Лекция 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ: ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕДУРЫ И АТРИБУТЫ

- Проектирование

- Эволюция процесса проектирования

- Системотехника

- Структура и параметры

- Задача синтеза технической системы

- Декомпозиция задачи

- Иерархическая система задач и критериев

Проектирование - это процесс, охватывающий все этапы разработки жизненного цикла любой технической системы, включающий по существу комплекс работ с целью получения описания нового (или модернизированного) технического объекта, достаточного для изготовления и эксплуатации объекта в заданных условиях.

В соответствии с современным толкованием этого понятия под проектированием принято понимать процесс переработки информации, содержащейся в техническом задании и нормативных документах, а также в знаниях проектанта, в информацию, образующую проект системы.

Проектирование можно рассматривать как процесс выработки решений по самым разнообразным вопросам (например, из каких элементов должно состоять изделие, каким должны быть параметры каждого элемента и т.д.)

Поскольку без количественных оценок принимать решение невозможно, то проводятся соответствующие исследования, которые представляют собой в основном математическое моделирование и эксперимент. Так как при создании современных средств космической техники эксперимент с системой в целом очень сложен или невозможен, то основную роль для таких оценок играет математическое моделирование.

Следует отметить, что никакие исследования не в состоянии учесть множество факторов, которые требуются учитывать при проектировании. Поэтому необходимы и играют решающую роль суждения руководителя, основанные на опыте, интуиции, знаниях и творческих способностях. И не случайно при определении понятия проектирование некоторые исследователи относят его к искусству в большей мере , чем к науке.

Как прикладная дисциплина проектирование восходит к временам, когда на смену кустарного производства, характерным использованием при создании нового изделия методом «проб и ошибок», когда информация о будущем изделии хранилась в основном в виде усваиваемых при обучении ремеслу фиксированных навыков пришли технологии предварительного описания изделия, позволившие отделить умозрительную разработку от практического изготовления.

Рассматривая эволюцию процесса проектирования технических объектов, можно выделить несколько характерных этапов, отличающихся друг от друга используемым инструментарием и методическим подходом.

Этап «чертежного проектирования» - характерный появлением чертежа, как носителя информации о будущем изделииотделением процесса разработки такого описания от изготовления. Предварительное описание изделия позволило разделить труд по изготовлению отдельных частей изделия между несколькими работниками. Стало возможным создания изделий слишком больших, чтобы они могли быть изготовлены одним ремесленником. Именно на этом этапе «проектирование» выделилось в особую профессию.

Этап «расчетного проектирования» характерный использо­ванием математических методов для предварительных расчетов созда­ваемых объектов. Использование математики позволяют объек­тивно оценить качества будущего изделия, создать базу для сопоставле­ния различных проектных вариантов. Область использования метода проб и ошибок сужается благодаря применению проверочных расчетов.

Этап «аналитического проектирования» стал возможен вследст­вие использования математического аппарата для обобщения опыта проектирования, изготовления и эксплуатации. На этом этапе форму­лируется и формализуется классическая задача проектирования: как должна быть устроена система (т.е. как организован процесс), чтобы при известных требованиях к ней (при известном входе) получить необ­ходимые характеристики (выход).

Такая задача решается путем определения неизвестных парамет­ров проектируемого объекта через последовательное решение уравне­ний, связывающих эти параметры с заданием на проектирование. Дальнейшее развитие методологии «аналитического проектирова­ния» привело к разработке огромного количества частных проектных методик во всех областях техники. В каждой проблемной области такие частные методики получили обобщение в виде систематического изло­жения процесса проектирования. Этот этап был последним «докомпьютерным».

