Глава 2 Анализ процесса проектирования

Особенности блочно-иерархического подхода к проектированию ЭС. Системная иерархия комплекса РЭС, последовательность этапов восходящего и нисходящего проектирования РЭС. Этапы процесса проектирования как основа для применения САПР.

Анализ деятельности проектировщика. Качества современного инженера-проектировщика.

Блочно-иерархический подход к проектированию эс

Проектирование – сложный процесс, в общем смысле «целенаправленное изменение искусственной среды» (см. рисунок 3). В процессе проектирования создается сложный объект, изделие (ЭС) (см. рисунок 4), который связан с окружающей средой и зависит от нее.

В настоящее время перед проектировщиками стоит большая задача – автоматизировать процесс проектирования, то есть использовать комплекс программных, технических средств для разработки ЭС.

Для этого необходимо иметь наиболее полное представление как о процессе проектирования, так и о предмете – продукте (изделии).

Анализ процесса проектирования основывается на системном подходе, который опирается на диалектический закон взаимосвязи и взаимообусловленности явлений в природе и обществе.

Для РЭС, как для системы, характерен признак иерархичности, что позволяет выделять уровни проектирования по степени детализации свойств объекта с соответствующим описанием (рисунок 12). Каждый уровень, как правило, характеризуется описанием объекта, имеющим общую физическую основу и допускающим применение определенного математического аппарата.

Рисунок 12 – Системная иерархия комплекса РЭС

Разделение описаний по степени детализации отражаемых в нем свойств и характеристик объекта лежит в основе блочно-иерархического подхода к проектированию и приводит к выделению уровней абстрагирования в представлениях об объекте.

Преобразование исходных описаний сложных объектов проектирования требует получения некоторых промежуточных описаний. С этой точки зрения этап проектирования – выделенная условно часть процесса проектирования, состоящая из одной или нескольких проектных процедур. Формализованную последовательность действий, выполнение которой оканчивается проектным решением, называют проектной процедурой.

Проектное решение – промежуточное или конечное описание объекта проектирования, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения дальнейшего направления или окончания проектирования.

При проектировании радиоэлектронных систем, например систем передачи данных управления объектом, описаниями высшего уровня могут быть структурные схемы. На более низком уровне выделяются устройства, например передатчики, приемники, и их описания, представленные функциональными и принципиальными схемами. При дальнейшей детализации будут выделены функциональные узлы и на более низком уровне – ЭРЭ и компоненты. Изделия низшего уровня принято относить к исходным, или базовым, элементам.

При переходе с некоторого уровня на последующий, более низкий, происходит разделение системы S на блоки (подсистемы) S_j. Эффективность всей системы зависит от качества подсистем низших уровней.

Исходные данные для проектирования системы рассматриваемого уровня задаются системой более высокого уровня; в свою очередь внутренние параметры данной системы служат исходными (выходными) данными для системы более низкого уровня.

Исходные данные, или внешние параметры, определяют назначение и задают внешние функции изделий данного уровня.

Внутренние параметры характеризуют средства, обеспечивающие вычисление требуемых функций.

Внешние параметры изделия при достаточно высоком уровне сложности относят к тактическим, а внутренние – к техническим. Их совокупность называют тактико-техническими требованиями; для более низких уровней – техническими.

В зависимости от последовательности получения проектных решений различают восходящее и нисходящее проектирование.

Для восходящего проектирования выполнение процедур и получение решений на более низких уровнях предшествует получению проектных решений на более высоких уровнях (рисунок 13).

Рисунок 13 – Последовательность этапов восходящего проектирования БИС

Нисходящее проектирование характеризуется последовательностью выполнения процедур от высшего уровня к низшему (рисунок 14).

Рисунок 14 – Последовательность этапов нисходящего проектирования РЭС

Проектированию РЭС свойственен итерационный характер, при котором приближение к окончательным результатам осуществляется путем многократного выполнения одной и той же процедуры с корректировкой исходных данных.

Функциональное значение с точки зрения автоматизации процессов проектирования имеет разработка математических моделей, адекватных подсистемам заданного уровня S_j на различных этапах их проектирования, и численных методов их исследования.

Анализ процесса проектирования ЭС привел к рассмотрению еще одного подхода получения проектного решения (рисунок 15).

Рисунок 15 – Этапы процесса проектирования ЭС

Такая последовательность этапов проектирования ЭС лежит в основе современной подготовки инженеров радиоэлектронного профиля.

Этапы процесса проектирования как основа для применения САПР

Анализируя процесс проектирования, необходимо обосновать деление его на этапы. Этап объединяет выполнение проектных процедур по созданию описаний объекта.

Формализация этапа позволяет определить исходные данные, сформулировать его задачу (определить цель, алгоритм, средства или методы решения задачи) и получить результат каждого этапа (продукт). Это является основой для внедрения САПР (рисунок 16).

