Анализ методов проектирования

Объектом современных методов является не только сам процесс проектирования в общепринятом смысле этого слова, но и та мыслительная деятельность, предшествующая выполнению проектов. В этой связи все теоретические разработки в области проектирования можно условно разделить на три группы [5].

С точки зрения исследования творчества процесс проектирования представляет собой «черный ящик », на выходе которого возникает загадочное творческое озарение. С точки зрения логики проектирования — это «прозрачный ящик», в котором происходит логический процесс, до конца поддающийся объяснению. С точки зрения управления процесс проектирование является самоорганизующейся системой, способной отыскать кратчайшие пути на пространстве возможных проектных решений.

1.Творческий подход («черный ящик»). Немногочисленная, но авторитетная группа теоретиков проектирования (Осборн, Гордон, Мэтчел, и др.) [5] считает, что самая важная часть процесса проектирования совершается в голове проектировщика, в определенной мере неподотчетно сознанию. Отстаивая такую точку зрения, теоретики «творческого подхода» противопоставляют себя сторонникам взглядов на проектирование как на строго логический процесс.

Творческий взгляд на проектирование, в соответствии с которым проектировщик – это маг, является поэтическим описанием того, что лежит в основе действий человека и любого живого организма, обладающего нервной системой. Поэтому было бы логично считать, что управление сложными действиями осуществляется неосознанно.

Максвел Ньюман – английский математик, разработчик первого оперативного электронного компьютера – попытался понять, каким образом в нервной системе возникает все огромное многообразие выходных реакций. Он предположил, что мозг – это переменная сеть, изменяющая свою структуру в зависимости от того, какие сигналы поступают из внешнего мира. Согласно этой теории «озарение» возникает, когда такая сеть после многих неудачных попыток находит структуру, соответствующую полученным незадолго перед этим входным сигналам.

Таким образом, мозг — это полуавтоматическое устройство, способное разрешать противоречия между различными сигналами (т.е. решать задачи) путем перестройки своей структуры на основе анализа входной и хранящейся в памяти информации.

На основе принципа «черного ящика» применяются два основных метода: «мозговая атака» и «синетика» [5].

а) Мозговая атака

«Мозговая атака» — это стимулированная деятельность группы лиц, направленная на быстрое генерирование большого числа идей. При этом критика предложений запрещена. Практическая ценность мозговой атаки заключается в том, что на ранних этапах проектирования, когда структура задачи еще не ясна и не подвергалась трансформации, резко повышается скорость генерирования данных, имеющих отношение к задаче.

б) Синетика (принцип аналогий).

Цель этого метода — направить спонтанную деятельность мозга и нервной системы группы лиц практиковаться в использовании аналогий на исследование и преобразование проектной проблемы. В рамках той же концепции «черного ящика» этот метод можно рассматривать как передачу выходного сигнала «черного ящика» по цепи обратной связи снова на его вход, причем для преобразования этого сигнала используются тщательно отобранные типы аналогий.

2 Логический подход («прозрачный ящик»).

В большинстве своем методы проектирования преследуют цель описания процесса и результатов мышления. Поэтому они исходят из логических, а не каких-то мистических предположений. Считается, что процесс проектирования может быть объяснен до конца, даже если проектировщики не в состоянии убедительно обосновать каждое из принимаемых ими решений.

Логическое или систематическое поведение проектировщика напоминает работу компьютера: он пользуется только той информацией, которая в него введена, и действует по заданной схеме, проводя анализ, синтез, оценку и повторение циклов до тех пор, пока не найдет наилучшее из всех возможных решений (рис.1.1). Такое предположение лежит в основе, как методов оптимизации, так и таких системных методов как морфология и системотехника, дающих возможность решать проектные задачи «машинными» приемами.

 

ОЦЕНКА

СИНТЕЗ

АНАЛИЗ

ИНФОРМАЦИЯ                                                                                                      РЕЗУЛЬТАТ

 

Рис.1.1. Логическая схема проектирования

Методы, в которых проектировщик рассматривается как «прозрачный ящик», характеризуются следующими общими чертами:

· наличием заранее известных целей, параметров и критериев оценки;

· проведением предварительного проектного анализа;

· последовательной логической обоснованностью результатов предварительного анализа;

· наличием фиксированной стратегии, представленной определенными комбинациями последовательных, параллельных, условных и циклических операций.

