Алгоритм функционально-структурного подхода

В монографии [9] были выделены основные фазы эволюционного синтеза системы — алгоритм, сформулированные применительно к области интересов автора — электронным системам. Но, по сути, этот алгоритм применим и к другим областям техники (см. часть 2, глава 9, п.9.4), в том числе и для активного поиска конструкторских решений.

Алгоритм сводится к последовательности операций:

1. Анализ систем-прототипов включает: выяснение основных и дополнительных функций; построение обобщенного дерева функций; выявление базовых структур; анализ принципов технической реализации.

2. Исследование дерева противоречий системы включает: анализ «узких» мест систем-прототипов; выявление ограничивающих факторов и основного противоречия системы; построение дерева противоречий системы и его анализ.

3. Формирование концепций системы включает: анализ влияния способов преодоления противоречий системы; поиск альтернатив технической реализации системы; разработку технического задания на систему; определение совокупности показателей качества системы.

4. Формирование дерева функций системы включает: определение множества основных и дополнительных функций; определение числа уровней декомпозиции и декомпозицию функций системы; выявление набора типовых операторов; отображение функций предыдущего уровня на множество операторов; трансформацию дерева функций.

5. Формирование функциональной структуры системы включает: анализ методов аппаратной и программной реализации; разработку алгоритмов функционирования системы; анализ связей операторами различных уровней; построение временных диаграмм активности операторов соответствующего уровня; определение загрузки ресурсов подсистемы; эквивалентные преобразования операторов; формирование функциональных модулей; выбор базовых функциональных структур; выделение типовых функциональных подсистем.

6. Формирование морфологической структуры системы на основе конструктивных модулей включает: выбор технических средств для реализации системы; формирование таблиц соответствия функциональных и конструктивных модулей, обоснование разработки оригинальных технических средств; преобразование элементов (подсистем) функциональной структуры; покрытие функциональных подсистем конструктивными модулями, а также конструктивных модулей высокого уровня и альтернативных вариантов системы; анализ достоинств функционирования системы.

7. Оценка показателей качества и выбор окончательного варианта системы включает: выбор стратегии сравнительного анализа вариантов системы и методики оценки показателей качества системы; анализ показателей качества системы; формирование документации на системы.

К этому необходимо добавить: если полученные результаты неудовлетворительные, необходим возврат к повторению этого алгоритма на новом витке развития (активного поиска).

Вдумчивый конструктор обратит внимание не только на важность и ответственность постановки проблемы и ее поисковой формулировки, т. е. на работу, предшествующую использованию данного алгоритма, но и на этап формирования концепции системы как на коренной момент алгоритма. Хочется подчеркнуть следующее. В концепцию создаваемой системы желательно закладывать такие прогрессивные идеи, которые обеспечивали бы повышение ее эффективности в несколько раз, т. е. создать запас, резерв возможностей. Тогда при решении последующих вопросов низкого уровня можно «пожертвовать» несколькими процентами из этого резерва эффективности, чтобы быстрее и с меньшими затратами осуществить практическую доводку и внедрение системы.

Приведем пример, связанный с постановкой задачи. С целью повышения несущей способности свай под фундамент было предложено обычную прямоугольную форму заменить на клиновидную. Проблема сформулирована так: определить такой угол клиновидной сваи, при котором несущая способность (нагрузка) была бы наибольшей. Казалось бы, все верно. Но была предложена другая формулировка задачи: определить такую форму сваи, при которой ее несущая способность была бы наибольшей. Вторая формулировка, конечно, включает первую, но при этом раскрывает и другие пути конструкторского поиска.

Так вот, при формировании концепции системы на функциональном уровне надо заботиться о том, чтобы не потерять многообразные возможности структурной организации, т. е. здесь четко должны реализовываться черты функционально-структурного подхода (одна и та же функция может быть реализована различными структурами).

Алгоритм функционально-структурного подхода направлен на выявление (вскрытие) и преодоление противоречий разных уровней.

1. Основное противоречие системы связано с постановкой проблемы. Оно вскрывается на основе анализа систем-прототипов и потребности, составляет основу дерева противоречий системы и далее просматривается от этапа формирования системы до оценки конечного результата. Если основное противоречие преодолено, то и проблема решена. Но относиться к этому надо диалектически, помня о том, что преодоление одних противоречий порождает другие, т. е. при решении одних проблем возникают другие, и опытный исследователь должен их видеть, предусмотреть и оценить заранее. Одним из примеров такого рода в строительной механике может служить противоречие между используемой моделью (расчетной схемой) и реальной системой. Это противоречие —неисчерпаемый источник развития механики.

2. Противоречие структурного уровня проектирования (структурного синтеза системы) — это противоречие между функциональной полнотой и требованиями минимизации системы.

Требования минимальной структуры — это стремление к построению системы из минимального числа элементов органической номенклатуры. Здесь возникает новое противоречие, связанное с проблемами унификации и типизации элементов, на которые делится система. Какие и сколько элементов целесообразно унифицировать, чтобы из них синтезировать систему. В этой задаче необходимо учесть многие требования и ограничения технологии изготовления конструктивных элементов, удобство их транспортирования и монтажа, надежности в процессе эксплуатации.

Иными словами, здесь всегда стремятся к тому, чтобы система была наиболее простой, но при этом наиболее полно удовлетворяла потребности.

3. Противоречия этапа логического проектирования связаны, с одной стороны, с непрерывным расширением функциональных возможностей системы (с эволюцией функций) и, с другой стороны, с числом элементов и количеством их типов, составляющих логическую структуру системы (с эволюцией технологии).

4. Основное противоречие этапа технического проектирования связано с функциональными возможностями разрабатываемых элементов и сложностью их структуры. Что выгоднее: синтезировать систему из большого числа простых элементов или небольшого числа сложных. Примером преодоления данного противоречия является разработка сборных сталежелезобетонных конструкций из унифицированных элементов для серии пролетов (см. ч. 2, гл. 9).

5. Основные противоречия этапа конструктивно-технологического проектирования возникают между функциональными возможностями блоков (конструктивных модулей) системы и конструктивно-технологическими ограничениями их реализации.