Рисунок 16 – Этапы процесса проектирования

Следует рассмотреть этапы процесса проектирования: определение потребности, определение цели, научные исследования, формулировка задания, формирование идей, выработка концепций, анализ, эксперимент, решение, производство, распределение, потребление [17].

Определение потребности. Проектировщик, сталкиваясь с определенной ситуацией, пытается изменить существующее положение вещей. Для этого необходимо заставить работать воображение и непрерывно, следя за обстановкой, искать новые идеи. На этом этапе осуществляется отбор идей, дается ответ на следующие вопросы: соответствует ли идея выбранным критериям, можно ли её реализовать при существующем развитии техники за приемлемый промежуток времени. Определение потребности – это в основном умственная деятельность, приводящая к появлению идеи.

Определение потребности должно вести к формулировке технической задачи создания конструкции. Это формулирование должно содержать описание условий, необходимых и достаточных для выполнения того, что требуется с точки зрения процесса удовлетворения потребности. Описание не должно ограничивать выбор оптимального решения, пригодного к использованию в конкретных условиях.

Определение цели. Проектировщик формулирует в общих выражениях характеристики изделия, которые удовлетворяют определенную потребность. Идея, появившаяся на первом этапе, переносится на бумагу как некоторая цель. При этом определяется, что должен сделать проектировщик для удовлетворения потребности, и дается общее описание требуемого изделия.

Научные исследования. Проектировщик собирает всю доступную информацию, связанную с достижением поставленной цели. Для этого можно использовать следующие источники информации: технические и профессиональные журналы, реферативные журналы, отчеты о научных исследованиях, отраслевые и промышленные каталоги (каталоги фирм), описания изобретений, стандарты, информационно-поисковые системы. Эта информация может отражать уже полученные результаты, современное состояние вопроса и содержать сведения об оборудовании,, необходимом для достижения поставленной цели, так как подобное изделие уже существует.

Формулировка задания. Проектировщик перечисляет все основные требования, определяющие разработку изделия и обеспечивающие выполнение поставленной цели.

Кроме того, на этом этапе проектирования должна быть дана количественная формулировка задачи проектирования.

Совокупность Д – исходных данных можно представить в виде [8]:

, (1.2)

где – совокупность условий работы ЭС (воздействия внешней среды, максимальные питающие напряжения);

– совокупность ограничений структуры ЭС (проектируемой системы) и значений его параметров. Структура может быть задана полностью, и могут варьироваться только параметры системы ( ), при этом заданы ограничения на параметры ( );

– вектор содержит совокупность всех показателей качества, которые должны учитываться в процессе проектирования. Состав записан в техническом задании. Это, например частные показатели качества: воспроизводимого сигнала, – масса, – объем, – стоимость изделия;

– ограничения на частные показатели качества.

Формирование идей. Процесс возникновения новых идей. Творческая деятельность проектировщика на этом этапе предшествует плану выработки концепций, на котором идеи превращаются в реальность.

Выработка концепций. Творческая деятельность проектировщика приводит к выработке вариантов возможных решений поставленной цели. Варианты не прорабатываются детально, а лишь регистрируются как возможные решения, нуждающиеся в проверке с помощью выбранных критериев. Варианты решений выполняются в виде эскизов.

Анализ. Проектировщик осуществляет проверку выбранных концепций на соответствие физическим законам. Затем варианты сравнивают по определенным критериям и выбирают один вариант для проработки на следующих этапах.

Часто в результате анализа требуется изменить вариант решения, сформулировать новую идею, выработать новую концепцию и вновь провести анализ.

Эксперимент. Создание опытного образца и проведение лабораторных испытаний для определения основных характеристик изделия, для проверки правильности выбранной концепции.

Решение. Проектировщик представляет конкретную информацию об устройстве. Он дает описание изделия в виде отчета, необходимую для изготовления конструкторскую документацию: чертежи деталей, сборочные чертежи, технические условия, перечень стандартных изделий, калькуляцию затрат, техническое задание на изготовление.

Производство. Проектировщик определяет потребности в производственном оборудовании, разрабатывает методы изготовления изделия, автоматизации производства, контроля качества.

Распределение. Установление цены, обеспечение экономической эффективности.

Потребление. На этом этапе осуществляются контакты с потребителем, ремонт и обслуживание ЭС.

Анализ основных этапов процесса проектирования позволяет утверждать, что ЭВМ целесообразно использовать на этапах «Выработка концепций», «Анализ» для сравнения вариантов по заданным критериям, на этапе «Эксперимент» при наличии математической модели устройства, на этапе «Производство», используя автоматизированный технологический процесс, на этапе «Распределение» при оценке экономических показателей изделия.

Наиболее сложно автоматизировать творческую деятельность проектировщика на этапах проектирования: «Определение потребности», «Определение цели», «Формирование идей».

Стремление использовать ЭВМ при решении неформализуемых задач требует анализа деятельности проектировщика, обоснования последовательности его логических рассуждений, приводящих к принятию решения – выбору оптимального или близкого к нему варианта конструкции. Анализ деятельности проектировщика способствует внедрению диалоговых САПР.

