книги / Системы автоматизированного проектирования технологических процессов

ГЛАВА 2. ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

2.1. Процедуры на стадии разработки технического задания

Техническое задание согласно ГОСТ 15.001-73 устанавливает: основ­ ное назначение, технические и тактико-технические характеристики, показа­ тели качества и технико-экономические требования, предъявляемые к разра­ батываемому изделию, необходимые стадии разработки конструкторской документации и ее состав, а также специальные требования к изделию. Тех­ ническое задание составляет разработчик на основе заявки заказчика. Заявка уже должна содержать обоснование технико-экономических требований к продукции. Обоснование требований приводит к необходимости системных исследований. Выполнить это заказчику, не располагающему кадрами науч­ ных работников, затруднительно. Поэтому должное обоснование требований возлагается на разработчика.

Продукция, подлежащая разработке и изготовлению, по техническому уровню и качеству должна быть такой, чтобы к моменту выпуска она была на уровне лучших отечественных и мировых достижений, конкурентоспо­ собной, экономически эффективной и удовлетворяла потребности внутрен­ него и внешнего рынка.

На стадии технического задания выполняются следующие процедуры: определение потребности в проектировании, выбор целей и определение признаков объекта проектирования.

2.1.1. Определение потребности в проектировании

Потребность в новой технике не всегда связана с потребностью проек­ тирования. Во-первых, нужные объекты уже могут существовать, во-вторых, рационализация технологии может изменить потребность в технических средствах, в-третьих, если потребность связана с улучшением характеристик уже существующей техники, то ее удовлетворение должно дать эффект, в противном случае создание нового объекта нерационально.

Всегда нужно помнить, что проектирование - сложный и трудоемкий процесс. Развертывать его следует только в тех случаях, когда без этого обойтись нельзя. С учетом изложенного, процедуру определения потребно­ сти в проектировании можно представить как решение задачи об установле­ нии истинности сложного высказывания, заключающегося в следующем.

Технический объект нужно проектировать тогда, когда подобных объ­ ектов не существует, и от него нельзя отказаться, когда затраты на проекти­ рование, подготовку производства и изготовление окупаются в установлен­ ный срок и приносят эффект.

Выделим из приведенного сложного высказывания элементарные: Л - технический объект имеется в нашей стране; Y1 - технический объект

имеется за рубежом; УЗ - можно отказаться от объекта; Y4 - применение объекта дает эффект; Y5 - можно приобрести объект за рубежом.

Формула высказывания, определяющая потребность в проектировании,

гда, когда Y 1 ложно (FALSE); Л - знак операции конъюнкции (и). Определение истинности элементарных высказываний составляет от­

дельные операции. Часть из них ( У\ и Y 2 ) можно выполнить, обратившись к базе данных о существующих объектах соответствующего класса. Истин­ ность высказывания УЗ устанавливается при решении задачи, рассматри­ вающей объект проектирования внутри системы более высокого уровня. Ис­ тинность У4 (определение эффективности) строится на основе прошлых и будущих затрат.

2.1.2. Выбор целей проектирования

При проектировании того или иного объекта на первых стадиях мы не представляем себе, как он выглядит (какую имеет форму, размеры, тип рабо­ чею органа), однако известно, что он должен делать, известны его ориенти­ ровочная производительность, стоимость и некоторые исходные данные. Кроме того, можно установить, в каких условиях он будет работать (клима­ тические условия, квалификация обслуживающего персонала и др.). Объект окажется жизнеспособным, если он будет приспособлен к окружающей сре­ де и к заданным функциям не в настоящем времени, а в будущем. В связи с этим распознавание (с точки зрения теории познания проектирование - это распознавание) объекта связано с прогнозированием. В этом случае уместно обратиться к одному из приемов драматургии приему составления сцена­ рия.

Под сценарием в практике социально экономического и научнотехнического прогнозирования подразумевается обзор, содержащий данные о ситуации, внутри которой протекают процессы, являющиеся объектом про­ гноза.

