Цели, задачи, структура и методы проектирования

Для описания проектирования необходимо дать определение этому термину. Приведем некоторые из этих определений.

Проектирование - приведение изделия в соответствие с обстановкой при максимальном учете всех требований (Грегори).

Проектирование – творческая деятельность, которая вызывает к жизни нечто новое и полезное, чего ранее не существовало (Ризуик).

Проектирование – процесс, который кладет начало изменениям в искусственной среде (Дж. К. Джонс). Под искусственной средой здесь понимаются: транспорт, здания, средства связи, изделия и т.д.

Проектирование является сложным творческим процессом целенаправленной деятельности человека, основанным на глубоких научных знаниях, использовании практического опыта и навыков в определенной сфере.

В рамках жизненного цикла промышленных изделий, САПР решает задачи автоматизации работ на стадиях проектирования и подготовки производства.

Основная цель создания САПР – повышение эффективности труда инженеров, включая:

• сокращения трудоёмкости проектирования и планирования;
• сокращения сроков проектирования;
• сокращения себестоимости проектирования и изготовления, уменьшение затрат на эксплуатацию;
• повышения качества и технико-экономического уровня результатов проектирования;
• сокращения затрат на натурное моделирование и испытания.

Достижение этих целей обеспечивается путем решения следующих задач:

• автоматизации оформления документации;
• информационной поддержки и автоматизации процесса принятия решений;
• использования технологий параллельного проектирования;
• унификации проектных решений и процессов проектирования;
• повторного использования проектных решений, данных и наработок;
• стратегического проектирования;
• замены натурных испытаний и макетирования математическим моделированием;
• повышения качества управления проектированием;
• применения методов вариантного проектирования и оптимизации.

В соответствии с ГОСТ 34.003-90, ГОСТ 23501.101-87, в структуре САПР выделяют следующие элементы (Рис. 1):

• КСАП САПР – комплекс средств автоматизации проектирования САПР
• подсистемы САПР, как элемент структуры САПР, возникают при эксплуатации пользователями КСАП подсистем САПР.
• КСАП подсистемы САПР – это совокупность ПМК, ПТК и отдельных компонентов обеспечения САПР, не вошедших в программные комплексы, объединенная общей для подсистемы функцией.
• ПТК – программно-технические комплексы
• компоненты обеспечения ПТК САПР
• ПМК – программно-методические комплексы

§ компоненты обеспечения ПМК САПР

• компоненты обеспечения САПР, не вошедшие в ПМК и ПТК

Совокупность КСАП различных подсистем формируют КСАП всей САПР в целом.

Рис. 1 – Структура САПР по ГОСТ 34.003-90 «Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Термины и определения»

В основе осознанного рационального способа действий проектировщика лежит некий способ, принцип или метод. В зависимости от того, какие средства для реализации творческих действий применяет проектировщик, различают:

· эвристические методы;

· алгоритмические методы.

В эвристических методах определяющее значение имеют:

· ассоциативные способности;

· интуитивное мышление;

· способы управления мышлением.

Эвристические методы основаны на использовании общих правил и рекомендаций. Они помогают при поиске различных понятий и утверждений, которые позволяют благодаря случайным или логическим ассоциациям открыть или создать абстрактное соотношение, способное дать решение задачи.

Алгоритмические методы основываются на алгоритме, который можно определить как последовательность указаний, касающихся процедур (операций), позволяющих решить задачу. Можно выделить логические алгоритмы и математические алгоритмы.

Проектирование может быть:

· ручным – без применения компьютера;

· автоматизированным – на основе взаимодействия человека и компьютера, когда эвристические действия проектировщика дополняются вычислительным возможностями компьютера, реализованными посредством определенных алгоритмов;

· автоматическим – без участия человека на промежуточных этапах проектирования.

Методика проектирования изделий должна базироваться на системном подходе. Для этого необходимо выполнение его принципов. В настоящее время ещё нельзя утверждать, что известны их полные состав и содержание применительно к проектной деятельности, однако можно сформулировать наиболее важные из них.

1. Практическая полезность. Непрерывный рост потребностей людей вынуждает решать всё новые и более сложные задачи. С другой стороны, ведение разработок заметно упирается в ограниченность ресурсов, ощутимее становятся убытки в случае получения неудовлетворительных результатов. Поэтому возрастает важность учета следующих положений:

• деятельность должна быть целенаправленной, устремленной на удовлетворение действительных потребностей человека. При этом подразумевается реальный потребитель или определенная социальная, возрастная или иная группа людей. Потребности должны определять цели проектирования и стимулировать деятельность по их достижению;
• деятельность должна быть целесообразной. Удовлетворение не всех новых потребностей нуждается в создании новых объектов, следовательно, – в проведении соответствующих разработок. Важно вскрыть причины, препятствующие использованию существующих объектов для удовлетворения новых потребностей. В свою очередь, причины вызываются противоречиями, возникающими как внутри старых объектов, так и вне их, в эксплуатирующем их обществе. Выявление ключевых противоречий позволяет концентрировать усилия на решении главных задач, конкретизирует деятельность, что сокращает затраты на проектирование и сроки проведения разработки;
• деятельность должна быть обоснованной и эффективной. Окружающий нас мир многообразен и, следовательно, удовлетворение потребности возможно разными путями. Разумным будет использование не любого решения задачи, а поиск оптимального варианта, т.е. наилучшего среди допустимых при наличии правила предпочтения одного другому. Такое правило называется критерием оптимальности, а мерой предпочтения будут служить показатели качества.