Применение методов «прозрачного ящика» дает возможность расчленения или декомпозиции задачи на отдельные подзадачи, которые могут затем решать последовательно или параллельно. Это дает возможность резко сократить сроки проектирования и расширить количество участников в процессе проектирования.

3 Управленческий подход (управление стратегией)

Методы «черного ящика» и «прозрачного ящика» позволяют расширить область поиска при решении задач проектирования. Основным недостатком в обоих случаях является то, что проектировщик, вырабатывая множество альтернативных вариантов, не может их все исследовать. Он не может сделать выбор интуитивно по принципу «черного ящика» из-за опасности отбросить оригинальное нестандартное решение. Но он не может также проводить и строгое сопоставление всех вариантов из-за отсутствия четкого формализованного представления целей и критериев отбора, что необходимо для целенаправленного поиска оптимального решения.

Выходом из дилеммы, связанной с обилием нового материала и необходимостью сразу оценить его в целом, может явиться разделение работы проектировщика на две части:

· осуществление поиска наиболее подходящего варианта;

· контроль и оценкасхемы поиска (управление стратегией).

Это дает возможность вместо слепого перебора вариантов применить осознанный поиск и найти короткие пути решения проблемы, используя как внешние критерии, так и результаты частного поиска. Этот метод применим в том случае, если функция управления стратегией обеспечивает создание реальной модели, как стратегии поиска, так и внешних условий, которым должно удовлетворять создаваемое изделие.

Эта модель предоставляет каждому члену коллектива проектировщиков самому определить, насколько избранная методика поиска способна привести к приемлемому равновесию между новой конструкцией; средой, на которую она окажет влияние, и стоимостью ее разработки.

От метода управления стратегией в первую очередь требуется, чтобы он позволял связать результаты каждой части поиска с конечными целями. При этом дорогостоящие усилия на поиск проектного решения стоит затрачивать только в том случае, если «убытки от незнания превышают затраты на приобретение знаний» [5]. Такое соотношение затрат на проектирование с убытками от принятия неверного решения является одним из важнейших критериев управленияпроектнымиработами.

Обобщением наиболее известных методов проектирования является системный подход. Рассмотрим основные принципы и положения системного подхода.

Системный подход. Основные понятия, принципы и положения системного подхода.

Сам термин системный подход подразумевает необходимость рассмотрения проектируемого объекта как сложную систему, состоящую из взаимосвязанных компонентов. Как правило, в реальной жизни системный подход применяется интуитивно без обращения к теоретическим методам системного анализа. Однако в проектной работе интуитивный подход без применения правил системного анализа может оказаться недостаточным.

Основной и наиболее общий принцип системного подхода состоит в рассмотрении сложной технической системы, состоящей из частей (компонентов) с учётом их взаимодействия, а также с учетом взаимодействия всей системы с надсистемой, частью которой она является [1,5,6].

Реализация системного подхода включает в себя следующие моменты:

· выявление структуры системы, т.е. состав ее элементов и их связи между собой;

· типизацию (унификацию) её внутренних и внешних связей;

· определение атрибутов (основных признаков), характеризующих систему и ее компоненты

· анализ связей системы с надсистемой и внешней средой.

Системный подход является базой для обобщающей научной дисциплины, которая называется "Теория систем", "Общая теория систем" (другое название – "Системный анализ").Теория систем – это научная дисциплина, в которой конкретизируются положения системного подхода для исследования и проектирования сложных экономических, социальных и технических систем, прежде всего слабоструктурированных. Характерными примерами таких систем являются производственные, технические системы.

При проектировании таких систем цели проектирования достигаются в ходе многошагового, многоэтапного процесса принятия решений. Методы принятия решений изучает научная дисциплина, которая называется «Теория принятия решений». В технике дисциплину, в которой исследуются сложные технические системы, и аналогичную теории систем, называют системотехникой.