Описать ситуацию - значит установить факторы окружения проекти­ руемого объекта, к которым относятся: окружающая среда, внутри которой будет обитать объект; научно-техническая, экономическая и социальная си­ туации.

Описание факторов окружения начинается с изложения существующе­ го положения и заканчивается прогнозом на будущее. Существует свыше 100 методов прогнозирования, среди которых: математическая подгонка поли-

номами, экстраполяция факторов, множественные регрессии, технические прогнозы по опережающей области, коллективный экспертный опрос, мор­ фологический анализ, метод «Дельфи» (считаются баллы, рейтинги 4 - 6 раз, пока не будет изменений), коллективная генерация идей, экономические иг­ ровые модели и др.

Инженерное прогнозирование использует такие методы, как коллек­ тивный экспертный опрос, экстраполяция, морфологический анализ.

Экспертные методы прогнозирования основаны на обработке мнений специалистов (expertus в переводе с латинского означает опытный). Опрос экспертов производится в устной форме (интервью), в форме анкет. Иногда достаточно обратиться к публикациям, в которых можно найти высказыва­ ния экспертов по интересующему вопросу. С учетом выделенных четырех сфер окружения объекта проектирования можно сформировать четыре груп­ пы экспертов, специализирующихся в областях: научных исследований (на­ учно-техническая ситуация), экономики (экономическая ситуация), произ­ водства и потребления (социальная ситуация), экологии (окружающая сре­ да).

Экстраполяционные методы прогнозирования основаны на переносе событий и состояний из прошлого в будущее. Они используются с успехом для ситуаций, медленно изменяющихся во времени, т.е для ситуаций, нахо­ дящихся в эволюционном развитии.

Морфологический анализ применим как к эволюционному развитию, так и к резким изменениям. На его основе можно предсказать преимущест­ венное развитие того или иного объекта или целого направления техники. Конкурирующие направления сравниваются по ряду характеристик, имею­ щих определенный вес, такое сравнение может производиться на основе оп­ роса экспертов. Для обработки полученных данных прибегают к статистиче­ ским методам.

Сценарий вскрывает множество факторов, определяющих в дальней­ шем направление поиска технического решения проектируемою изделия. На основе сценария можно сформировать цели проектирования, исходя из раз­ личных сфер окружения. Все окружение разбивается на уровни. На первом уровне помещается сфера, охватывающая интересы всего человечества, на втором - интересы государства, далее - сферы интересов отрасли, предпри­ ятия (заказчика), проектной организации (исполнителя), отдела и, наконец, сфера личных интересов. На каждом уровне возникают свои цели, связанные с целями более высокого уровня. Граф, вершины которого означают цели, а дуги - их отношения, носит название графа целей (рис. 2.1).

II - государственные интересы

III - интересы отрасли

IV - интересы предприятия (заказчика)

V - интересы проектной организации

VI - интересы отдела

VII - интересы личные

а

б

Рис. 2.1. Граф целей: а - уровни сфер окружения объекта проектирования; б - обозначения на вершинах графа целей

Попытаемся с помощью графа найти наиболее важные цели на каждом уровне. Для этого выполним следующее: 1) разобьем каждый кружок на че­ тыре сектора; 2) в верхних секторах поставим номера вершин i-j (/ - номер уровня; j - номер цели на уровне /); 3) в нижних секторах запишем оценки весов целей по их относительной значимости на каждом уровне г,.,. Пока ранжирование целей проведено без учета их связей. Однако достижение не­ которых из них, кроме главной (1 уровень), оказывается средством к дости­ жению связанных с ней целей более высокого уровня. Естественно, что кон­ структор яснее всего осознает свои личные цели. Достигая их, он обеспечи­ вает выполнение связанных с ними более высоких по уровню целей. Скор­ ректируем веса целей с учетом связей и воспользуемся понятием коэффици­ ента связи. Определим его как произведение весов целей, связанных на гра­ фе дугой.

