1.3. Системный подход к проектированию. Проектирование. Основные этапы проектирования

Производственный цикл всегда начинается с выработки концепции нового изделия, т.е. с возникновения определенной идеи. Первоначальная концепция нового изделия прорабатывается, затем в деталях уточняется, анализируется, совершенствуется и после конструкторской разработки воплощается в план выпуска нового изделия. Этот план подкрепляется документацией в виде набора конструкторских чертежей, показывающих, как должно изготавливаться изделие, и совокупности технических описаний, отображающих принципы функционирования изделия.

Проектирование начинается при наличии задания на проектирование, которое отражает потребности общества в получении некоторого технического изделия. Задание представляется в виде определенных документов и служит исходным (первичным) описанием объекта. Результатом проектирования является полный комплект документации, содержащий достаточные сведения для изготовления объекта в заданных условиях. Эта документация представляет собой оконча­тельное описание объекта.

Таким образом, п р о е к т и р о в а н и е - это процесс, заключающийся в преобразовании исходного описания объекта в окончательное на основе комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского характера.

Проектированием называется процесс составления описания, необходимого для создания в заданных условиях еще не существующего объекта, на основе первичного описания этого объекта и (или) алгоритма его функционирования или алгоритма процесса преобразованием первичного описания, оптимизацией заданных характеристик объекта и алгоритма его функционирования или процесса, устранением некорректности первичного описания и последовательным представлением (при необходимости) описаний на различных языках [ГОСТ 22487-77].

Проектирование технического объекта связано с созданием, преобразованием и представлением в принятой форме образа этого объекта. Образ объекта или его составных частей может создаваться в воображении человека в результате творческого процесса или генерироваться по некоторым алгоритмам в процессе взаимодействия человека и ЭВМ.

Автоматизированное проектирование

Технический уровень и качество создаваемых машин, систем предопределяются в ходе проектных, конструкторских и технологических разработок. При этом следует учитывать, что за последние годы резко возросла сложность и трудоемкость проектируемых изделий при вынужденном ограничении сроков проектирования, что приводит иногда к недостаточно глубокой проработке проектов.

Поэтому необходимо широкое применение вычислительной техники для решения проектных задач. Применение вычислительных машин для решения отдельных задач проектирования началось почти одновременно с появлением ЭВМ. Обычно в каждом конкретном случае инженер сам составлял заново программу решения, используя традиционные методы проектирования. Поскольку последние разрабатывались для ручного применения, то их переложение для машинного выполнения не могло дать принципиально ничего нового и привести к достижению тех целей, которые в настоящее время ставятся перед автоматизированным проектированием. Поэтому такое применение ЭВМ для решения инженерных задач еще не следует считать автоматизацией проектирования.

Под автоматизацией проектирования будем понимать систематическое применение ЭВМ в процессе проектирования при рациональном распределении функций между проектировщиком и ЭВМ и при научно обоснованном выборе методов решения задач на ЭВМ.

Рациональное распределение функций между человеком и ЭВМ подразумевает, что человек должен решать задачи, носящие творческий характер, а ЭВМ - задачи, удовлетворяющие требованиям возможности алгоритмизации и большей эффективности исполнения алгоритма на ЭВМ по сравнению с ручным решением.

Обоснованный выбор методов машинного решения задач проектирования подразумевает правильный учет возможностей вычислительной математики и вычислительной техники для обеспечения приемлемого компромисса между требованиями высшей точности, степени универсальности, малых затрат машинного времени, памяти, а также труда инженера-проектировщика на сбор исходной информации.

Переход к решению задач на ЭВМ позволяет снять многие упрощения и предположения, используемые в методиках ручного решения проектных задач.

Определение и задачи САПР

С А П Р - это организационно-техническая система, состоящая из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимодействующего с подразделениями проектной организации, и выполняющая автоматизированное проектирование.

Функционирование системы осуществляется в процессе взаимодействия комплекса с коллективом разработчиков, а также с коллективом обслуживающего персонала, обеспечивающим работоспособность и развитие системы.

