Сучасні стратегії проектування

Упорядкований пошук:

Ціль упорядкованого пошуку полягає в тому, щоб виключити можливість довільного вибору й визначити логічний шлях, що веде від вихідних припущень до оптимального або хоча б «прийнятного» рішення, такого, що не порушувало би прийнятих обмежень і залежностей.

Порядок дій:

виявити компоненти завдання:

змінні, з якими проектувальник може розпоряджатися за своїм розсудом (фактори рішення або параметри проектування);

змінні, які не залежать від волі проектувальника (фактори навколишнього середовища або незалежні змінні);

змінні, які повинні визначатися проектом (змінні мети або залежні змінні);

призначення цілям ваги відповідно до їхньої відносної важливості;

виявити залежності між змінними;

виявити обмеження або граничні умови, тобто граничні значення всіх змінних;

присвоїти числові значення кожному факторові;

вибрати найкращі значення.

Рисунок 2.5. Упорядкований пошук

Упорядкований пошук (рис. 2.5) можна застосувати, якщо:

можливе визначення змінних (тобто можна уявити собі структуру завдання);

структура завдання сама по собі стабільна (тобто не прийде переглядати в результаті раптового «осяяння» або після того, як у процесі проектування буде отримана нова інформація);

змінні настільки конкретні, що піддаються виміру;

є технічні можливості й час для проведення пошуку дуже великого обсягу, наприклад, з використанням ЕОМ.

Метод упорядкованого пошуку застосуємо тільки при рішенні таких завдань проектування, у яких хід рішення не може змінити вихідних припущень, основні фактори чітко визначені, структура завдання стійка, а оригінальність проекту не є метою. Застосовність цієї методики залежить від того, наскільки чітко визначена границя між проектованим об'єктом і навколишнім його середовищем.

Приклад: знайти оптимальні значення перекладу тягових підстанцій на диференційовані тарифи. При цьому виробляється пошук рішення для кожної підстанції окремо з наступним збором вектора перекладу.

Вартісний аналіз:

План дій:

установити стандарти технічних характеристик і якості;

зробити калькуляцію;

ідентифікувати однозначно всі елементи;

знайти найбільш дешеву альтернативу з подібними властивостями;

відібрати найкращий варіант;

Перед тим, як приступити до виробництва виробу зниженої собівартості, необхідно представити результати вартісного аналізу на схвалення:

консультантам по вартісному аналізу;

конструкторському бюро;

адміністрації.

Вартісний аналіз - це заздалегідь розгалужена стратегія проектування виробу, спрямований на зниження собівартості за рахунок знаходження дешевих способів здійснення кожної з істотних функцій. Застосування вартісного аналізу дозволяє прискорити й розширити обмін ідеями між всіма особами, які в силу займаного ними положення можуть судити про собівартість і виявляти шляхи її зниження (рис. 2.6). Метод значно підвищує темпи й рівень освоєння кожною організацією способів зниження собівартості виробу.

При застосуванні цього методу можна розраховувати на середнє зниження собівартості виробу в цілому на 10 - 20 %, а для окремих деталей, які визнаються необов'язковими або надмірно ускладненими економія виявляється набагато більшою.

Рисунок 2.6. Вартісний аналіз

Вартісний аналіз застосовують до будь-якого виробу, для якого вдається:

точно визначити функцію і якість кожного елемента;

установити «вартісну оцінку» кожної функції шляхом визначення цін, які довелося б заплатити за інші пристрої, здатні виконати цю функцію;

розрахувати точну вартість кожного покупного виробу й кожної технологічної операції.

Приклад: заміни в контактній мережі мідного несучого троса на ПБСМ (при можливості збереження колишніх характеристик системи).

Системотехніка:

Мета - домогтися внутрішньої сумісності між елементами системи й зовнішньої сумісності між системою й навколишнім середовищем.

План дій:

визначити вхідні й вихідні параметри системи;

знайти потрібну систему функцій, за допомогою якої вхідну інформацію можна перетворити у вихідну (рис. 2.7);

знайти виконання ля кожної із цих функцій;

перевірити на внутрішню й зовнішню сумісність.