Этап «оптимизационного проектирования» пришелся на 70-е го­ды XX века и был логически подготовлен как предыдущим развитием технологии проектирования, так и успехами математических наук, осо­бенно исследованием операций. Абстрактная математическая формули­ровка конфликтной ситуации и формальный метод поиска лучшего ре­шения как нельзя лучше соответствуют сути проектирования: поиск компромиссного решения в условиях противоречивых требований к создаваемой технической системе. Полностью аналитическая проектная методика стала основой оптимизационной модели синтеза. Решение практически значимой оптимизационной проектной задачи невозможно без использования вычислительной техники, что послужило мощным стимулом к компьютеризации проектного дела.

Особенности алгоритмов оптимизации как формальных матема­тических методов для выбора наилучшей альтернативы потребовали переработки проектных методик. Однократное решение «обратной за­дачи» (восстановление характеристик объекта по требованиям к нему) заменяется многократным решением «прямой задачи». Суть такого под­хода заключается в формальном варьировании характеристиками про­ектируемого объекта под управлением алгоритма оптимизации и отсеи­вании с помощью проверочных расчетов неудачных вариантов. В соответствии с этим подходом оконча­тельный вариант проектного решения выбирается из оставшихся (допус­тимых) по принятому критерию эффективности.

Использование методов оптимизации в качестве универсального математического аппарата для решения разнообразных проектных задач выявило необходимость и возможность создания общей методологии проектирования. Естественным фундаментом такой методологии стал системный анализ, что позволяет говорить о современном этапе развития проектирования как о «системотехническом». Соответствующеенаучное направление, связанное с разработкой систем (различной физической природы) возникло в начале 50-х гг. в рамках Общей теории систем. Ее развитие в направлении создания технических систем получило название «Теория технических систем». Именно на базе этой теории, как реакция многих методологических усилий на запросы практики в конце 50-х годов сформировалось самостоятельное научное направление – системотехника, охватывающая методологические подходы к решению комплекса теоретических и практических задач, возникающих при создании сложных технических систем.

К настоящему время не существует единого общепринятого определения понятия «системотехника». В каждом из известных определений отражается тот факт, что системотехника в рамках деятельности организации (от формирования концепции до изготовления и эксплуатации) объединяет все дисциплины, вовлеченные в создание технической системы, такие как, механика полета, теплотехника, двигатели, системы управления, конструкция, экономика и др., а также тот факт, что системотехника рассматривает как экономические, так и технические проблемы всех категорий лиц, вовлеченных в процесс: заказчика, пользователей и др.

Одно из известных самых полных определений представляется следующим образом:

Системотехника - это приложение научных и технических усилий с тем чтобы:

(а) преобразовать (эксплуатационные) потребности разрабатываемой системы в описание параметров системы и ее конфигурации в рамках итеративного процесса следующей последовательности действий: определение целей, синтез, анализ, разработка технической документации, испытание и оценка;

(б) согласовать взаимосвязанные технические параметры и обеспечить совместимость всех физических, функциональных и программных интерфейсов с тем, чтобы оптимизировать систему в целом;

(в) согласовать такие показатели как надежность, ремонтопригодность, безопасность, выживаемость и др. в рамках общих усилий для достижения программных целей в части стоимости, графика работ и технических характеристик.

Зарождение системотехники как самостоятельной области знаний связано с развитием ракетно-космической техники, точнее с созданием первых баллистических ракет. При их создании проявились все специфические особенности системотехнических разработок:

- Участие в разработках больших проектных организаций;

- Высокая специализация проектировщиков;

- Вовлечение в создание многих субподрядчиков;

- Необходимость согласованных разработок различных устройств и программного обеспечения;

- Наличие сложных требований к процессу обслуживания и эксплуатации;

- Ограниченное время на разработку;

- Высокий уровень вовлеченных в разработку технологий.

В широком смысле, системотехника является дисциплиной предлагающая методологию создания СТС, в частности, к проектированию систем, которые являются сложными в такой степени, что отдельный индивидуум не может охватить ее в деталях. В современной литературе для определения существа этой методологии существует термин системный подход, в соответствии с которым системный подход – это методология науки на уровне общенаучных принципов и форм исследований, применяемых в самых различных отраслях науки.