Основная функция САПР – осуществление автоматизированного проектирования на всех или отдельных стадиях проектирования объектов и их составляющих частей на основе применения математических и других моделей, автоматизированных процедур и средств вычислительной техники.

САПР, в которых информационно и организационно объединены все стадии разработки проекта от ввода первичного описания до выдачи проекта с необходимым комплексом документации, называются интегрированными.

Задачей САПР является максимально возможная автоматизация значительной части процессов, реализующих проектирование сложных объектов, но и таких как:

- накопление и обработка информации о проектируемом объекте и его подсистемах;

- разработка вариантов проектных решений;

- отбор рациональных вариантов для дальнейшей проработки;

- оформление решений и передача их нижние уровни для дальнейшей детализации и на верхние уровни для осуществления контроля и принятия решений;

- выпуск технической документации;

- управление ходом процесса разработки проектируемого объекта.

Цели создания и назначение САПР.

Целью создания САПР является повышение качества и технико-экономического уровня проектируемых объектов, повышение производительности труда проектировщиков, сокращение сроков, уменьшение стоимости и трудоёмкости проектирования

САПР предназначены для выполнения проектных операций (процедур) в автоматизированном режиме. САПР создаются в проектных, конструкторских, технологических и других организациях и на предприятиях с целью:

• повышения качества и технико-экономи­ческого уровня проектируемой и выпускаемой продукции;

• повышение эффективности объектов проектирования, уменьшение затрат на их создание и эксплуатацию;

• сокращения сроков, уменьшения трудоемкости проектирования и повышения качества проектной документации.

Достижение указанных целей создания САПР возможно при условиях:

• систематизации и совершенствования процессов проектирования на основе применения математических методов и средств вычислительной техники;

• комплексной автоматизации проектных работ в проектной организации с необходимой перестройкой ее структуры и кадрового состава;

• повышения качества управления проектирования;

• применения эффективных математи­ческих моделей проектируемых объектов, комплектующих изделий и материалов;

• использования методов многовариантного проектирования и оптимизации;

• автоматизации трудоемких и рутинных проектных работ;

• замены натурных испытаний и макетирования математическим моделированием;

• создания единых банков данных, содержащих систематизированные сведения справочного характера, необходимые для автоматизированного проектирования;

• унификации и стандартизации методов проектирования.

Как законченное изделие САПР состоит из:

• технических средств, обеспечивающих автоматизированное получение проектных решений;

• программ, управляющих работой технических средств и выполняющих проектные процедуры;

• данных, необходимых для выполнения программ;

• документации, содержащей все необходимые сведения для выполнения автоматизированного проектирования с помощью САПР.

К достоинствам САПР можно отнести:

• упрощение выработки оптимального конструктивного решения, а тем самым снижение стоимости производства, эксплуатации и достижения высшего качества машин и аппаратов;

• повышение степени безопасности и надежности машин в результате применения более точных математических моделей и инженерных методов при разработке отдельных узлов конструкции;

• значительное сокращение периода проектирования, что влияет на умень­шение издержек и рост производительности конструкторского бюро;

• освобождение проектировщиков от нетворческой работы, благодаря чему можно лучше использовать их творческий потенциал и повышать эффективность работы;

• расширение области применения готовых проектных решений благодаря использованию компьютерных баз данных;

проведение углубленных исследований на этапе проектирования.

Понятие системы.

Впервые основные принципы динамического моделирования механических систем были рассмотрены в знаменитом труде И. Ньютона „Математические начала натуральной философии” (1687 г.). В современной формулировке под механической системой понимают совокупность механически взаимодействующих материальных точек, для которой положение и движение каждой из точек системы зависит от положения и движения всех остальных элементов данной системы. Причём движение механических систем определяется не только внешними и внутренними силами, но и распределением масс, т.е. интегральной инерцией системы. В аналитической теории механических систем, основателем которой является французский математик Жозеф Луи Лагранж, показано, что положение системы в пространстве определяется обобщёнными координатами (фазовыми переменными), а её движение описывается дифференциальными уравнениями Лагранжа II рода.