Обратим внимание на то, что слово «оптимальный» происходит от лат. optimus и означает «наилучший» (самый лучший). Поэтому словосочетание «самое оптимальное решение» (т.е. самое самое лучшее решение) является тавтологией. С другой стороны, можно говорить об оптимальном решении только при удовлетворении двух условий: 1 – наличия хотя бы одного критерия, 2 – наличия не менее двух сравниваемых вариантов (необходимость осуществления выбора).

Каждый выбор лучшего варианта конкретен, поскольку производится на соответствие определённым критериям. Следовательно, говоря об оптимальном решении, всегда нужно указывать эти критерии (т.е. оптимальный по …). И то, что может быть оптимальным при одном критерии, не обязательно будет таковым при другом.

Под качеством продукции подразумевается совокупность свойств, обуславливающих её способность удовлетворять определенным потребностям в соответствии с её назначением (ГОСТ 15467-79). К показателям предъявляются следующие требования:

• монотонная связь с качеством при условии постоянства остальных показателей;
• простота определения, измерения и контроля;
• наглядность отображения свойств объекта или процесса;
• соответствие рассматриваемым свойствам;
• хорошая чувствительность к изменению этих свойств;
• устойчивость к случайным помехам.

Качество продукции обычно характеризуется рядом показателей. Состав показателей зависит от назначения проектируемого объекта, условий его функционирования и других факторов. Пытаться учесть как можно больше показателей в стремлении максимально полно охарактеризовать проектируемый объект делает задачу проектирования практически не решаемой. Важно выделять главные показатели, отражающие наиболее существенные потребительские свойства объекта.

Критериальный подход к проектированию позволяет не только отыскивать эффективные решения, максимально удовлетворяющие потребности заказчика, но аргументировано объяснять причины их выбора, обосновывать принятые решения.

2. Единство составных частей. Эффективность решения задачи зависит и от того, насколько полно учтены все связи, как между частями рассматриваемого объекта, так и с взаимодействующими с ним другими объектами.

Целесообразно любой объект, сложный ли он или простой, рассматривать как систему, внутри которой можно выделить логически связанные более простые части – подсистемы, единство частных свойств которых и образует качественно новые свойства объекта-системы. С другой стороны, ряд объектов-систем могут быть взаимосвязанными и образовывать более общую систему, которую называют надсистемой.

Разрабатываемые объекты предназначены для людей, ими создаются и эксплуатируются. Поэтому человек также обязан рассматриваться в качестве одной из взаимодействующих систем.

Функционирующие объекты активно взаимодействуют с окружающей средой, испытывая влияние внешних нагрузок, изменения температуры, влажности и других факторов. В то же время объекты сами оказывают влияние на эту среду, загрязняя её продуктами износа и утечками веществ, выделяя тепло и т.п. Внешняя, или как её ещё называют – жизненная среда, также должна рассматриваться в качестве системы, взаимосвязанной с проектируемым объектом. Жизненная среда конкретизирует условия применения и производства объекта проектирования, влияет на выбор показателей качества.

3. Изменяемость во времени. Объекты проектирования существуют не мгновение, а, как и живой организм, последовательно «проживают» ряд этапов:

• постановка цели и планирование работы,
• проведение исследований и проектирование,
• производство,
• эксплуатация,
• утилизация (переработка и захоронение вышедшего из употребления изделия).

Всё вместе, т.е. период от возникновения потребности в создании объекта до его ликвидации вследствие исчерпания потребительских качеств, составляет жизненный цикл. Учет этапов жизненного цикла позволяет уменьшить издержки или даже предотвратить возможную катастрофу вследствие действия «непредусмотренных» обстоятельств, рационально спланировать деятельность по созданию и обслуживанию объекта.

С другой стороны, новое изделие возникает не на пустом месте. Важно учитывать историю и предусматривать перспективы развития и применения разрабатываемого объекта, а также областей науки и техники, на достижениях которых базируются соответствующие разработки.

Проектирование представляет собой последовательность выполнения взаимообусловленных действий – процедур. В свою очередь, процедуры подразумевают использование определенных методов, основанных на тех или иных законах природы и общества.

Метод – это прием или способ действия с целью достижения желаемого результата. Его выбор зависит не только от вида решаемой задачи, но и индивидуальных черт разработчика (его характера, организации мышления, склонности к риску, способности принимать решения и нести за них ответственность и т.п.), условий его труда и оснащенности автоматизированными компьютерными средствами. Сложность процесса проектирования (как и любой другой творческой деятельности), нестандартность проектных ситуаций вызывают необходимость знания и владения различными методами: эвристическими, экспериментальными, формализованными.