Категория качества является результирующей оценкой и может быть первой и высшей. К первой категории относят объекты, находящиеся по тех­ нико-экономическим показателям на уровне современных требований на­ родного хозяйства, отвечающие стандартам и нормативно-техническим до­ кументам, входящим в проект, а к высшей - объекты, у которых показатели находятся на уровне лучших мировых достижений и даже превосходят их.

Показатели надежности дают количественные характеристики прояв­ ления одного или нескольких свойств, обуславливающих надежность маши­ ны применительно к определенным промежуткам времени, режимам и усло­ виям эксплуатации.

Надежность машины проявляется в ее безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Показателем безотказности служат: вероятность безотказной работы; средняя наработка до отказа; интенсивность отказов; параметр потока отка­ зов; наработка на отказ.

Долговечность определяется свойством объекта длительно (с учетом ремонтов) сохранять работоспособность в условиях эксплуатации до разру­ шения или другого состояния, при котором не возможна нормальная экс­ плуатация.

Ремонтопригодность означает приспособленность машины к восста­ новлению ее работоспособности и поддержанию технического ресурса путем предупреждения, обнаружения и устранения неисправности и отказов.

Сохраняемость подразумевает свойство сохранять эксплуатационные показатели в течение и после срока хранения или транспортирования, уста­ новленного в технической документации.

Основные показатели технологичности распределены по шести группам: 1) по трудоемкости (изготовления изделия, изготовления по видам ра­ бот, подготовки к функционированию, ремонта), 2) по себестоимости; 3) по унификации и взаимозаменяемости (коэффициенты унификации изделия, стандартизации); 4) но расходу материала (масса, коэффициенты использо­ вания материала и применимости материала); 5) по обработке (коэффициен­ ты точности обработки и шероховатости поверхностей); 6) по составу конст­ рукции (коэффициенты сборности и использования в других изделиях).

Уровень стандартизации и унификации характеризует насыщенность объекта стандартными и унифицированными частями. Для оценки исполь­ зуются два коэффициента: применяемости и повторяемости.

Показатели безопасности работы и обслуживания характеризуют ряд свойств объекта, обеспечивающих активную (динамические и тормозные ка­ чества, обзорность из кабин управления, обеспеченность сигнализацией, на­ личие устройств блокировки), пассивную (применение безосколочных сте­ кол, жесткость кабины, наличие защитных решеток и др.) и послеаварийную (наличие аварийного люка, возможность выхода людей) безопасность.

Признаки зршномнчности отражают соответствие конструкции объек­ та гигиеническим условиям жизнедеятельности человека, а также его антро­ пометрическим и физиологическим свойствам.

Основные показатели эстетичности: композиционная целостность формы; товарный вид, определяемый состоянием наружной отделки и др.

Признаки экологичности характеризуют воздействие объекта на окру­ жающую среду, людей, животных. Показатели экологичности - уровень внешнего шума, содержание углекислого газа в продуктах сгорания топлива идр.

Признаки патентной чистоты характеризуют конструкцию объекта с точки зрения патентов и свидетельств, а также товарных знаков.

Условия эксплуатации, технического обслуживания и ремонта харак­ теризуются показателями: продуктивности, качественной работоспособно­ сти, ресурсопотребляемости, транспортабельности.

Наиболее существенные, по мнению конструктора, признаки включа­ ются в техническое задание на проектирование, другие учитываются как критерии или критериальные ограничения при выборе наиболее рациональ­ ного варианта и оптимальных параметров объекта. Установить признаки объекта на данной стадии еще не означает выбрать его конструктивное ре­ шение. Признаковое пространство достаточно широко для вмещения многих вариантов технического решения, хотя и определяет направление дальней­ шего поиска.

Для автоматизированного выполнения процедуры нужно построить полные множества целей и признаков, установить бинарные отношения ме­ жду элементами этих множеств и произвести срез внутри этих отношений по выбранному подмножеству целей А0.