Собственно термин «системный подход» и возник как проявление единого методологического подхода к решению разнообразных задач прогнозирования и проектирования, программно-целевого планирования, создания, эксплуатации и управления на различных этапах жизненного цикла сложных систем и комплексов.

В основе системного подхода лежит стремление изучить объект (систему, проблему, явление, процесс) как нечто целостное и организованное, во всей его полноте и во всем многообразии связей в объекте.

Системный подход к исследованию систем различной природы представляет собой совокупность принципов для организации и методологии их изучения и научно-методологический аппарат, необходимый для оценки систем в количественных или других объективных показателях.

Принципы системного подхода к исследованию сложных систем – это совокупность различных научно-методологических и организационных принципов и приемов, позволяющих учесть основные общие свойства данных систем в процессе их изучения. К числу важнейших из них можно отнести:

- Принцип системности - ориентирует исследователя на рассмотрение объектов как систем. При этом система рассматривается не изолированно, а во взаимосвязи с внешней средой, с учетом всего комплекса целей, связанных с системой.

- Принцип централизованности – определяет связность различных систем и подсистем в рамках единой системы более высокого уровня и подчиненности этих частных систем целям и задачам системы высшего уровня.

- Целевой принцип – требует построения всей иерархии целей и задач системы как для основной исследуемой системы, так и систем соподчиненных с ней.

- Принцип комплексности – определяет необходимость учета различных факторов и оценки взаимного влияния различных систем и подсистем на их развитие исследуемой системы, требует рассмотрения системы и подсистем с различных точек зрения ( например, с точки зрения техники, экономики, социологии и политических аспектов, времени разработки и т.п.).

- Ресурсный принцип – требует, как правило, ограниченных ресурсов для реализации подсистем, входящих в систему, и самой исследуемой системы.

- Принцип вариантности – отражает стохастический, т.е. вероятностный характер структуры системы и определяет необходимость разработки некоторого ряда вариантов подсистем и их связей в рассматриваемой системе.

- Принцип этапности – определяет необходимость выделения фаз и этапов исследований, каждый из которых характеризуется своей степенью детализации.

- Принцип эффективности и оптимальности – определяет необходимость выбора такого варианта построения подсистем, который обеспечивает наибольшую эффективность рассматриваемой системы с учетом ограниченных ресурсов и возможности реализации в заданные сроки.

Системный анализ – является основой научной методологии изучения сложных систем в количественных показателях. Он предусматривает применение арсенала современной математики или математической логики для исследования систем и количественных показателей с оптимизацией и поиском оптимальных или близких к ним квазиоптимальным решений. Системный анализ проводится обычно поэтапно на чередующихся операциях анализа и синтеза и направлен на раскрытие неопределенности системы, на получение более точных данных, на выявление основных взаимосвязей параметров системы, т.е. последовательную замену незнания системы знанием о ней с количественной характеристикой компонентов и элементов.

Как показала практика исследования сложных систем, их исследование делится на две достаточно отличающихся друг от друга комплекса работ:

- выбор и построение структуры системы в целом – это выбор целей и задач развития на прогнозируемый период с комплексной оценкой различных факторов, построение так называемого «иерархического дерева» целей и задач и требований к комплексам, макропроектирование систем.

- проектирование системы и ее компонентов, т.е. собственно разработка входящих систем и комплексов. При этом, если известна основная задача комплекса, полученная при рассмотрении сложной технической системы, то и сам этап проектирования комплексов, ракет-носителей, космических аппаратов, стартов и др. также можно разделить на те же два комплекса работ:

- формирование требований к комплексу и определение его облика при различных конкурирующих способах его построения;

- рабочее проектирование выбранного варианта, предопределенное на первой фазе тактико-техническим заданием и предварительным обликом системы.