Системотехника — инженерная дисциплина, появившаяся как аналог системной инженерии — направления науки и техники, охватывающего проектирование, создание, испытание и эксплуатацию сложных систем технического и социально-технического характера. 1961 г. в СССР вышел перевод первой в мире книги по системной инженерии Г.Х. Гуда и Р.Э. Макола «System engineering». Авторы рассматривали системную инженерию как дисциплину, дающую ключ к разработке крупных, сложных, высокоавтоматизированных технических систем, впервые описав основные признаки систем большого масштаба и указав на то, что при их создании широко используются коллективные методы работы и возникают проблемы не только технического, но и организационно-управленческого характера.

Поскольку в слове системотехника в явном виде звучала «техника», термин «системотехника» довольно быстро стал использоваться в основном применительно только к техническим направлениям. Поэтому он быстро стал утрачивать первоначальный смысл междисциплинарного подхода и прикладной теории (технологии) систем, превратившись со временем в более узкое понятие из области автоматизированных систем управления (АСУ).

Предметом системотехникиявляется:

· во-первых, организация процесса создания, использования и развития технических систем,

· во-вторых, методы и принципы проектирования и исследования технических систем.

В теории систем и системотехнике используется ряд терминов, среди которых базовыми (основными) являются следующие понятия [5,6]:

Система — множество элементов, находящихся в отношениях и связях между собой. Элемент — такая часть системы, представление о которой нецелесообразно подвергать при проектировании дальнейшему членению (или разделению). Сложная система — система, характеризуемая большим числом элементов и большим числом взаимосвязей элементов. Сложность системы определяется также видом взаимосвязей элементов и наличием у неё свойств (признаков): целенаправленности, целостности, иерархичности, многоаспектности.

Целенаправленность — свойство искусственной системы, выражающее назначение системы. Это свойство необходимо для оценки эффективности вариантов системы.

Целостность — свойство системы, характеризующее взаимосвязанность элементов и наличие зависимости выходных параметров системы от параметров ее элементов. При этом большинство выходных параметров системы не является простым повторением или суммой параметров ее элементов.

Иерархичность — свойство сложной системы, выражающее возможность и целесообразность ее иерархического описания, т.е. представления в виде нескольких уровней, между компонентами которых имеются отношения целое-часть.

Очевидно, что современные автоматизированные информационные системы и, в частности, системы автоматизированного проектирования, являются сложными в силу наличия у них перечисленных свойств и признаков.

Структура системы — отображение совокупности элементов системы и их взаимосвязей. Понятие структуры отличается от понятия самой системы тем, что при описании структуры принимают во внимание лишь типы элементов и связей без конкретизации значений их параметров.

Под параметром системы понимается величина, выражающая свойство или системы, или ее части, илисреды, влияющей на систему. Обычно в моделях систем в качестве параметров рассматривают величины, не изменяющиеся в процессе исследования системы.

Параметры подразделяют на внутренние, выходные и внешние, и выражают соответственно свойства элементов системы, самой системы и внешней среды. Векторы внутренних, выходных и внешних параметров обозначают соответственно:

X = (x, x ₂,… x_n), Y = (y, y ₂,… y_m), Q = (q, q ₂,… q_k).                      (1.1)

Фазовая переменная — величина, характеризующая энергетическое или информационное наполнение элемента или подсистемы.

Состояние системы — совокупность значений фазовых переменных, зафиксированных в одной временной точкепроцесса функционирования системы.

Поведение системы (динамика системы) — изменение состояния системы в процессе функционирования.

Вектор переменных, характеризующих состояние системы (вектор переменных состояния) — множество фазовых переменных, задание значений которых в некоторый момент времени полностью определяет поведение системы в дальнейшем.

Пространство состояний — множество возможных значений вектора переменных состояния.

Фазовая траектория — представление процесса функционирования системы в виде последовательности точек в пространстве состояний.

