- •С.Г. Ярушин, А.Г. Схиртладзе
- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •Часть I.
- •ОБОРУДОВАНИЯ
- •ПРОЕКТИРОВАНИЯ НОВОЙ ТЕХНИКИ
- •2.2. Общие свойства объектов проектирования
- •2.2.1. Реализуемые функции и взаимодействие с внешней средой
- •2.2.2. Функциональная структура
- •2.3. Классификация оборудования
- •2.4. Оценка работы технической системы
- •Контрольные вопросы
- •3.2. Техническая функция (ТФ)
- •Характеристика и отличительные признаки операций Коллера Е
- •3.3. Функциональная структура (ФС)
- •3.4. Описание физического принципа действия
- •3.5. Описание физико-технических эффектов
- •3.6. Техническое решение
- •3.7. Проект
- •3.8. Объект
- •Контрольные вопросы
- •4.1. Критерии развития
- •4.2. Выбор критерия
- •4.3. Показатели качества
- •4.4. Недостатки технического объекта
- •Контрольные вопросы
- •III. Закон гомологических рядов
- •V. Закон прогрессивной эволюции техники
- •5.2. Тенденции технического развития
- •Контрольные вопросы
- •Этапы работ по созданию технического объекта и временные периоды прогнозирования
- •6.1. Метод экстраполяции
- •6.2. Метод экспертных оценок
- •6.3. Метод моделирования
- •6.4. Схема процесса прогнозирования
- •Контрольные вопросы
- •Контрольные вопросы
- •ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
- •9.1. Определение и виды потребности
- •9.2. Что такое проектирование?
- •9.2.1. Постановка задачи
- •9.2.2. Проектирование как искусство, наука и ремесло
- •9.3. Проектирование с позиции теории отображения
- •9.4. Проектирование и искусственный интеллект
- •9.5. Основные понятия и принципы методологии проектирования
- •9.6. Концепция проектирования
- •9.7. Процедурная модель проектирования
- •9.8. Индивидуальная и коллективная работа
- •Контрольные вопросы
- •10.1. Техническое задание
- •10.2. Техническое предложение
- •10.3. Эскизный проект
- •10.4. Технический проект
- •10.5. Этап разработки рабочей документации
- •Контрольные вопросы
- •11.1. Этапы творческого процесса
- •11.2. Препятствия творчеству
- •11.2.1. Препятствия личного порядка
- •11.2.2. Препятствия организационного порядка
- •Контрольные вопросы
- •12.1. Метод проб и ошибок
- •12.2. Метод адаптивного поиска
- •12.3. Метод случайного поиска
- •Контрольные вопросы
- •ИЗВЕСТНОГО ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА
- •14.1. Предварительная постановка задачи
- •14.2. Уточненная постановка задачи
- •Контрольные вопросы
- •СИСТЕМОТЕХНИКИ
- •15.1. Сложность современных задач проектирования
- •15.3. Преодоление сложностей традиционного процесса
- •проектирования
- •15.4. Проектирование системы человек - машина
- •ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
- •16.1. Всесторонняя экономия ресурсов
- •16.2. Порядок проведения ФСА
- •16.2.1. Подготовительный этап ФСА
- •16.2.3. Разработка улучшенных проектно-конструкторских решений
- •Пример оценки вариантов
- •16.2.4. Разработка и внедрение результатов ФСА
- •16.3. Дальнейшее развитие ФСА
- •Контрольные вопросы
- •ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА
- •17.1. Использование возможностей подсознания
- •17.2. Метод прямой мозговой атаки
- •17.3. Метод обратной мозговой атаки
- •17.5. Синектика
- •Контрольные вопросы
- •18.1. Краткий обзор и классификация эвристических методов
- •18.2. Метод эвристических приемов
- •18.2.1. Количественные изменения
- •18.2.2. Преобразование формы
- •18.2.3. Преобразование структуры
- •18.2.4. Преобразования в пространстве
- •18.2.5. Преобразования во времени
- •18.2.6. Преобразование движения и силы
- •18.2.7. Преобразование материала и вещества
- •18.2.8. Приемы дифференциации
- •18.2.9. Использование профилактических мер