Деятельность инженера-проектировщика может быть представлена в виде кибернетических моделей, отражающих его поведение с различных точек зрения: исследования творчества, логики проектирования, управления (рисунки 17 – 22).

С точки зрения «исследования творчества» проектировщик представляет собой кибернетическую модель, которую принято называть «черным ящиком» (см. рисунок 17). Сигнал этой модели характеризуется принимаемыми решениями, возникающими в результате загадочного творческого озарения. Можно сказать, что проектировщик способен получать решения, которым он доверяет и которые часто оказываются удачными, хотя сам он не может объяснить, каким образом ему удалось прийти к этим решениям.

Творческий взгляд на проектирование, в соответствии с которым проектировщик – это «маг и волшебник» (см. рисунок 18), является поэтическим описанием того, что лежит в основе действий человека как живого организма, обладающего нервной системой.

Однако творческое решение (озарение) связано с накопленным опытом человека, его знаниями и с сигналами внешнего мира (исходная информация и условия для проектирования). Нельзя быть хорошим проектировщиком, не имея соответствующего опыта.

Представление о проектировщике как о «черном ящике» позволяет сделать следующие выводы для организации процесса проектирования.

Успешное решение поставленной задачи зависит от особенностей исходной информации, которую получает проектировщик, его опыта.

Важнейшее значение имеют условия проектирования, время, необходимое для поиска решения, контроль над формами ввода исходных данных и структуры задачи.

Как правило, такое представление проектировщика характерно при решении им эвристических задач.

Рисунок 17– Кибернетическая модель проектировщика с точки зрения

исследования творчества – «черный ящик»

Рисунок 18– Проектировщик – «маг и волшебник»

С точки прения логики проектирования считают, что процесс проектирования может быть объяснен до конца, даже если проектировщики-практики не могут обстоятельно обосновать каждое принятое решение (см. рисунок 19). Логическое или систематическое поведение проектировщика напоминаёт работу вычислительной машины: 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 (см. рисунок 20). Если задачи, решаемые проектировщиком, могут быть представлены определенным алгоритмом (часто это теоретико-расчетные задачи, основанные на формализованных процессах), то эта часть работы может быть передана ЭВМ.

Рисунок 19 – Кибернетическая модель проектировщика с точки зрения логики проектирования – ЭВМ

Рисунок 20 – Проектировщик – «электронно-вычислительная машина»

С точки зрения управления проектировщик является «самоорганизующей системой», которая способна находить пути, приводящие к оптимальной или близкой к ней точке в многомерном пространстве на поверхности, не имеющей формального описания (см. рисунок 21).

Проектировщик вырабатывает множество неизученных альтернатив, слишком большое для того, чтобы их можно было исследовать. Он не может сделать выбор интуитивно, так как вступают в силу ограничения, налагаемые опытом прошлого. В то же время он лишен возможности ускорить поиск с помощью вычислительной техники, так как для составления программы для ЭВМ надо знать цели и критерии отбора, а они зависят, от имеющихся вариантов.

Рисунок 21 – Кибернетическая модель проектировщика с точки зрения управления

Рисунок 22 – Проектировщик – самоорганизующаяся система

Решением дилеммы, связанной с обилием нового материала и необходимостью быстрой оценки его в целом, является разделение работы проектировщика на две части:

– осуществление поиска подходящей конструкции;

– контроль и оценка схемы поиска управления стратегией.

Это дает возможность вместо слепого перебора вариантов применить осознанный поиск и найти короткие пути поиска решений, используя как внешние критерии, так и результаты частичного поиска (см. рисунок 22).

Каждый проектировщик может сам определить, насколько избранная методика поиска способна привести к приемлемому равновесию между новой конструкцией, ситуацией, на которую она окажет влияние, и стоимостью ее разработки.

Такое представление процесса проектирования позволяет проектировщику применять новые методы проектирования, если функция управления стратегией обеспечивает создание правильной модели как стратегии поиска, так и внешней ситуации, которой должна удовлетворять создаваемое изделие.

Современный инженер-проектировщик должен обладать следующими качествами: знанием, способностью к самообразованию, интеллектуальной собранностью, энтузиазмом, любознательностью, наблюдательностью, критичностью, настойчивостью, логичностью мышления, хорошей памятью, воображением, творчеством, организаторскими способностями, мастерством; он должен владеть графикой, уметь эскизировать, выполнять масштабные чертежи, владеть ЭВМ.

Литература

Основная

[4, 8, 15, 28, 17, 5].

Дополнительная

[3, 9, 10, 12, 18, 23, 35].

Контрольные вопросы и задания

1 Приведите пример системной иерархии комплекса РЭС, последовательности этапов восходящего проектирования БИС, нисходящего проектирования РЭС.

2 Дайте характеристику основным этапам процесса проектирования и конструирования.

3 Дайте характеристику кибернетической модели инженера-проектировщика с точки зрения исследования творчества, логики проектирования, управления.

4 Назовите качества современного инженера.