Стратегии проектирования

Заранее заданные, или готовые стратегии поиска решений задач проектирования жестко зафиксированы заранее, подобно программам ЭВМ. Они больше подходят для проектирования в знакомых ситуациях, чем для новаторской деятельности, т.е. для объединения или модернизации существующих конструкций, а не для изобретения новых изделий. Значительная доля работы по проектированию совершается по предсказуемой схеме и, следовательно, может быть выполнена на ЭВМ.

В идеале заданная стратегия должна быть линейной, т.е. состоять из цепочки последовательных действий, в которой каждое действие зависит от исхода предыдущего, но не зависит от результатов последующих действий (рис. 6.1).

Рис. 6.1 Линейная стратегия

Если после получения результатов на одной из стадий приходится возвращаться к одному из предыдущих этапов, стратегия становится циклической. Встречаются случаи, когда две или несколько петель обратной связи охватывают друг друга, как показано на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Циклическая стратегия

Такая схема с петлями характерна для многих программ для ЭВМ. Самой страшной опасностью для проектировщика в этом случае становится бесконечная петля, или "порочный круг", из которого не удается выбраться иначе, как изменив структуру задачи.

Когда действия проектировщика не зависят одно от другого, может иметь место разветвленная стратегия (рис. 6.3). В эту стратегию могут входить параллельные этапы, очень выгодные в том отношении, что позволяют увеличить количество людей, одновременно работающих над задачей, и конкурирующие этапы, которые позволяют в определенной степени видоизменять стратегию в соответствии с исходом предыдущих этапов.

Рис. 6.3. Разветвленная стратегия

Адаптивные стратегии (рис. 6.4) отличаются тем, что в них с самого начала определяется только первое действие. В дальнейшем выбор каждого действия зависит от результатов предшествующего действия. В принципе это самая разумная стратегия, поскольку схема поиска всегда определяется на основе наиболее полной информации. Ее недостаток состоит в невозможности предвидеть и контролировать затраты и сроки выполнения проекта. Многие предпочитают применять адаптивную стратегию, поскольку она позволяет полностью использовать способность человека "импульсивно" совершать правильные действия.

Рис. 6.4 Адаптивная стратегия

Надежным, но ограниченным вариантом адаптивного поиска является стратегия приращений (рис. 6.5). Эта осторожная стратегия составляет основу традиционного проектирования, особенно в тех отраслях промышленности, которые базируются на ремесленном производстве; кроме того, на ней основаны многие методы автоматической оптимизации. Суть адаптивного поиска методом приращений заключается в последовательное изменение по одной переменной за каждый шаг.

Рис. 6.5. Стратегия приращения

При поиске методом приращений имеется риск пропустить хорошие решения, когда приращения слишком велики, и не охватить всего поля поиска, когда они слишком малы.

Случайный поиск, отличающийся абсолютным отсутствием плана (рис. 6.6), в некоторых случаях оказывается наилучшим методом. Эта на первый взгляд неразумная стратегия пригодна тогда, когда необходимо найти множество отправных точек для независимого поиска в широком поле неопределенностей. При выборе каждого этапа сознательно не учитываются исходы остальных этапов, что придает поиску предельно непредубежденный характер. Метод случайного поиска используется в новаторском проектировании, когда неразумно пренебрегать ни одним из внесенных предложений, пока не будет собрана дополнительная информация. Примером может служить поиск способов применения нового синтетического материала. Интересно отметить, что в большинстве попыток создания "машинного интеллекта" важная роль отводится "генератору случайных чисел".

Рис. 6.6. Случайный поиск

Цикличность

Основной целью методологии проектирования является уменьшение цикличности и увеличение линейности проектирования. Наличие цикличности предполагает, что важнейшие частные задачи остаются незамеченными до поздних этапов работы, а когда они обнаруживаются, требуется пересмотр решений, положенных в основу проекта, или даже полное прекращение работы. Линейность же предполагает, что все важнейшие проблемы можно обнаружить с самого начала, а риск того, что на более поздних этапах большие затраты труда разработчиков придется списывать в убытки почти или совсем исчезает.