- •18.2.10. Использование резервов
- •18.2.12. Повышение технологичности
- •18.3. Обобщенный эвристический метод
- •19.1. Операции обработки информации
- •19.2. Метафорическое описание и анализ проблемной ситуации
- •Контрольные вопросы
- •МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
- •20.1. Проектант как «черный ящик»
- •20.2. Проектант как «прозрачный ящик»
- •20.3. Проектант как самоорганизующаяся система
- •20.4. Критерии управления проектными работами
- •Контрольные вопросы
- •АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
- •21.1. Морфологическая комбинаторика
- •21.3. Составление морфологических таблиц
- •21.4. Выбор наиболее эффективных технических решений
- •Комбинация из двух элементов
- •21.5. Пример решения задачи
- •22.1. Матрица взаимодействий
- •22.2. Сеть взаимодействий
- •22.5. Проектирование новых функций
- •Контрольные вопросы
- •23.1. Контрольные перечни
- •23.2. Ранжирование и взвешивание
- •23.2.1. Выбор соответствующей шкалы измерения
- •Контрольные вопросы
- •24.1. Сбор и анализ данных
- •Типовой метод накопления данных
- •24.2. Свертывание данных
- •24.3. Накопление и свертывание
- •24.4. Последовательность действий
- •Критерии методов накопления и свертывания данных
- •Контрольные вопросы
- •ПО ФУНДАМЕНТАЛЬНОМУ МЕТОДУ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЭТЧЕТТА
- •Контрольные вопросы
- •26.1. Критерии управления проектными работами
- •26.2. Стратегии проектирования
- •26.3. Как выбрать метод проектирования
- •Схема «Дано - требуется»
- •Часть III
- •КОМПЬЮТЕРИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
- •ПРОЕКТИРОВАНИЯ
- •Описание синтезированного с помощью ЭВМ известного ФПД датчика тока
- •28.2. Количественный синтез физических принципов
- •действия
- •Физическая сущность эффекта
- •Примеры описания ФЭ
- •29.1. Использование многоуровневых морфологических таблиц
- •29.3. Составление списка требований
- •29.4. Разработка модели оценки технических решений
- •29.5. Алгоритмы поиска решения на И - ИЛИ-дереве
- •Ограничения по типам свертки
- •29.6. Порядок решения задач
- •СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •ОГЛАВЛЕНИЕ
9.5. Основные понятия и принципы методологии проектирования
Любая изучаемая дисциплина должна достаточно четко определить предмет своих исследований, основные понятия и принципы. Не является исключением и данная дисциплина. Некоторые исходные определения, касающиеся объекта проектирования, были сделаны уже в главе 2. Оста новимся подробнее на ключевых понятиях в области проектирования. Центральным понятием в данной дисциплине является «методология про ектирования». Методология проектирования объединяет два понятия: ме тодология и проектирование.
Методология - это учение о структуре, логической организации, методах и средствах деятельности.
Под проектированием, как уже отмечалось, понимается процесс со ставления описания, необходимого для создания еще не существующего объекта. На этой основе методологию проектирования можно определить как
учение о структуре, логической организации, методах и средствах состав ления описания, необходимого для создания еще не существующего объекта.
Описание составляется путем преобразования первичного описания, оптимизации заданных характеристик объекта или алгоритма его функ ционирования, устранения некорректности первичного описания и после довательного его представления (при необходимости) на различных язы ках. В определении нужно дополнительно отразить целенаправленность проектирования на удовлетворение определенной потребности и особые его процедуры, предшествующие составлению описания и относящиеся к творческим актам поиска и принятия решений.