Рисунок 2.7. Системотехніка

Методика найбільш ефективна тоді, коли основна частина завдання складається у відшуканні способу з'єднання готових нормалізованих вузлів у працездатну систему. Вона особливо зручна, коли вибір блоків або їхня детальна розробка передається субпідрядникам.

Приклад: конвейєр (кожний блок виготовляється окремо, і тільки потім комплектний виріб збирається по встановлених розмірах і нормам).

Система «людина-машина»:

Різновид системотехніки. Ціль - домогтися внутрішньої погодженості між людськими й машинними компонентами системи й зовнішньої погодженості між системою й середовищем, у якій вона функціонує.

План дій:

визначити вхідні й вихідні параметри системи;

знайти потрібну систему функцій, за допомогою якої вхідну інформацію можна перетворити у вихідну;

знайти виконання ля кожної із цих функцій і розділити їх для людини й машини (рис. 2.8);

визначитися, які зміни необхідно внести, щоб забезпечити сумісність між людиною, машиною й середовищем.

Рисунок 2.8. Система «людина-машина»

Методика проектування систем людина - машина може знайти застосування при розробці будь-яких великих комплексів машин, а також при розробці таких систем, як бібліотеки, системи обслуговування пасажирів, підготовка телевізійних програм і управлінська діяльність.

Важливо врахувати ергономічні міркування ще до того, як будуть прийняті які-небудь рішення про фізичні аспекти системи.

«Простір маневрування», необхідний для одержання оптимальних результатів ергономічних досліджень, досить великий, але використати його звичайно вдається тільки після того, як в організації робіт із проекту будуть зроблені відповідні зміни, наприклад, коли начальник відділу кадрів і головний конструктор будуть підлеглі керівникові системи людина - машина.

Одна з незаперечних переваг проектування людських аспектів системи паралельно, а не послідовно з розробкою устаткування полягає у тому, що при цьому різко скорочується проміжок часу від моменту ухвалення рішення про початок проектування до моменту, коли починається ефективна робота системи. Крім того, у цьому випадку поступовий еволюційний перехід від однієї конструкції до іншої методом проб і помилок змінюється швидкою розробкою устаткування під впливом паралельного дослідження реакцій споживача.

Пошук границь:

План дій:

опис вимог границь;

визначення інтервалу значень (рис. 2.9);

вибір рішення з урахуванням границь.

Область застосування:

а) східчастий пошук (пошук методом збільшень);

б) моделювання;

в) пошуки границь замість оптимальних або єдиних прийнятних значень застосовні при рішенні багатьох завдань проектування.

Приклад: розрахунок навантажень при заданих максимальних і мінімальних значеннях.

Рисунок 2.9. Пошук границь

Приклад розрахунку з використанням стратегії:

В районі контактної мережі (ЕЧК) працюють монтери розрядів 1 і 2.

Норма виробітку бригади за 8 - вартовий робочий день становить не менше, ніж 1800 виробів. Монтер розряду 1 збирає 25 затискачів у годину, причому не помиляється в 98% випадків. Монтер розряду 2 збирає 15 затискачів у годину; його точність становить 95%. Заробітна плата монтера розряду 1 дорівнює 4 грн. у годину, монтер розряду 2 одержує 3 грн. у годину. При кожній помилці монтера монтажна бригада несе збиток у розмірі 2 грн. ЕЧК може використати 8 монтерів розряду 1 і 10 монтерів розряду 2. Керівництво ЕЧК хоче визначити оптимальний склад бригади, при якому загальні витрати на монтаж будуть мінімальні.

Розробка моделі. Нехай x₁ і x₂ позначають кількість монтерів розрядів 1 і 2 відповідно. Число монтерів кожного розряду обмежено, тобто є наступні обмеження:

x₁£ 8 (розряд 1),

x₂ £ 10 (розряд 2).

Щодня необхідно монтувати не менш 1800 затискачів. Тому виконується нерівність

8*25*x₁+8*15*x₂=200*x₁+120*x₂ ≥ 1800,

або 5*x₁+3*x₂ ≥ 45.

