Тема 11. Приемы проектирования

Основная цель этапа проектирования – разработка комплекта документации, позволяющей обосновать и по возможности экспериментально подтвердить необходимость проведения изменений, которые должно претерпеть производство, сбыт, потребитель, общество в целом и поведение заинтересованных лиц в ходе освоения и использования выполненного проекта. Таким образом, проектирование – это не просто разрешение проблемы, оно прежде всего нацелено на осознание новых возможностей и выявление наших реакций на них. Сделать (или изобрести) что-то новое – это означает не только изменить окружающую нас среду, но и изменить, хотя бы незначительно, и самого человека, его восприятие. Следовательно, проектирование нацелено на всю ситуацию в целом, при проектировании подходы не пространственные, а пространственно – временные.

Этап проектирования тесно переплетается с этапом планирования. Часто они разрабатываются одновременно и отличаются друг от друга только методологическими подходами к выполнению отдельных процедур. Однако с точки зрения управления этот этап имеет свою специфику. Именно здесь проявляются основные отличия в деятельности управляющего проектом и менеджера на производстве. Если у последнего основным является улучшение имеющейся системы путем оптимизации уже существующих ее отдельных частей, то проектирование ставит под сомнение целесообразность использования самой системы в рамках более широкой системы. При проектировании рассматривается вся система, а не отдельные ее части, как это делается при улучшении. При улучшении системы ищут причины отклонений от заданных параметров в рамках этой системы, не ставя под сомнение ее сущность. При проектировании ситуация обратная – под сомнение ставится вся конфигурация системы. Проектирование всегда нацелено на перспективу (создание новых технических и социальноэкономических систем, технологий, организационных структур).

Управление проектом – это координация «шквала изменений», которые непрерывно возникают. Инициировать изменения могут заказчик (инвестор), разработчик и внешнее окружение. Заказчик, как правило, вносит изменения, нацеленные на улучшение технических характеристик, обусловленных появлением новых обстоятельств. Проектировщик вносит изменения в связи с выявлением новых частных решений, более эффективных материалов и конструкций, возникающих трудностей при реализации проекта. К внешним источникам изменений относится все, что лежит за рамками проекта: политические, законодательные, экономические, социальные, экологические и другие аспекты. Внутренние источники изменений формируются, как правило, из факторов, которые трудно или невозможно предусмотреть на стадиях разработки проекта (появление конкурента, изменение методов ведения работ, невозможность использования ресурсов по первоначальному плану, неожиданные технические затруднения, изменения стоимостных критериев и т.д.). К сожалению, любой проект просто «лихорадит изменениями». Интуиция, чутье и твердость – вот чем в первую очередь должен обладать руководитель проекта.

77

11.1.Методы проектирования

Ксожалению, универсальных методов проектирования не существует. Можно указать только наиболее общие подходы, используемые на практике.

Программное проектирование. Оно больше подходит для задач, имеющих аналоги, направленных на расширение или объединение отдельных функций проектируемой системы, модернизацию оборудования. Типичные задачи такого

уровня − строительство, переориентация известных производств, проектирование образовательных учреждений, частных предпринимательских структур. По существу, отличия в проектах данного вида наблюдаются только на стадии экспертного анализа проблемной ситуации. Все последующие работы совершаются по предсказуемой схеме с использованием имеющегося опыта и, по сути дела, могут быть выполнены на ЭВМ. Такого вида проекты состоят из четко обозначенной последовательности действий, в которых каждое последующее зависит от исхода предыдущего, но принципиально не определяет последующее. Стоимость работ здесь играет второстепенную роль. Например, стоимость строящегося объекта может достигать внушительных сумм, однако, по существу, проект сводится к рациональному планированию, использованию новых строительных материалов в рамках известных технологий и оптимальному управлению.

Наиболее широкое применение получили алгоритмы Арчера [5,13] и АРИЗ, ТРИЗ, ФСА [5, 13, 18], позволяющие реализовать на практике программное проектирование. За счет специально подобранной базы данных указанные алгоритмы позволяют решать даже сложные проектные задачи.