Полной линеаризации всякой разработки мешает непредсказуемость зависимостей между отдельными частями задачи. Схема зависимостей между подпроблемами одной задачи носит непостоянный характер и находится в зависимости от выбора частных решений каждой подпроблемы. В таких случаях структура задачи остается неустойчивой до тех пор, пока не будут приняты принципиальные решения по проекту.

Иногда становятся беспочвенны попытки специалистов по теории решений находить решение задач проектирования путем однократного прохода по такой линейной последовательности:

1) выявление всех существенных переменных;

2) определение зависимостей между ними;

3) обеспечение оптимальных значений выходных параметров.

Основной недостаток такого подхода.

Уже сам процесс выявления переменных (куда входит определение целей и критериев для отбора хороших проектов), очевидно, представляет собой один из труднейших вопросов проектирования. Его трудность связана с тем, что цель проектирования — внедрить в существующий мир новые формы, которые тем или иным способом служили бы его совершенствованию. Однако суждение о том, в чем заключается совершенствование, на первых порах не может не быть произвольным и субъективным. Только после того, как исследованы возможности осуществления многих альтернативных изменений, можно с четкостью, достаточной для расчетов по методам "прозрачного ящика", определить цели, критерии и структуру задачи.

Сейчас применение этих детерминистских методов ограничено такими задачами, которые сводятся к внесению в конструкцию мелких изменений, в то время как структура задачи остается практически неизменной по сравнению с предшествующей конструкцией. Конечно, к этому типу на практике относится значительная часть проектных работ, но в него не входят поисковые работы и создание конструкций на основе новых принципов.

Важнейшим достоинством методов "прозрачного ящика" является то, что они позволяют автоматизировать, а следовательно, и ускорить детальные и многократно повторяющиеся операции проектирования.

Если же их использовать для создания действительно новых конструкций, исчезает гибкость, необходимая для исследования неопределенной задачи и циклических петель.

Линейность

Можно ли рассчитывать, что не только типовые, но и поисковые задачи удастся решать линейными способами? Перспективными в этом отношении представляются следующие два направления.

1. Первое направление заключается в том, чтобы превратить разрабатываемое изделие в конструкцию поточного (или сборного) типа, т.е. сначала спроектировать взаимозаменяемые нормализованные узлы для каждой существенной функции. При этом все зависимости и расхождения между общей схемой изделия и конструкцией отдельных узлов сводятся к небольшому числу точно предсказуемых и неизменных правил соединения одного нормализованного узла с другим. В результате появляется возможность, используя методы "прозрачного ящика", создать большое количество новых изделий, не задумываясь над конструкцией самих узлов.

Куда же в таком случае делась пресловутая цикличность? Она не исчезла. Она появляется на более высоком уровне при разработке нормализованных узлов и правил их соединения. Эта нерасчленимая операция намного сложнее, чем разработка отдельных изделий, и в настоящее время в ее осуществлении, по-видимому, основную роль играет чудо "черного ящика" и одаренность проектировщиков.

2. Второе направление в обеспечении линейности проявляется в адаптивных стратегиях. Общим для этих методов является то, что разработка по методу "прозрачного ящика" предваряется или сопровождается проведением исследований на более высоком уровне. Задача этих исследований заключается в том, чтобы научными способами расширить и предсказать "пространство маневрирования" проектировщика при решении наиболее важных подпроблем.

Примером исследований подобного рода может служить испытание различных вариантов наборного телефонного кода до того, как приступить к конструированию автоматической телефонной станции. Исследование в этом случае можно рассматривать как этап прогнозирования, в котором методами "прозрачного ящика" определяется диапазон возможных выходов на каждом этапе до того, как этот этап осуществлен.

Само собой разумеется, что, если в принятой последовательности этапов, выполняемых методами "прозрачного ящика", обнаружится несоответствие между выходом какого-нибудь этапа и входом следующего этапа, неизбежно придется прибегнуть к цикличности и обратному прослеживанию зависимостей.

Ясно, что при обеспечении линейности вторым способом разработка ведется в обратном порядке по сравнению с обычным, т.е. от внутреннего к внешнему, а не от внешнего к внутреннему, как при обычной разработке, которая идет от описания основных характеристик изделия к деталировке его конструкции. Это позволяет обойти невыполнимое требование теоретиков проектирования, согласно которому прежде чем рассматривать детали следует определить цели и критерии.