Развитие механики оказало существенное влияние на естественнонаучную методологию, философское мировоззрение и становление современной физической картины мира. Это влияние также сказалось и на общей теории систем. Данная теория в виде специальной концепции была впервые сформулирована в 30-е годы ХХ в. Л. Фон Берталанфи. Позднее методологические вопросы исследования систем разрабатывались В.М.Глушковым, Н.П.Бусленко, А.И.Уёмовым, Ланге, Месаровичем и др. В этой теории понятие системы является элементарным, т.е. оно не может быть определено с помощью ещё более простых понятий. Таким образом, понятие «система» относится к числу тех, для которого трудно дать корректное определение. Приведём, однако, достаточно установившееся в системном анализе, определение понятия системы, которое хорошо согласуется с естественнонаучной методологией.

Система – это множество объектов вместе с отношениями между объектами и между их атрибутами (свойствами) ( А.Холл, Р.Фейджин , 1956 г.).

Объекты - суть просто части или компоненты системы.

Атрибуты – это свойства объектов.

Отношения – суть такие, с помощью которых система объединяется в одно целое.

При этом следует понимать, что всякая система представляет собой объект системы более высокого порядка, а объекты системы являются системами более низкого порядка.

Напротив, множество объектов, которые не связаны никакими свойствами и отношениями систему не образуют. Например, рассмотрим три независимых объекта – пружину, груз некоторой массы и кронштейн. Стоит только прикрепить пружину к кронштейну и привесить на ней груз, как между ними появятся особые отношения, которые определят механическую систему. Пружина удлинится, а груз будет находиться в покое под действием силы тяжести и силы упругости. Но стоит вывести груз из положения равновесия, либо раскачивать точку привеса пружины, как этот груз станет совершать колебательное движение.

Следует также отметить ещё одно, существенно, важное свойство (атрибут) систем – это их функционирование (движение), которое обусловлено внешними и внутренними отношениями (взаимодействиями). Ибо всякий объект без относительно к чему-либо внешнему является «вещью в себе», т.е. не существует. Таким образом, природа и сущность систем проявляется через её функционирование (движение).

«Движение, понимаемое как внутренне присущий материи атрибут, обнимает собою все происходящие во Вселенной процессы и явления, начиная от простого перемещения и кончая мышлением» («Диалектика природы», Ф.Энгельс). Следовательно, под движением материи понимается не только простое перемещение тел в пространстве, но и любые изменения, происходящие в системах при тепловых, электромагнитных, химических, биологических, информационных, общественных, экономических и других процессах и явлениях. В связи с этим система является «простой», если её функционирование характеризуется однородной (однотипной) формой взаимодействия её объектов.

Понятие сложных систем

Сложными системами являются также: живой организм, промышленное предприятие, отрасль промышленности, экономический регион, система социального обеспечения, операционная система ЭВМ.

Примеры сложных систем

Животные и растения Ботаник старается найти похожие и отличительные черты у разных растений, изучая их морфологию, т.е. их форму и структуру. Растения – это сложные многоклеточные организмы. В результате совместной деятельности различных систем и органов растения возникают сложные процессы, как фото синтез и обмен веществ с окружающей средой. Растения состоят из трех основных структур (корни, ствол, стебли и листья), и каждая из них имеет свое устройство. Корни, например, состят из ветвей, волос, вершины и шапки. Если же сделать например, разрез листа, то мы увидим, что он состоит из эпидермия, мезофила и сосудистой ткани. Каждая их этих структур в свою очередь представляет собой набор клеток. Внутри каждой клетки существует следующий уровень сложности. Который включает хлоропласты, митохондрию, ядро и т.д. По аналогии со структурой компьютера части растения формируют иерархию, и каждый уровень этой иерархии отражает свой уровень сложности

Материя. Исследования в таких разных областях, как астрономия и ядерная физика, дают нам много примеров очень сложных систем. Рассмотрев эти две дисциплины, мы найдем дополнительные примеры структурной иерархии. Астрономы занимаются изучением галактик и их составляющих: звезд, планет и других небесных тел. Ядерные физики имеют дело со структурной иерархией физических тел совсем другого масштаба. Атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов; электроны, по-видимому. являются элементарными частицами, но протоны, нейтроны и другие частицы формируются из еще более мелких компонент, называемых кварками.