Адаптивные стратегии проектирования (АСП). Здесь с самого начала определяется только первое действие (небольшой набор действий). Выбор очередных действий происходит после тщательного анализа полученных результатов. Преимущество АСП − очередные действия всегда определяются на основе дополнительно полученной информации с учетом всех появившихся дополнительных факторов, всех выявленных изменений. Фактически, это является зародышем самоорганизующейся системы проектирования, позволяющей на небольшом временном участке формализовать задачи, эффективно использовать методы сценариев. Для поддержки АСП разработан математический аппарат − динамическое проектирование − позволяющий проводить оценку возможных альтернативных вариантов. Стратегия АСП перспективна для проектирования рыночных структур, малого бизнеса, производств повышенного риска.

Поисковое проектирование. Это новый подход к проектированию, наиболее эффективный для решения недостаточно структурированных задач, где анализ проблемной ситуации не позволил выбрать наиболее предпочтительные пути выполнения проекта (или результаты анализа из-за недостатка информации не позволили с достаточной убедительностью оценить имеющиеся альтернативы). К подобным задачам можно отнести проблемы развития социальноэкономической сферы России, где в настоящее время превалирует подход «броуновской частицы», внедрения принципиально новых технологий и управленческих структур. Например, разработка системы управления на федеральном и ме-

78

стном уровнях в условиях перехода к рыночным отношениям, требующим пересмотра их основных функций.

Основная суть поискового проектирования сводится к определению множества отправных точек для последующих процедур анализа в широком поле неопределенностей. При выборе каждого этапа сознательно не учитываются исходы остальных этапов, что придает поиску непредубежденный характер. Например, к настоящему времени разработаны и широко используются ряд методов генерации альтернатив [5, 13, 18, 23, 26]:

–морфологические методы поиска;

–эвристические методы поиска;

–алгоритмические методы поиска.

Подробное изучение этих методов с примерами проводится на практических занятиях.

Выбор метода проектирования − весьма сложный процесс. Даже при решении, казалось бы, стандартной проблемы может создаться новая, не встречающаяся ранее ситуация. Поэтому практически в любых случаях необходимо проводить предварительное выявление цепочек целей, распределение ответственности и прав внутри коллектива разработчиков, предусматривать рациональное движение потоков информации и сопроводительной документации.

11.2. Технология управления изменениями

Под управлением изменениями понимается процесс их прогнозирования и своевременного отслеживания с целью изучения и оценки их последствий, а также внесения необходимых коррекций в соответствующие планы. В целом, методику управления изменениями можно представить как набор документов и процедур, которые позволяют отслеживать каждое изменение в виде возможной альтернативы с оценкой эффективности от ее возможного применения.

Вносимые изменения могут потребовать пересмотра сроков работ и привлечения дополнительного финансирования. Поэтому для смягчения последствий появления непредвиденных изменений необходимо создавать резервы. Надо отметить, что процедура оценки изменений – весьма сложная задача. Здесь, как правило, сталкиваются интересы исполнителей проекта, желающих внести частные изменения в отдельные элементы, и руководителя проекта, который руководствуется интегральными характеристиками проекта.

11.3. Практика проектирования

Выполнение процедур проектирования предполагает построение схемы процесса. Эта схема устанавливает порядок взаимодействия оборудования, людей и материалов, вовлеченных в процесс преобразования. Схема определяет физическое расположение ресурсов, осуществляющих преобразование (оборудования, материалов, персонала) и потоков преобразуемых ресурсов (материалов, информации, клиентов) в операционном процессе.

По-видимому, наиболее информативными являются два подхода к построению схемы процесса: конструктивно-функциональный (КФМ) и потокофункциональный (ПФМ) [5, 9, 13, 18, 20, 25, 26]. Эти два подхода позволяют в ком-

79

плексе, с единых позиций достаточно полно рассмотреть любой проект «изнутри». Рассмотрим эти построения подробнее.

Конструктивно-функциональная модель (КФМ) – способ отображения рассматриваемого объекта, в котором основное внимание обращается на состав, связи, соподчиненность его элементов, т.е. КФМ – это метод математической формализации «дерева» элементов системы.

Порядок построения КФМ − системы:

1.Рассматриваемую систему разделяют на конструктивно обособленные элементы, которые возможно независимо перемещать в пространстве. Основное требование к процедуре разделения – все элементы должны быть одного уровня иерархии, принадлежать к одному семейству, описываться одинаковым набором параметров. Глубина разделения системы на элементы определяется характером решаемой задачи. Предельное разделение возможно до неделимого (в конструкторском смысле) элемента. Например, при моделировании технологических линий удобно проводить деление системы на агрегаты, блоки, узлы, детали, как это отображается в конструкторской документации.