Бинарное отношение между целями и признаками можно отразить в

Строки матрицы соответствуют целям проектирования, а столбцы - основным признакам. В ячейках на пересечении строк и столбцов простав­ ляются +1,-1 или 0 (+1 означает, что признак соответствует цели, а для ее достижения показатели должны быть увеличены; -1 - признак отвечает цели, показатели должны быть уменьшены; 0 - признак не отвечает цели).

На основании целевого описания и матрицы соответствий можно со­ ставить концептуальное описание. Оно включает в себя: выражение потреб­

ности проектирования, цели в ранжированной последовательности и призна­ ки, соответствующие целям:

ОП2 = {а0[а,{р„ Р2\ fl2 (/*„/>,)...]},

Р), Р2 - признаки, соответствующие целям проектирования я, из полного множества признаков; Ръ, Р5- признаки, соответствующие цели а2.

Пример. Цель на уровне заказчика при проектировании машины для разработки мерзлых грунтов - снижение себестоимости разработки грунтов - связана с признаками: показателями надежности и технологичности, ха­ рактеристиками условий эксплуатации, технического обслуживания и ре­ монта, показателями экономичности.

2.2. Процедуры на стадии разработки технического предложения

Техническое предложение - это совокупность конструкторских доку­ ментов, разработанных на основе технического задания и содержащих опи­ сание вариантов возможных решений и оптимального среди них.

Поиск вариантов решений выполняет инженер-конструктор. Однако уже на этой стадии целесообразно привлекать к работе над проектом инже- неров-технологов и художников-конструкторов.

Технологи, участвуя вместе с конструкторами в выборе вариантов, за­ ботятся о лучших предпосылках для использования рационального членения и компоновки будущей конструкции, лучших предпосылках для использова­ ния стандартных и унифицированных узлов, типовых технологических про­ цессов и ограничении номенклатуры конструкционных материалов. Худож­ ник-конструктор формирует требования технической эстетики и эргономики, разрабатывает варианты художественно-конструкторского решения.

В техническом предложении отражаются результаты исследований по проверке патентной чистоты выбранного варианта решения. В число доку­ ментов технического предложения входят пояснительная записка и ведо­ мость технического предложения. Кроме того, в него могут дополнительно включаться: чертеж общего вида или габаритный чертеж, схемы, таблицы, расчеты и патентный формуляр.

Чертеж общего вида определяет конструкцию изделия и взаимодейст­ вие его составных частей и поясняет принцип работы изделия. Он включает в себя виды, разрезы изделия, надписи, текстовую часть; наименования составных частей, для которых объясняется принцип работы. Составные части изображают упрощенно.

Габаритные чертежи выполняют с максимальными упрощениями, но так, чтобы были видны крайние положения перемещающихся частей. На чертеж наносят габаритные, установочные и присоединительные размеры.

Схемы в зависимости от входящих в состав изделия элементов подраз­ деляются на следующие виды, обозначаемые буквами: электрические - Э, гидравлические - Г, вакуумные - В, пневматические - П, кинематические - К, оптические - Л, и т.д. В зависимости от основного назначения схемы де­ лятся на типы, обозначаемые цифрами: структурные - 1, функциональные - 2, принципиальные (полные) - 3, соединений (монтажные) - 4,и т.д.

Структурная схема определяет основные функциональные части изде­ лия, их назначение и взаимосвязи.

Функциональная схема разъясняет процессы, протекающие в функ­ циональных цепях изделия или в изделии в целом.

Принципиальная (полная) схема определяет полный состав элементов и связей между ними и дает детальное представление о принципах работы изделия.

Исходя из содержания технического предложения выделены три ос­ новные процедуры: поиск вариантов технических решений с разработкой функциональных и структурных моделей объекта проектирования, выбор оптимального варианта и анализ принятого варианта решения.