Однако эти две совершенно различные по масштабу и структуре физические системы подчиняются одним и тем же законам взаимодействия. На самом деле оказывается, что во вселенной существуют всего четыре типа сил, гравитационная, электромагнитная, сильное взаимодействие и слабое взаимодействие. И многие законы физики, подразумевающие наличие этих элементарных сил, такие, как закон сохранения энергии и момента, можно применить и к галактикам, и к кваркам.

Общественные институты. Группы людей собираются вместе для решения задач, которые не могут быть решены отдельными личностями. Некоторые организации быстро распадаются, а некоторым удается продержаться на протяжении нескольких человеческих жизней. Чем больше организация, тем отчетливее видна в ней иерархическая структура. Мультнациональные корпорации состоят из компаний, которые в свою очередь состоят из подразделений, содержащих различные филиала. Последним принадлежат уже отдельные офисы и т.д. На протяжении существования организации границы между этими частями могут изменяться, так что с течением времени старая иерархия путем эволюции трансформируется в новую, более стабильную.

Отношения между разными частями организации такие же, как и между компонентами компьютера, растения, галактики. Таким образом, степень взаимодействия между сотрудниками одного учреждения, несомненно, выше, чем между сотрудниками двух разных учреждений. На первый взгляд это не совсем так: почтовый клерк, например, обычно не взаимодействует с исполнительным директором компании, а в основном обслуживая посетителей. Однако клерка и директора, принадлежащих разным уровням иерархии, объединяет общий механизм функционирования компании. Работа и клерка, и директора оплачивается одной финансовой организацией, и оба они пользуются общей аппаратурой, в частности внутренней телефонной системой компании для решения своих задач.

Пять признаков сложной системы

Основываясь на работе Саймона и Эндо, Куртуа предлагает следующие пять признаков сложной системы.

1. «Сложность часто представляется в виде иерархии. Сложная система обычно состоит из взаимозависимых подсистем, которые в свою очередь также могут быть разделены на подсистемы, и т.д. вплоть до самых низших уровней абстракции» (6).

Тот факт, что многие сложные системы имеют разложимую на составляющие иерархическую структуру, является главным фактором, позволяющим нам понять, описать и даже «увидеть» такие системы и их подсистемы [7]. В самом деле, скорее всего мы сможем понять лишь те системы, которые имеют иерархическую структуру.

2. Выбор низшего уровня абстракции достаточно произволен и в большой степени определяется наблюдателем.

Низший уровень для одного наблюдателя может оказаться уровнем достаточно высокой абстракции для другого.

Саймон называет иерархические системы «разложимыми», если они могут быть разделены на четко узнаваемые части, и «почти разложимыми», если их составляющие не являются абсолютно независимыми.

3. «Внутриэлементные связи обычно сильнее межэлементных связей. А поэтому высокочастотные взаимодействия внутри структуры оказываются естественным образом отделены от низкочастотных взаимодействий между структурами.[8].

Различие между внутри- и межэлементными взаимодействиями обуславливает разделение системы на абстрактные автономные части, которые можно изучать по отдельности.

Как мы уже говорили, многие сложные системы организованы достаточно экономно в смысле способов выражения. Отсюда – следующий признак сложных систем.

4. «Иерархические системы обычно состоят из нескольких подсистем разного типа, реализованных в различном порядке и в разнообразных комбинациях»[9].

Иногда, (например, клетки растений и животных) можно обнаружить подсистемы, общие для различных сфер функционирования всей системы.

Выше мы говорили, что сложные системы имеют тенденцию к развитию во времени. Саймон считает, что сложные системы будут развиваться из простых гораздо быстрее, если для них существуют устойчивые промежуточные формы[10].