2.Для каждого обособленного элемента выявляются наборы полезных, нейтральных и «вредных» функций и устанавливаются связи между этими функциями. Весь набор функций ранжируется по степени важности. Выделяются главные и второстепенные функции. (Главные – совпадают с назначением системы, второстепенные – обеспечивают работоспособность всей системы).

3.Выявляется набор факторов, которые необходимо поддерживать для выполнения каждой функции: наличие оргтехники, ресурсов, внешних условий (температуры, давления, влажности), временные зависимости этих величин.

4.Выявляется параметр, или строится обобщенный параметр, относительно которого будут проводиться все дальнейшие исследования (тема 2). Этот параметр должен однозначно характеризовать как каждый элемент структуры, так и всю систему в целом.

5.Производится поиск законов и закономерностей, на базе которых работает каждый элемент, и по возможности определяется тенденция его развития.

6.Выявляются элементы окружающей среды, с которыми рассматриваемая система находится в функциональном или вынужденном взаимодействии и которые влияют на исследуемую систему. К окружающей среде, в первую очередь, относятся объекты, воспринимающие действие системы или зависимые от системы:

- связи и объекты по передаче материальных, энергетических, финансовых и прочих потоков;

- внешние информационные и управляющие сигналы и источники сигналов; - внешние различные виды излучений; - дополнительные устройства, обеспечивающие условия работы и технику

безопасности; - другие виды воздействий, оказывающих влияние на систему.

7.Полученные данные отображаются в виде графа или матрицы. По существу они отличаются друг от друга только внешним видом представления результатов. Графовое (геометрическое) представление КФМ сводится к изображению процесса в виде ориентированного графа, вершинами которого являются

80

наименования элементов системы и объектов внешней среды, а ребрами – функции элементов. Ребра выходят из вершин-элементов, которые они описывают и заканчиваются в вершинах, работу которых они обеспечивают. Из каждой вершины выходит столько ребер, сколько функций имеет элемент. Каждый «выход» может поступать на несколько «входов».

Построение КФМ технологического процесса (организационной структуры) имеет свои особенности. Здесь под вершинами понимаются обрабатываемые материалы (обрабатываемая информация), под ребрами – элементарные операции с указаниями режимов обработки. Каждая вершина предполагает подчеркивание особенность строения или состояния обрабатываемого материала: (прогнозные исследования, заполнение базы данных, выявление тенденций, вид преобразования информационного потока).

При построении КФМ материалов (веществ) к вершинам можно отнести компоненты, из которых состоит материал, а к ребрам – функции компонентов.

Потенциальные возможности графовой модели уникальны. Так, возможно в качестве вершин и ветвей вводить альтернативные варианты отдельных элементов системы. Конечно, вид такого графа будет сложнее, но его обработка позволит кроме анализа проводить и синтез:

1.Выбирать возможные структурные варианты систем и отдельных ее элементов с учетом заданных условий и ограничений.

2.В совокупности систематизировать разные альтернативные варианты элементов систем.

3.Оперативно реагировать на конъюнктуру рынка.

Направленный граф обычно используется для построения матричной математической модели системы. Базовой является запись матрицы в виде:

			1 С12 ... C1N
Сi,j		=	C21 1 ... C2N
			… ... ... ...
			CN1 … ... 1

где С(i,j) – характеристика связи между i-ми и j-ми элементами (узлами графа). Если элементы Сi,j принимают лишь два значения (1 – связь имеется, 0 – связи нет), такая матрица называется матрицей смежности и описывает структу-

ру связей в системе.

Процедуры работы с матрицами к настоящему времени разработаны довольно полно. Имеются программы, позволяющие проводить математические действия с матрицами: сложение, умножение, и т.д.