Процесс системного анализа базируется на следующих основных понятиях: цель, требования, концепция (путь достижения поставленных целей), модель и критерий.

- Цель – это желаемое состояние системы или результат ее деятельности. Понятие цели является внешним по отношению к системе. Это означает, что никакой анализ изолированной системы не может выявить ее цели. Цель системы подчинена цели надсистемы и служит средством достижения последней. По отношению к целям одного уровня иерархии принято вводить понятие «приоритетности», характеризующее степень важности данной цели по сравнению с другими целями того же уровня. Установление приоритетности целей называют их ранжированием.

- Требования – это форма количественного описания цели (целей).

- Концепция - это по существу определение как будущая космическая система будет на практике функционировать.

- Модель – это аналог реального процесса (объекта), который должен быть построен и исследован с помощью различных средств. Основные виды моделей: физические, знаковые и комбинированные. Для исследования СТС на этапах проектно-исследовательских работ в основном используется одна из разновидностей знаковых моделей – математическая модель. Математическая модель системы - это ее описание с помощью формул, уравнений, неравенств, логических операторов.

- Критерий – это признак, условие, по которому выделяется наиболее предпочтительный, эффективный из различных вариантов, способов достижения поставленной цели при их сопоставлении.

Системный анализ, как упоминалось выше, проводится обычно поэтапно на чередующихся операциях анализа и синтеза.

Под анализом понимается метод исследования путем логического (мысленного) разложения целого (системы, проблемы, процесса) на составные части и изучения отдельных сторон и свойств целого и его составных частей

Под синтезом понимают определение структуры и параметров технической системы и ее компонент, которые удовлетворяли бы в максимальной степени предъявляемым к ним требованиям.

Под структурой объекта понимают состав его компонентов и связи компонентов друг с другом. Параметр – это величина, характеризующая некоторое свойство объекта или режим его функционирования. Огрублено можно считать, что структура системы дает ее качественное описа­ние, а параметры - количественное.

Задача синтеза технической системы может быть формализована следующим образом:

где С - вектор технического задания, элементы которого представляют собой количественные и качественные требования к системе, X - вектор оптимизируемых переменных (синтезируемых компонентов) системы, со­держащий n непрерывных и N-n дискретных компонентов. Матрица ||x_is|| представляет собой таблицу допустимых значений для дискретных оптимизируемых переменных. Требования к системе формулируются в виде совокупности равенств и неравенств. Характеристики синтезируемой системы описываются функция­ми Gj, а требования к характеристикам - соответственно функциями Aj.

Для глобальной оценки соответствия качеств синтезируемой систе­мы целям ее создания применяется критерий эффективности (функция це­ли) Z, монотонно связанный с такой оценкой. Наилучшей считается сис­тема, для которой критерий достигает экстремального значения (миниму­ма или максимума в зависимости от физической природы критерия). Компоненты вышеприведенной задачи образуют математическую модель системы.

Как правило, задачи проектирования изделий космической техники, относящиеся к классу СТС, очень сложны. На практике разделяют общую задачу на ряд частных задач и каждую из них решают как самостоятельную. Операцию разделения целого на части называют декомпозицией. Так как все частные задачи взаимосвязаны, то смежные задачи считаются решенными. Путем итераций, решая одну частную задачу за другой, приходят к решению общей задачи. При этом стремятся обеспечить системность решений частных задач (их согласованность и подчиненность достижению общей цели – получить проект СТС, удовлетворяющий заданным требованиям).

Приведенные положения распространяются и на решение задачи синтеза СТС. Их реализация предусмотрена в методе системного анализа – декомпозиции-субоптимизации. Т.е. в каждой частной задаче выполняется своя частная оптимизация – субоптимизация. Оптимальные решения частных задач, полученные независимо, могут оказаться не согласующимися или даже противоречащими друг другу. Чтобы этого не случилось, необходим системный подход, который в данном случае выражается в подчинении критериев предпочтения в частных задачах критериям в вышестоящих по иерархии задачах. Следовательно, необходима декомпозиция не только общей задачи, но и ее критерия предпочтения. В результате будет получена иерархическая система задач и критериев для них, на верхнем уровне которой будет некоторая общая задача и критерий предпочтения для ее решения.