С учетом дополнений под методологией проектирования понимает ся учение о структуре, логической организации, методах и средствах по иска и принятия решений о принципе действия и составе еще не сущест вующего объекта, наилучшим образом удовлетворяющего определенным потребностям, а также составление описания, необходимого для его создания в заданных условиях.
Метод предопределяет способ действия. Метод —это рациональная основа способа действия. Методы проектирования содержат указания, спо
собствующие целесообразному применению знаний и заданных связей, а также практические рекомендации разработчику задания или проблемы.
Способ - это действие или система действий, при исполнении какойнибудь работы, при осуществлении чего-нибудь.
Для существования метода необходимы:
♦правила поведения как описание способа действия;
♦осознание использования метода как основы действия;
♦дисциплинированное подчинение правилам поведения;
♦описание ситуации, в которой целесообразно применение данного метода.
Наличие правил, осознанность действий, дисциплина, воспроизводи мость и описание ситуации свидетельствуют о существовании метода.
Вместе с тем следует осознавать, что методика проектирования —это не просто формула и даже не инструкция, а последовательность событий, составляющих процесс проектирования, в рамках которого возможно ло гическое развитие конструкции. Метод увеличивает возможности реше ния различных проблем, но сам по себе не предопределяет их решения.
Исследуя деятельность проектантов, можно указать на две формы интеллектуального действия, которые называют:
♦открытым мышлением;
♦замкнутым мышлением.
Использование метода тесно взаимосвязано с открытым мышлением, поскольку о методе можно говорить тогда, когда его удается определить. О способах замкнутого мышления можно судить единственно лишь на ос нове анализа результатов соответствующего действия.
Стремление к порядку в действиях естественно приводит к поведе нию, соответствующему научному методу.
Научное исследование имеет общие черты независимо от того, что составляет объект исследований. Во всех научных исследованиях дея тельность определяется циклическим использованием последовательно итерационного процесса на основе рационализированного метода, элемен тами которого являются:
Наблюдение—*■Гипотеза—* Эксперимент—*■Теория—►Наблюдение—* -^Гипотеза—►Эксперимент—►Теория!
Теперь, после разъяснения основополагающего понятия, можно ос тановиться на некоторых других важных понятиях в соответствии с ГОСТ 34.003-90.
Проектное решение - это промежуточное или конечное описание объекта проектирования, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения дальнейшего направления или окончания проектирования.
Алгоритм проектирования - совокупность предписаний, необходи мых для выполнения проектирования.
Язык проектирования - язык, предназначенный для представления и преобразования описаний при проектировании.
Проектная процедура- совокупность действий, выполнение кото рых оканчивается проектным решением.
Проектная операция- действие или совокупность, составляющих часть проектной процедуры, алгоритм которых остается неизменным для ряда проектных процедур.
Множественность путей достижения целей проектирования требует рассмотрения не одного, а многих вариантов технического решения, к ка ждому из которых применяются определенные методы анализа и оценки. Повторное применение метода или алгоритмов проектирования характе ризует еще одну его особенность, названную итеративностью.
Современные методы проектирования должны быть ориентированы на широкое использование компьютеров, не исключая человека при реше нии наиболее сложных и творческих задач. Такую особенность называют
эргатичностью, подразумевая разумное сочетание формализованных (машинных) и неформализованных (человеческих) процедур в процессе проектирования.
Можно выделить три основные задачи методологии проектирования с учетом приведенных особенностей изучаемых ею методов: декомпози цию, разработку математических моделей, методы и алгоритмы выполне ния проектных процедур.
Первой задачей методологии проектирования считается декомпози ция, т.е. построение логической схемы последовательности действий, наи лучшим образом организующей процесс проектирования.
Стремление к широкому использованию компьютерных технологий требует формализации процедур, а это, в свою очередь, требует составле
ния математической модели как процесса, так и объекта проектирования. Поэтому разработка математически моделей составляет вторую, а ме тоды и алгоритмы выполнения проектных процедур и операций - третью задачу методологии.