Эвристические методы основаны на подсознательном мышлении, не допускают алгоритмизации и характеризуются неосознанным (интуитивным) способом действий для достижения осознанных целей. Часто эвристические методы ещё называют методами инженерного (изобретательного) творчества.

Эвристические методы и моделирование присущи только человеку и отличают его от искусственных интеллектуальных (мыслящих) систем. В настоящее время к сфере человеческой деятельности относят:

• постановку задачи;
• выбор методов её решений и построение (разработка) моделей и алгоритмов, выдвижение гипотез и предположений;
• осмысление результатов и принятие решений.

Стоит отметить, что важной особенностью именно человеческой деятельности является наличие в ней элемента случайности: необъяснимые поступки и сумасбродные решения часто лежат в основе оригинальных и неожиданных идей.

С развитием вычислительной техники выполнение всё большего числа функций берут на себя автоматические системы, при этом выполняя работу быстрее и эффективнее человека. Задача человека как homo sapience – прежде всего, совершенствоваться в эвристических процедурах, а не в выполнении алгоритмизированных операций, чтобы впоследствии не оказаться вытесненным «разумной» техникой.

Экспериментальные методы основаны на использовании реальных объектов и физических (химических, социальных и т.д.) моделей. Несмотря на сложность, только они позволяют получить наиболее достоверные и надежные исходные данные и результаты решений, служат основой для разработки других методов и моделей. Однако следует помнить, что степень объективности результатов исследований зависит от грамотности постановки и проведения эксперимента и обработки его результатов.

Знание законов, лежащих в основе работы исследуемых объектов и процессов, позволяет использовать формализованные методы. Такие методы строятся на основе четких указаний посредством языка схем, математических формул, формально-логических отношений и алгоритмов. Главной их чертой является независимость получаемых результатов от индивидуальных черт человека. Обычно задачи с полностью формализованным решением перестают интересовать человека, их относят к разряду рутинных.

С другой стороны, «объективность» формализованных методов ещё не гарантирует их полного соответствия действительности, поскольку точность результатов зависит от следующих факторов:

• присутствие в расчетах ошибок как субъективных, допускаемых человеком, так и являющихся результатом некачественной работы или сбоя в работе используемого устройства (компьютеров, измерительно-управляющих систем и т.п.);
• правильность выбора модели и метода, их адекватность и точность (субъективный фактор);
• полнота и достоверность исходной информации, корректность (точность) формулировок решаемой задачи.

Применение метода завершается выбором окончательного варианта, т.е. принятием решения.

В процессе решения задачи всегда появляется несколько вариантов. Это происходит и случайно, в силу неоднозначности и неопределенности процесса решения, и целенаправленно, как основа поиска лучшего результата. Но задача, и особенно техническая, считается решенной тогда, когда будет сделан выбор окончательного, единственного варианта. Только такая деятельность считается продуктивной.

Выбор возможен одним из следующих способов:

• случайным образом (способом необъяснимым и независящим от условий задачи),
• волевым образом (выбор не обосновывается и индивидуален, определяется чертами характера лица принимающего решения),
• критериальным образом (выбор имеет обоснование, доступное пониманию другими людьми).

В проектировании предпочтителен критериальный выбор: разработчик должен уметь аргументировано доказать верность и эффективность полученных результатов.

Ранее критериальный подход больше базировался на опыте (экспертных оценках), на обосновывающих верность рассуждениях и умозаключениях (логических построениях). В последнее время к выводам стали предъявлять требования четкости и точности. Появилась новая наука, теория исследования операций, изучающая проблемы, связанные с принятием решений. А задачи, решаемые на основе её принципов, стали называть задачами оптимального проектирования.

Основой для поиска оптимального варианта служат правила (критерии) оптимальности, а мерой предпочтения – показатели качества. Показатели могут иметь либо количественную оценку (формализованные показатели), либо качественную характеристику (неформализованные показатели). В задачах параметрической оптимизации используют формализованные показатели, которые также называют критериями оптимизации (критериями эффективности объекта). Но стоит помнить, что назначение количества и типов критериев осуществляется человеком, что придает им эвристический характер. А с другой стороны, критерии определяют конечный вид проектируемого объекта, и, следовательно, случайный их выбор ведет к случайным и неэффективным результатам (хотя эти результаты могут быть получены на основе многократно проверенных и общепринятых методик).

Характеризуя объект, сложно выбрать такой один критерий, который бы обеспечил всю полноту требований. А стремление к всеобъемлющему решению и назначение большого числа критериев сильно усложняет задачу. Поэтому в разных задачах количество критериев может быть различным. Задачи однокритериальной оптимизации называют скалярными, а многокритериальной – векторной оптимизации.

Распространен принцип сведения решения задачи оптимального проектирования объекта-системы к оптимизации его подсистем. Однако наличие нелинейных связей между подсистемами не гарантирует оптимальности всей системы.

В большинстве случаев абсолютно лучшее решение выбрать невозможно, так как при переходе от одного варианта к другому улучшаются одни критерии, но ухудшаются другие. Состав таких критериев называется противоречивым, и окончательно выбранное решение всегда будет компромиссным.

Дата добавления: 2014-01-04