Цель декомпозиции вообще – упростить решение сложной проблемы, обеспечить целостность (системность) ее решения. В частности, цель декомпозиции у генерального конструктора – расчленить общую задачу проектирования СТС, чтобы организовать процесс проектирования, распределив частные задачи между подразделениями КБ. При этом декомпозиция общей задачи проектирования основывается на опыте проектирования в данном КБ и на свойствах объекта проектирования.

Системотехника требует широко образованных многогранных специалистов, которые могут рассматривать сложную техническую систему как единое целое, отслеживая баланс самых различных интересов: технических характеристик, экономических показателей, окружающей среды и т.д. Системотехника предполагает тщательное исследование потребностей заказчика, преобразование их в функциональные требования, разработку архитектуры разрабатываемой системы, которая бы выполнила бы эти требования, распределение требований по компонентам системы, а также контроль за тем, чтобы результирующий продукт соответствовал потребностям заказчика.

Значимость системотехнических работ и роль системного инженера меняется в течение жизненного цикла. Как известно, жизненный цикл системы начинается с определения потребностей пользователя (Заказчика), что и является моментом зарождения системы, и определения требований, удовлетворение которых обеспечит достижение конечной цели (целей). Значение системотехнических работ особенно велико на ранних этапах планирования, формирования концепции и определения требований к системе. Концептуальные, системотехнические ошибки всегда были самыми тяжелыми по последст­виям.

В процессе проектно-конструкторских работ системный инженер отслеживает сбалансированность требований всех участников работ, разрешает междисциплинарные проблемы, выполняет поэтапные обзоры, и т.д.

В процессе изготовления изделий внимание системного инженера фокусируется на соответствии возможностей системы заявленным характеристикам.

В процессе эксплуатации системы системный инженер оценивает предлагаемые изменения в системе, определяет ее эффективность и содействует внедрению прогрессивных изменений, модификаций и т.п.

На рис. 4.1 в графическом виде представлена динамика роли системотехнических работ в течение жизненного цикла.

Большинство (примерно 80%) решений, определяющих эффективность создаваемой системы, принимается на этапе выбора концепции и в процессе разработки эскизного проекта соответствующих изделий, включающего в себя чертежи общего вида и компоновки, укрупненные проработки конструкции важнейших агрегатов с расчетом их на прочность, массовые сводки.

Основная же доля финансовых затрат на разработку технической системы приходится на создание технического (рабочего) проекта, разработку и изготовление многочисленных и сложных испытательных стендов, производство экспериментальных (опытных) образцов и проведение стендовых и летных испытаний.

Литература

1. Основы синтеза систем летательных аппаратов: А.А. Лебедев В.В.Малышев, О.П.Нестеренко и др.: - М.: Изд-во МАИ, 1996. – 444 с.: ил.

2. Гайкович А.И. Основы проектирования сложных технических систем. – СПб.: НИЦ «МОРИНТЕХНИКА», 2001, -432 с.

3. Новые наукоемкие технологии в технике: Энциклопедия Т.21. /Под общ. Ред. К.С.Касаева – М.: ЗАО НИИ «ЭНЦИТЕХ»,2002. 554 с.

4. Основы проектирования летательных аппаратов (транспортные системы) В.П.Мишин и др.: - М.: Машиностроение, 1985. – 360 с., ил.

5. Вlanchard, B.S., and W.J. Fabrycky, Systems engineering and analysis, Prentice Hall, Inc., Upper Saddle River, N.J., 1998

Дата добавления: 2014-05-17; просмотров: 548; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!