И еще об одной задаче. Она не вытекает непосредственно из всего ранее изложенного, но не теряет от этого своей важности. Речь идет о вы боре стадий разработки объекта проектирования.
ЕСКД предусматривает следующие стадии: техническое задание; техническое предложение; эскизный проект; технический проект; рабочая документация. Подробно описание этих стадий будет дано в главе 10. ГОСТ 34.201-89 не обязывает выполнение всех стадий. В практике каждой проектной организации установилась традиционная стадийность. Однако она зачастую не отвечает возросшей сложности объектов проектирования. Выбор стадий разработки должен быть более гибким и устанавливаться обоснованно, а не традиционно. Курсовой и дипломный проекты обычно соответствуют стадии технических предложений или эскизного проекта.
9.6. Концепция проектирования
Концепция является центральным объектом творчества в процессе проектирования. Концепция и проектно-конструкторские предпосылки составляют диалектическое единство.
Термин «концепция» без привязки к конкретной области деятельно сти, в данном случае к области проектирования, подразумевает систему взглядов, определенный способ понимания, трактовки каких-либо явле ний, основную точку зрения, руководящую идею для их освещения, веду щий замысел, конструктивный принцип различных видов деятельности.
«Концепция» применительно к проектированию - это абстракция, дающая «набросок» решения задачи. В области технических действий концепция является результатом творчества в отношении технического средства и его действия; она представляет собой замысел действия техни ческого средства и его конструктивного вида. Концепция логично увязы вается с проектно-конструкторскими предпосылками.
Обратим внимание на значение разработки системной и конструктив ной концепций как на способ рационализации разработки технической кон цепции с целью оптимизации действия технических средств и их роли.
1.Концепция проектирования должна быть интегральной, т.е. долж на вбирать в себя все положительные стороны мирового опыта в данном направлении.
2.Концепция проектирования не должна ограничиваться только тех нической стороной дела, а должна также учитывать реалии рыночной эко номики.
3.Концепция должна быть многомерной, т.е. должна учитывать итерационный характер процесса проектирования.
4.Концепция должна быть обозримой, т.е. должна допускать графическую интерпретацию (граф, схему, дерево и т.д.).
Внастоящее время в мире не выработана единообразная, стандарти зированная концепция проектирования. Существенно отличаются между собой не только концепции, выработанные в разных странах, но и концеп ции, предложенные разными авторами, работающими в одной стране.
Для примера на рис. 9.5 представлена концептуальная модель проек тирования, предложенная в 1967 году Джорджем Форменом [17]. Концеп ция графически смотрится эффектно, но из-за своей многомерности очень трудна для восприятия и применения рядовым проектантом. На рис. 9.6 показан вариант концепции, предложенный Я.Э. Миндлиным [30].
В1999 году профессором Пермского государственного технического университета В.Л. Поповым была предложена концепция процесса проек тирования, применительно к традициям российской школы (рис. 9.7). Эта концепция в учебнике взята за основу. В принятой концепции техниче ская сторона процесса проектирования представляется в виде трехмерной матрицы. Одна из осей (синтез —анализ —принятие решений) соответствует подходу, сформулированному Дж. Диксоном [18]; вторая ось (область ис пользования —технический объект —агрегат —узел (деталь)) характеризует системный подход к процессу проектирования; третья ось (техническое за дание (ТЗ) - техническое предложение (ТП) - эскизный проект (ЭП) - тех нический проект (Тех.Пр) —рабочий проект (РП) —опытный образец (00)) соответствует сл о ж и в ш ей ся в нашей стране практике выполнения опытно-
конструкторских работ (ОКР).
