рассмотреть попарно его части с целью выяснения возможностей их установки друг в друга, перемены местами, объединения и т.д.: трубка и наборный диск, микрофон и наушник, шнур и наборный диск, рычаг и наушник, наконец, весь аппарат и столик, на котором он должен стоять. В результате может возникнуть большое количество комбинаций дляизобретения новых вариантов телефонных аппаратов.
Пример метода переоценки проектной ситуации: разработчик пишет предложение, выражающее суть тупика, в который он попал, и ищет синонимы употребленных при этом понятий, которые могут вызывать новые идеи для решения задачи.
Другой вариант этого метода – возврат к основной первичной функциональной потребности, которая должна быть удовлетворена, с целью поиска новых решений, свободных от недостатка ранее выбранного варианта, который привел к тупиковой ситуации. Например, при проектировании туннелей для автотранспорта возникает проблема отвода выхлопных газов, которая может привести в тупик. Однако, если вместо решения этой проблемы вернуться к первоначальной задаче туннеля и в ее рамках поискать решение, свободное от этой проблемы, можно, например, предложить транспортировку автомашин на платформах, работающих на двигателях, не выделяющих вредных газов.
Практика создания новой техники и изобретательства накопила большое количество методик и отдельных приемов решения инженерных задач наряду с перечисленными выше. Этот опыт получил сравнительную оценку и обобщения в литературе, в том числе в учебной. Для инженеров-творцов новой техники – это важнейший источник профессиональной подготовки.
Мы рассмотрели современное состояние и тенденции развития методов проектирования технических систем. Следующий принципиальный шаг в развитии этих методов связан с автоматизацией проектирования процесса на основе применения ЭВМ, т.е. с САПР, и переходом в перспективе к безбумажному проектированию. Дальнейший шаг в этом направлении – это объединение на основе сквозной системы электронной документации САПР с гибкой автоматизацией производства в единую систему гибкого автоматизированного производства (ГАП).

Заключение

В данной работе были рассмотрены проектирование, как сфера деятельности, его эволюция и некоторые особенности. Кроме того, были описаны модели проектирования технических объектов («черный», «белый» и«серый» ящики).
В заключение повторим общий порядок методического обеспечения задачи проектирования технических систем. Он включает три этапа:
1) Постановка общей задачи проектирования.
2) Разработка общего плана, т.е. стратегии проектирования.
3) Выбор методов решения. Этап постановки задачи включает формулировку задачи проектирования, ее анализ и поиск возможных путей решения.
Формулировка задачи заключается в составлении перечня и описании функций создаваемой технической системы, а затем технических требований к ней.Анализ задачи предполагает определение компонентов задачи, т.е. заданных параметров (внешние условия и т.д.), варьируемых параметров, подлежащих определению разработчиком, и диапазонов их возможных изменений, т.е. их ограничения.
Поиск путей решения задачи включает:
- поиск существующих технических систем, пригодных для выполнения заданных функций, в том числе и при условии доработки этих систем;
- поиск существующих технических систем, которые могут служить аналогами создаваемой системы;
- выработку на этой основе путей решения задачи создания требуемой системы.
Второй этап разработки общего плана проектирования заключается в создании укрупненного плана решения задачи проектирования на основе использования известных типов стратегий. Для этого путем анализа функций системы осуществляется ее разбиение на части, которые затем делятся на еще более мелкие части и т.д. На этой основе путем наложения связей на части системы и введения внешних воздействий осуществляется синтез структуры системы.
На базе синтезированной схемы системы производится разработка плана ее создания, т.е. общей стратегии проектирования в виде совокупности типовых стратегий.
Третий этап выбора методов решения выполняется отдельно для каждого этапа проектирования. В результате получается совокупность методов проектирования системы в целом. На этой основе далее осуществляется сам процесс проектирования в виде синтеза вариантов создаваемойсистемы и выбора из них оптимального.

Список использованной литературы

1. В.Г.Горохов, В.М.Розин - Философия техники: история и современность. – М., 1997. – 283 с.
2. http://society.polbu.ru/engineering_philosophy/ch19_all.html
3. А.Г.Раппапорт - Проектирование без прототипов // Разработка и внедрение автоматизированных систем в проектировании (Теория и методология). — М.: Стройиздат, ЦНИПИАСС, 1975. — С.299—392
4. Перси Хилл - Наука и искусство проектирования: Методы проектирования, научное обоснование решений. (The Science of Engineering Design, 1970) Перевод с английского Е.Г.Коваленко. Под редакцией В.Ф.Венды.(М.: Мир. Редакция литературы по новой технике, 1973)
5. http://www.bibliotekar.ru/filosofiya/84.htm
6. http://www.ngpedia.ru/id582278p1.html
7. Становление и развитие технических наук Б. И. Иванов, В. В. Чешев; Отв. ред. С. В. Шухардин. Л. Наука. Ленинградское отделение 1977, 261 с.
8. http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_philosophy/8937/
9. А. В. Розенберг «Философия архитектуры», военная типография РККА 1923 год
10. Григорьев Э.П. Теория и практика машинного проектирования объектов строительства. М. Стройиздат. 1974г. 207с
11. http://ref.rushkolnik.ru/v16012/?page=2
12. http://www.gumer.info/bibliotek_Buks/Science/bond/04.php
13. http://www.feip.ru/main/p/447-metody-proektirovanija-tekhnicheskikh-sistem..html
14. http://www.treko.ru/show_dict_210
15. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%B2%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0
16. http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/61d0f183-4991-11dc-8314-0800200c9a66/1-istori.htm
17. http://www.grandars.ru/student/marketing/sinektika.html
18. http://www.planerka.info/item/Likvidaciya-tupikovyx-situacij
19. http://victor-safronov.narod.ru/systems-analysis/lectures/zhivickaya/05.html