Системы автоматизированного проектирования и системы управленияявляются одними из наиболее сложных современных искусственных систем. Поэтому их проектирование и сопровождение невозможны без применения системного подхода. На практике идеи и положения системного подхода выражаются и конкретизируются в виде нескольких его разновидностей, которые рассматриваются в курсе системотехники и также называются походами к проектированию.

Среди таких подходов выделяют три основных.

1. При структурном подходе осуществляется синтез вариантов системы из набора компонентов (блоков). Эти варианты оцениваются при их частичном переборе с предварительным прогнозированием характеристик компонентов.

2. Блочно-иерархический подход к проектированию использует декомпозицию сложных описаний, как самих объектов, так и средств их создания на иерархические уровни и аспекты. (Примечание: под аспектом понимают описание системы с некоторой, заранее оговоренной точки зрения – функциональное, структурное и др.). При этом подходе используется понятие стиля проектирования (восходящее и нисходящее, смешанное) и устанавливаются связи между параметрами соседних иерархических уровней.

3. Объектно-ориентированный (объектный) подход наиболее часто используется при разработке информационного и программного обеспечения систем. Он основан на введении в описания объектов отношений их наследования между свойствами объектов разных иерархических уровней. (Примечание: наследование – процесс, благодаря которому один объект может приобретать свойства другого).

Основой объектного подхода служит представление о том, что сложную техническую систему необходимо рассматривать как совокупность взаимодействующих друг с другом объектов, рассматривая каждый объект как экземпляр определенного класса, образующих иерархию. Такой подход сокращает объём спецификаций (описаний) объектов и уменьшает вероятность искажения данных за счёт ограничения доступа к ним.

Всем разновидностям подходов к проектированию присущи следующие отличительные особенности:

· Структуризация процесса проектирования, выражаемая декомпозицией проектных задач и документации, выделением стадий, этапов, проектных процедур. Эта структуризация является сущностью и блочно-иерархического подхода к проектированию.

· Итерационный характер проектирования. Итерация – результат повторного применения какой-либо математической операции. Метод итераций – метод последовательных приближений к решению конечных уравнений, в результате чего получаются все более точные приближенные решения таких уравнений.

· Типизация и унификация проектных решений и средств проектирования (технических, программных, информационных и т.д.).

Разделение процесса проектирования во времени характеризуется стадиями и этапами. Стадии – наиболее крупные части процесса проектирования включают внешнее (разработка технического задания) и внутреннее проектирование. В свою очередь внутреннеепроектирование состоит из этапов (технических предложений, эскизного, технического и рабочего проектирования). По мере перехода от этапа к этапу степень подробности и тщательность проработки проекта возрастают, и рабочий проект уже должен быть вполне достаточным для изготовления опытных или серийных образцов.

Этапы проектирования подразделяются на составные части, которые называются проектными процедурами. Проектная процедура соответствует части проектной работы, в результате выполнения которой принимается некоторое проектное решение. Она состоит из элементарных проектных операций, имеет твердо установленный порядок их выполнения и направлена на достижение локальной цели в процессе проектирования. Примеры проектных процедур: разработка компоновочной схемы, баллистическое проектирование, оценка целевой эффективности проектируемого объекта и др.

Проектные процедуры, как было отмечено, делятся на более мелкие компоненты – проектные операции. Под проектной операцией понимают условно выделенную часть проектной процедуры или элементарное действие, совершаемое конструктором в процессе проектирования. Примеры проектных операций: расчёт аэродинамических характеристик объекта проектирования, моделирование напряжений и деформаций элементов конструкции, представление результатов проектирования в графической форме и др.

Таким образом, проектирование сводится к выполнению некоторой последовательности проектных операций и проектных процедур. Такая последовательность называется маршрутом проектирования.

Для проектирования сложных технических систем характерны нехватка достоверных исходных данных, неопределенность условий принятия решений. Это определяет итерационный, циклический характер ее решения. Учет статистического характера данных при моделировании в значительной мере основан на применении методе статистических испытаний (методе Монте-Карло), а принятие решений – на использовании теориинечетких множеств, применении экспертных систем, эволюционных вычислений.