При побудові цільової функції варто мати на увазі, що витрати ЕЧК, пов'язані з роботою, включають дві складові:

зарплату монтерів

збитки, викликані помилками монтерів.

Витрати на один монтера розряду 1 становлять 4 грн+2*25*0.02=5 грн/г.

Витрати на один монтера розряду 2 рівні 3 грн+2*15*0.05=4,50 грн./г.

Отже, мінімізуємо цільову функцію, що виражає щоденні витрати на монтаж, вигляду

Z=8*(5*x₁+4.5*x₂)= 40x₁+36*x₂ à min.

Можна сформулювати наступне завдання:

мінімізувати Z=40*x₁+36*x₂

при обмеженнях:

X₁£8,

X₂£10,

5*x₁+3*x₂ ≥ 45

x₁³0, x₂³0.

Графічне рішення задачі

У цьому завданні потрібно знайти значення змінних x₁ і x₂ , що задовольняють всім обмеженням і які забезпечують мінімальне значення цільової функції. Як перший крок рішення варто визначити всі можливі ненегативні значення змінних x₁ і x₂, які задовольняють обмеженням. Наприклад, координати точки x₁=8 і x₂=10 позитивні й для цієї точки виконуються всі обмеження. Така точка називається припустимим рішенням. Безліч всіх припустимих рішень називається припустимою областю. Рішення завдання складається у відшуканні найкращого рішення в припустимій області. Краще припустиме рішення завдання називається оптимальним. У розглянутому прикладі оптимальне рішення являє собою припустиме рішення, мінімізуючу цільову функцію 40*x₁+36*x₂. Значення цільової функції, що відповідає оптимальному рішенню, називається оптимальним значенням задачі.

Для зображення припустимої області варто накреслити графіки всіх обмежень (рис. 2.10). Всі припустимі рішення лежать у першому квадранті, оскільки значення змінних ненегативні. У силу обмеження 5*x₁+3*x₂45 всі припустимі рішення (x₁, x₂) завдання розташовуються по одну сторону від прямої, описуваної рівнянням 5*x₁+3*x₂=45. Потрібну напівплощину можна знайти, перевіривши, чи задовольняє початок координат розглянутому обмеженню. Пряму 5x₁+3*x₂=45 зручно провести, з'єднуючи пари підходящих точок (наприклад, x₁=0, x₂=15 і x₁=9, x₂=0).

Оскільки початок координат не задовольняє обмеженню, потрібна напівплощина відзначена стрілкою, спрямована перпендикулярно до прямої. Аналогічним чином представлені обмеження x₁£ 8 і x₂£10. На рисунку припустима область (АВС) заштрихована. Ясно, що в припустимій області втримується нескінченне число припустимих точок. Потрібно знайти припустиму точку з найменшим значенням Z.

Рисунок 2.10. Рішення завдання

Якщо заздалегідь зафіксувати значення цільової функції Z=40*x₁+36*x₂, то відповідні йому точки будуть лежати на деякій прямій. При зміні величини Z ця пряма піддається паралельному переносу. Розглянемо прямі, що відповідають різним значенням Z, що мають із припустимою областю хоча б одну загальну точку. Початкове значення Z покладемо рівним 600. При наближенні прямої до початку координат значення Z зменшується. Якщо пряма має хоча б одну загальну точку із припустимою областю АВС, її можна зміщати в напрямку початку координат. Ясно, що для прямої, що проходить через кутову точку А с координатами х₁=8, х₂=1.6, подальший рух неможливо. Точка А являє собою найкращу припустиму точку, що відповідає найменшому значенню Z, рівному 377.6. Отже, х₁=8, х₂=1.6 - оптимальне рішення й Z =377.6 - оптимальне значення розглянутого завдання.

Таким чином, при оптимальному режимі роботи монтажної бригади необхідно використати вісім монтерів розряду 1 і 1.6 монтерів розряду 2. Дробове значення х₂=1.6 відповідає використанню одного з монтерів розряду 2 протягом неповного робочого дня. При неприпустимості неповного завантаження монтерів дробове значення звичайно округляють, одержуючи наближене оптимальне цілочислове рішення х₁=8, х₂=2.