Системный подход к проектированию

Проектировщик как «черный ящик»

Немногочисленная, но авторитетная группа теоретиков проектирования, в первую очередь Осбор, Гордон, Мэтчет и Бродбент, считает, что самая важная часть процесса проектирования совершается в голове проектировщика, в определенной мере даже в области, неподотчетной сознанию. Отстаивая такую точку зрения, Теоретики "творческого подхода" противопоставляют себя сторонникам взглядов на проектирование как на логический процесс и находят поддержку со стороны многих практиков. Несмотря на такое допущение об "алогичности" творческого процесса, взгляд на проектировщика как на "черный ящик" можно вполне убедительно выразить на языке кибернетики или физиологии; можно сказать, что проектировщик, как и все живые существа, способен получать на выходе решения, которым он доверяет и которые часто оказываются удачными, хотя сам он не может объяснить, каким образом ему удалось прийти к этим решениям. Кажущиеся простыми действия, совершаемые нами при письме или когда мы не глядя берем карандаш со стола, объяснить оказывается ничуть не проще, а, может быть, даже сложнее, чем объяснить, как сочиняется симфония. Большинство действий человека можно объяснить только на основе допущения, что их осуществление в значительной мере определяется тонкой работой нервной системы без вмешательства сознания. Поэтому было бы логично считать, что управление сложными действиями осуществляется неосознанно, и нелогично предполагать, что проектирование можно до конца объяснить логическим путем.

Ньюмен, так же как и многие другие исследователи, попытался понять, каким образом в нервной системе возникает все огромное многообразие выходных реакций. Он предположил, что мозг — это переменная сеть, изменяющая свою структуру в зависимости от того, какие сигналы поступают на нее из внешнего мира. Согласно этой теории, которой трудно найти физиологическое обоснование, "озарение", о котором сообщали многие творческие личности, возникает, когда такая сеть после многих неудачных попыток находит структуру, соответствующую полученным незадолго перед этим входным сигналам. Экспериментальное исследование памяти заставляет предположить, что при каждом извлечении из памяти прошлый опыт предстает в новом варианте. Объединяя эти две гипотезы, можно прийти к выводу, что мозг — это полуавтоматическое устройство, способное разрешать противоречия между, различными сигналами (т. е. решать задачи) путем такой перестройки своей структуры, чтобы она соответствовала как текущим входным сигналам, так и многим хранящимся в памяти ранее полученным сигналам. Если верить психологам и клиницистам, этому процессу может противодействовать или способствовать наличие неразрешенных конфликтов, сохранившихся с давних времен, возможно, еще с раннего детства. Не подлежит сомнению, что выходные сигналы мозга определяются не только текущей ситуацией, но и ситуациями, пережитыми в прошлом. Можно, однако, утверждать и обратное: не имея груза неразрешенных в прошлом конфликтов и навязчивых идей (а именно они считаются причиной негибкого мышления), человек, по-видимому, становится менее активным, теряет способность разрешать противоречия между текущими входными сигналами и выдает не более чем компромиссные решения. Быть может, для того чтобы иметь возможность и желание разрешить тот или иной конфликт в конкретной задаче проектирования, нужно не столько обладать творческими способностями, сколько иметь соответствующий данному случаю опыт и соответствующую подвижность нервной системы. Пока нет надежных данных о работе мозга, рассуждать на эту тему можно до бесконечности; поэтому оставим теперь загадки мышления в покое и рассмотрим некоторые методы проектирования, разработанные с целью стимулирования "творчества".

Проектировщик как «прозрачный ящик»

В большинстве своем методы проектирования преследуют цель объективирования процесса и результатов мышления, поэтому они исходят из логических, а не каких-либо мистических предположений. Считается, что процесс проектирования может быть объяснен до конца, даже если проектировщики-практики и не в состоянии убедительно обосновать каждое из принимаемых ими решений.

Логическое, или систематическое, поведение проектировщика напоминает работу вычислительной машины: он пользуется только той информацией, которая в него введена, и действует по заданной схемё: проводя анализ, синтез, оценку и повторение циклов до тех пор, пока не найдет наилучшее из всех возможных решений. Методы, в которых проектировщик рассматривается как "прозрачный ящик", характеризуются следующими общими чертами:

1) цели, переменными критерии задаются заранее;

2) поиску решения предшествует проведение (или хотя бы попытка проведения) анализа;

3) оценка результатов дается в основном в словесной форме и построена на логике (а нё на эксперименте);

4)заранее фиксируется стратегия; обычно используются последовательныё приемы, но иногда включаются и параллельные, условные и циклические операции.

Применение к проектировщику этих на первый взгляд сковывающих ограничений нельзя считать заведомо оправданным или неоправданным. При решении некоторых задач проектирования методы "прозрачного ящика" оказываются более эффективными, чем методы "черного ящика", но в других случаях они приводят к путанице, так что проектировщикам приходится прибегать к привычному для них поведению "черного ящика".