2.2.1. Поиск вариантов технических решений

На входе процедура поиска возможных решений имеет цели проекти­ рования и основные признаки. А выходом ее должны стать варианты дости­ жения поставленных целей, т.е. варианты проектируемого объекта. Этап проектирования в наибольшей степени носит творческий характер, когда на­ глядно проявляются способности конструктора к изобретательству. Разгадка механизма творчества - неотъемлемое условие создания искусственного ин­ теллекта. На заре технического творчества поиск конструктивною решения всецело относился к области искусства. В настоящее время этот процесс все ближе примыкает к науке. Использование систематизированных и обобщен­ ных знаний в поиске технических решений - характерная черта современно­ го проектирования. Знания нужны не для того, чтобы освободить человека от творчества, а для того, чтобы сделать это творчество более целенаправлен­ ным. Стремление к сокращению сроков проектирования не позволяет наде­ яться на спонтанное озарение, его нужно стимулировать. Нередки случаи, когда наиболее удачный вариант технического решения возникает в конце разработки и уже не может быть использован.

Известные в настоящее время приемы и методы поиска технических решений по степени формализации делят на три группы: 1) неформализо­ ванные эвристические приемы и методы, состоящие из набора эвристик (для неструктурированных задач); 2) частично формализованные эвристические методы (для слабоструктурных задач); 3) полностью формализованные приемы и методы - алгоритмы.

Названные группы отличаются по численности входящих в них прие­ мов и методов. Наиболее многочисленна первая группа. Она включает в себя

как общие (инвариантные) методы, применимые к любым объектам, так и частичные, относящиеся к определенному классу технических систем и их элементов.

Полностью формализованные методы (алгоритмы) составляют самую малочисленную группу и относятся лишь к конкретным объектам техники. Однако с развитием методики проектирования все большее число методов переходит из первой группы во вторую и из второй в третью. Автоматизиро­ ванное проектирование строится на второй группе методов, а автоматиче­ ское - на третьей.

Эвристические методы рождаются в результате анализа уже выпол­ ненных проектных разработок. Некоторые из них являются сугубо индиви­ дуальными, связанными с образом мышления конкретной личности. Переда­ ваемые от учителя к ученикам, они зачастую не приносят последним тех ре­ зультатов, которых добился учитель. Другие приемы и методы, несомненно, полезны всем, помогают преодолеть инерцию мышления, служат ориенти­ рами в поиске технических решений.

Примерами первой группы методов поиска решений являются эври­ стические приемы, метод гирлянд ассоциаций, метод мозгового штурма, синектика, метод идеального объекта.

Эвристические приемы. Они указывают на то, как преобразовать имеющееся техническое решение для получения искомого, т.е. имеется не­ который объект (прототип), к которому применяется преобразование (эври­ стический прием), после чего полученный результат сравнивается с целевым. Большинство приемов включает в себя две части. Первая отвечает на вопрос «Что изменить?», вторая - «Как изменить?». Первая часть может содержать несколько переменных, а вторая - несколько способов их изменения. Поэто­ му приемы зачастую содержат несколько поисковых шагов. Известно более двухсот эвристических приемов, в том числе «от целого к частному», анало­ гии, элементарные вопросы и др.

При поиске технических решений, используя эвристические приемы, следует: 1) уяснить цели проектирования, изложенные в техническом зада­ нии, и составить список признаков искомого технического решения; 2) вы­ брать из известных технических решений (если решение не задано) один или несколько прототипов, в наибольшей степени отвечающих списку призна­ ков; 3) проанализировать прототипы, выявив несоответствие их признаков искомому решению; 4) в соответствии с признаками, подлежащими измене­ нию, выбрать наиболее подходящий прием.

Метод гирлянд ассоциаций. В некоторых случаях, когда цель проек­ тирования определяет единственный признак объекта - новизну, можно вос­ пользоваться методом гирлянд ассоциаций. Для этого объекту подбирают синонимы (если это возможно), а затем случайным образом называют другие объекты и составляют комбинации из тех и других. Каждую пару объектов дополняют тем или иным признаком случайного объекта или ассоциациями, которые они вызывают. Основной смысл заключается в том, чтобы «расша­