Меридианы,
теся от |
|
рного до Ю жного |
|
полю са, делят поверхность |
|
сферы на ш есть участков в |
|
соответствии с основными |
«С еверны й п ол ю с» |
характеристиками |
|
мыслительной |
|
деятельности |
|
|
Легевда |
Оптимальное |
|
решение |
|
— |
Обычные направления взп |
суммы |
— |
Зависимости меж цу элеме |
истинных |
|
лежащ ими в одной плоскости |
потребностей |
— |
в конкретном |
|
Зависимости м еж ду элементами,) |
комплексе |
|
|
лежащ ими в разны х плоскостях |
обстоятельств |
о Фактор |
|
|
• |
Принцип |
«Ю ж н ы й п ол ю с» |
Регулируемые полосовые фильтры, например:
[' ПЕРВИЧНОЕ КОЛЬЦО
(исключить, объединил», перенести, унифицировать, модифицировал»,упростил»)
• ВТОРИЧНОЕ КОЛЬЦО
(проанализироватьвлияние однойдетали, фактора, решения, принципаит.д. на всеостальные, инаоборот)
•ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
итд. (предположить, оценить, представил»себерешение, выяснил»причину, заменить решениенаобратное, проверил»наизбыточность инедостаток, пределы примененияистепени ^свободы
Плоскости
суждения,
взгляд сквозь которые вверх соответствует суж дению , а отражение от которы х вниз соответствует принятию реш ения
О бш дй стержень мыслительных процессов, соотвегсгауклвдй задачам и целям, которые все время остаются в сф ере внимания
Р ис.9.5. К онцепт уальная схема процесса проект ирования Д ж . Ф ормена [17]
10 И
Рис.9.6. К онцепция проект ирования поЯ .Э . М индлину [30]:
1 - т ехнологичност ь дет алей; 2 - м иним изация габарит ов;
3 - м иним изация массы ; 4 - надеж ность конст рукции; 5 -р е а л и за ц и я т ехнических т ребований в конст рукции; 6 - коррект ировка т ехнических т ребований; 7 - перераспределение парамет ров т ехнических т ребований в заданны х пределах; 8 - расчет ы, испытания, м акет ирование и другие работ ы , связанны е с проектированием; 9 — уплот нение ф ункциональной нагрузки; 10 -ун и ч т о ж ен и е запасов по парамет рам т ехнических
т ребований; 11 -у ст а н о влен и е цены реализации т ехнических т ребований
проектирования соответствует узлам матрицы, например, синтез структуры энергоустановки или анализ работы узла торможения и т.д.
Движение в направлении оси Z соответствует принятому (в России) поэтапному порядку разработки объектов новой техники (ГОСТ 34.201-89).
Размер матрицы может быть уменьшен в основном за счет исключе ния из рассмотрения некоторых этапов опытно-конструкторских работ (например, исключение этапа эскизного или технического проектирования для относительно простых объектов).
Функционально-стоимостный анализ новых разработок производил ся в СССР в масштабе отраслей промышленности (в первую очередь элек тронной) уже в середине 70-х годов. Однако при отсутствии рыночных отношений плановая экономика не рассматривала потребителя продукции как участника процесса проектирования. В реалиях сегодняшнего дня по требитель (потенциальный покупатель) становится «критерием истины»: если разработанная продукция пользуется спросом (покупается), то спро ектировано именно то, что нужно. Наука, обеспечивающая связь разра ботчика и производителя технических объектов с покупателем, называет ся маркетингом. Маркетинг обеспечивает изучение вкусов и требований покупателя в динамике. Основные правила маркетинга:
1.Постоянное изучение рынка.
2.Поиск «своей» продукции.
3.Организация сбыта, включая рекламу.
Итак, методологический подход системного иерархического выбора глобально-оптимальных конструкторско-технологических решений вклю чает в себя:
♦выбор наиболее эффективного принципа действия;
♦синтез наилучшей функциональной структуры;
♦разработку рациональных технических решений;
♦моделирование;
♦оптимизацию параметров;
♦функционально-стоимостный анализ;
♦маркетинг.
Таким образом, можно заключить, что технический объект нужно проектировать тогда, когда подобных объектов не существует и от него