Так, если полученную матрицу умножить на диагональную матрицу вектора изменений параметров состояний ( X1) какого-либо элемента под действием какого-либо параметра внешних условий (например, изменение производительности маслобойки в зависимости от жирности сливок), то анализ полученной матрицы позволит оценить распределение вкладов отклонений каждого показателя процесса на отклонение N–того показателя состояния. Матрица принимает вид:

81

1	C12	... C1N		X1			X1	C12×ΔX2 ... C1N×ΔXN
C21	1	... C2N	×	…		=	C21×ΔX1	X2	... C2N×ΔXN
… ... ... ...				...			...	...	...	...
CN1	CN2	... 1		XN			CN1×ΔX1	CN2×ΔX2	...	XN

Потоковая функциональная модель (ПФМ) – способ отображения рас-

сматриваемого объекта, в котором основное внимание обращается на количественную и качественную характеристику преобразований потоков веществ (материалов), энергий, информации или других факторов.

Порядок построения ПФМ:

1.Разделить технологический процесс, выполняемый исследуемой системой (объектом, технологической линией, организационной структурой) на элементарные технологические операции.

2.Выявить вид потока, который будет в дальнейшем исследован (вещество, энергия, информация). Для полноты анализа для каждой системы должны быть рассмотрены отдельно все три вида потоков.

3.Определить качественные характеристики потока, существенно влияющие на техническое решение. Например, для потока «финансовый поток» качественную характеристика – внешние инвестиции.

4.Определить количественные характеристики входных и выходных потоков, их размерность, величину, стандартное обозначение, значения, отражающие динамику изменения физических величин, оказывающих существенное влияние (определяющих) на систему.

5.Провести классификацию вредных функций.

6.Определить набор параметров и характеристик, которые желательно контролировать при проведении технологической операции (указать место, с которого целесообразно снимать показания, название измеряемой величины и точность измерения). Определить набор и точность КИП (контрольно-измери- тельных приборов), возможных для проведения контроля.

7.Оценить величину загрязнений, которые могут вноситься в атмосферу, воду, землю, другие системы в результате проведения операций в рассматриваемой системе.

8.Выявить взаимное влияние потоков исследуемого объекта и окружающей среды.

9.Записать преобразование потоков в обобщенном виде.

Независимо от принципов действия любое преобразование можно представить в обобщенном виде: Q = (A → E → G), где Е – действие, производимое над входным потоком А для получения выходного потока G.Р. Коллер [18] показал, что несмотря на многообразие всех возможных в мире преобразований их можно свести к 13 парам операций, которые (по его мнению) позволяют описать любые возможные преобразования любых входных потоков. Фактически эти работы стали базовыми для построения программ синтеза оптимальных решений.

82

Аналогично предыдущему строится графовое и матричное представление модели ПФМ. Графовая ПФМ представляет собой граф, вершинами которого являются наименование технологических операций или наименование операций Р. Коллера, а ребрами – входные (А) и выходные (В) потоки. В ПФМ каждый элемент реализует определенное преобразование на основе одного или нескольких законов или закономерностей, а также следствий из них.

Запись системы линейных уравнений для каждой вершины и каждого вида потоков имеет вид:

Rj = ∑ (Ri, ∑V ×bii ×Xii ),

i i

где Ri – события операции ni, множество путей, ведущих из операции ni-1 в ni; bii × Xii − дизъюнкция весов дуг, ведущих из вершин ni в nj.

В качестве примера записи математического отображения графа рассмотрим простейший абстрактный ТП с двумя входами и двумя выходами.

	N2		Y1 = X11 × b111 × b121	+ X21 × b112 × b122 +
	X12		+ X11 × b211 + X21 × b212 ;
X11 N1 b11		b12	Y2 = X11 × b311 + X21	× b312
	b21	N3	Y1
X21		b31

N4 Y2

Однако несмотря на наглядность представления системы в виде направленного графа, эта процедура сложна и требует определенного навыка. Граф легко составлять по уже известной структуре системы, где стали почти нормативными данные о преобразованиях и потерях на каждой операции, реальная производительность отдельных элементов. А если все эти параметры неизвестны? Несомненная польза составления графа даже для известных систем заключается в том, что представляется возможность с единых позиций:

1.Упорядочить параметрическое описание входных и выходных характеристик любых систем.

2.Проанализировать общую структуру материальных потоков и энергетических балансов, в том числе оценить распределение основных компонент и параметров материальных потоков согласно потребности, имеющимся запасам, пропускной способности отдельных элементов. Последнее позволяет провести оптимизацию элементов системы по степени его загрузки, а также прогнозировать (определить) необходимое время перестройки оборудования для смены номенклатуры выпускаемой продукции.

83