5. «Работающая сложная система неизбежно оказывается результатом развития работающей простой системы… Сложная система, разработанная от начала до конца на бумаге, никогда не работает и нельзя заставить ее заработать. Вы должны начать с работающей простой системы[11].

В процессе развития системы объекты. Которые сначала считаются сложными, начинают рассматриваться как элементы низших уровней абстракции, из которых затем строятся более сложные системы.

Организованная и неорганизованная сложность

Каноническая форма сложной системы.

Наиболее интересные системы содержат много разных иерархий. В самолете, например, можно выделить системы силовой установки, управления полетом и т.д. такое разбиение дает структурную иерархию типа «это – часть того». Но одновременно эту же систему можно рассмотреть по-другому. Например, турбореактивный двигатель – особый тип реактивного двигателя, а «Pratt and Whithey TF30» – особый тип турбореактивного двигателя. Определенный другим путем «реактивный двигатель» представляет обобщение свойств. Присущих любому типу реактивного двигателя; турбореактивный двигатель – это просто особый тип реактивного двигателя со свойствами, которые отличают его, например, от прямоточного двигателя. Эта вторая иерархия представляет собой «типовую» иерархию. Мы выделяем соответственно типовую и структурную иерархии, называя их соответственно структурой классов и структурой объектов.

Все сложные системы можно представить одной и той же (канонической) формой, представленной на рис 1-1. Здесь мы видим две разные иерархии принадлежащих одной системе: структуру классов и структуру объектов. Каждая иерархия является многоуровневой. В которой более абстрактные классы и объекты построены на базе примитивных. Выбор класса или объекта, соответствующего низшему уровню абстракции, зависит от конкретной задачи. Среди объектов одного уровня существуют четко выраженные связи, особенно это касается компонентов структуры объектов. Любому рассматриваемому уровню абстракции соответствует свой уровень сложности. Структуры классов и объектов не являются независимыми: каждый объект в структуре объектов представляет определенный класс. Объектов в сложной системе обычно гораздо больше чем классов.

Обычно наиболее успешными программными системами являются те, в которых заложены хорошо продуманные структуры классов и объектов и которые обладают пятью признаками сложных систем.

Человеческие возможности и сложные системы.

Когда мы начинаем анализировать сложную систему, в ней обнаруживается много составных частей, которые взаимодействуют друг с другом различными сложными способами, причем ни сами части системы, ни пути их взаимодействия не обнаруживают никакого сходства. Когда мы начинаем в процессе проектирования вносить в систему элементы организованности, мы должны думать сразу о многих вещах. При анализе дискретных систем необходимо рассматривать большие, сложные и не всегда детерминированные пространства состояний. К сожалению, один человек не может отслеживать все это одновременно. Психологи, (например, Миллер) считают, что максимальное количество единиц информации. Которое человеческий мозг может одновременно обработать, не превышает 7 [12]. Этот объем связан, по-видимому, с объемом кратковременной памяти у человека. Саймон отмечает также, что дополнительным ограничивающим фактором является скорость обработки мозгом поступающей информации: ему требуется примерно 5 с. На каждое новое событие [13]. Таким образом, мы столкнулись с серъезным препятствием: требуемая сложность программных систем возрастает, а способности нашего мозга контролировать эту сложность остаются на прежнем уровне.

Обеспечение целостности описания сложной системы.

Понятие целостного описания системы является центральным в системотехнической деятельности.

На его базе строится понятийный аппарат. Целостное описание системы должно давать представление о система как едином целом состоящем из взаимодействующих в интересах достижения поставленной цели частей.

Причинами затрудняющими получение целостного описания является многоаспектность и полидекомпозируемость систем.

Для обеспечения целостного описания системы необходимо решить следующие задачи:

• сформулировать совокупность представлений системы и проанализировать их взаимосвязи;

• выделить формы представления сложной системы;

• провести классификацию моделей, как форм представления сложной системы.