Стратегии проектирования

Термин "стратегия проектирования" применяется в значении определенной последовательности действий, выбираемой проектировщиком или группой планирования с целью преобразования исходного технического задания в готовый проект, т.е. как совокупность традиционных приемов технического и архитектурного конструирования, описанных ранее. Решение о том, какие действия должны быть включены в стратегию проектирования, может быть принято с самого начала, или же можно менять стратегии в зависимости от результатов, полученных после выполнения предыдущих действий. Содержание каждого "действия проектировщика" определяется самим проектировщиком; некоторые действия могут быть основаны на новых методах типа описанных в этой книге; другие могут базироваться на традиционных приемах, таких как изготовление эскизов и масштабных чертежей; наконец, третьи будут представлять собой новые процедуры, самостоятельно изобретенные проектировщиком. Целесообразно классифицировать стратегии проектирования по двум показателям: а) степень заданности; б) схема поиска.

Заранее заданные, или готовые, стратегии жестко зафиксированы заранее, подобно программам ЭВМ, Они больше подходят для проектирования в знакомых ситуациях, чем для новаторской деятельности, т.е. для объединения или модернизации существующих конструкций, а не для изобретения новых изделий. Что бы ни говорили проектировщики-практики, значительная доля работы по проектированию совершается по предсказуемой схеме и, следовательно, может быть выполнена на ЭВМ. В идеале заданная стратегия должна быть линейной, т.е. состоять из цепочки последовательных действий, в которой каждое действие зависит от исхода предыдущего, но не зависит от результатов последующих действий. Если после получения результатов на одной из стадий приходится возвращаться к одному из предыдущих этапов, стратегия становится циклическо й.

Когда действия проектировщика не зависят одно от другого, может иметь место разветвленная стратегия. В нее могут входить параллельные этапы, очень выгодные в том отношении, что позволяют увеличить количество людей, одновременно работающих над задачей, и конкурирующие этапы, которые позволяют в определенной степени видоизменять стратегию в соответствии с исходом предыдущих этапов.

 

3.Адаптивные стратегии отличаются тем, что в них с самого начала определяется только первое действие. В дальнейшем выбор каждого действия зависит от результатов предшествующего действия. В принципе это самая разумная стратегия, поскольку схема поиска всегда определяется на основе наиболее полной информации. Ее недостаток состоит в невозможности предвидеть и контролировать затраты и сроки выполнения проекта. Многие предпочитают применять адаптивную стратегию, поскольку она позволяет полностью использовать способность человека (и животных) "импульсивно" совершать правильные действия. Надежным, но ограниченным вариантом адаптивного поиска является стратегия приращений. Эта осторожная стратегия составляет основу традиционного проектирования, особенно в тех отраслях промышленности, которые базируются на ремесленном производстве; кроме того, на ней основаны многие методы автоматической оптимизации. При поиске методом приращений имеется риск пропустить хорошие решения, когда приращения слишком велики, и не охватить всего поля поиска, когда они слишком малы.

Случайный поиск, отличающийся абсолютным отсутствием плана, в некоторых случаях оказывается наилучшим методом. Эта на первый взгляд неразумная стратегия пригодна тогда, когда необходимо найти множество отправных точек для независимого поиска в широком поле неопределенностей. При выборе каждого этапа сознательно не учитываются исходы остальных этапов, что придает поиску предельно непредубежденный характер. Принцип случайного поиска лежит в основе новаторского проектирования, когда неразумно пренебрегать ни одним.из внесенных предложений, пока не будет собрана дополнительная информация. Примером может служить поиск способов применения нового синтетического материала. Интересно отметить, что в большинстве попыток создания "машинного интеллекта" важная роль отводится "генератору случайных чисел".

 

 

Системный подход к проектированию

Основные идеи и принципы проектирования сложных систем выражены в системном подходе. Для специалиста в области системотехники они являются очевидными и естественными, однако их соблюдение и реализация зачастую сопряжены с определенными трудностями, обусловливаемыми особенностя­ми проектирования. Как и большинство взрослых образованных людей, правиль­но использующих родной язык без привлечения правил грамматики, инженеры применяют системный подход без обращения к пособиям по системному ана­лизу. Однако интуитивный подход без применения правил системного анализа может оказаться недостаточным для решения все более усложняющихся задач инженерной деятельности.

Основной общий принцип системного подхода заключается в рассмотрении частей явления или сложной системы с учетом их взаимодействия. Системный подход включает в себя выявление структуры системы, типизацию связей, определение атрибутов, анализ влияния внешней среды.

Системный подход рассматривают как направление научного познания и социальной политики. Теория систем - дисциплина, в которой конкретизируются положения системного под­хода; она посвящена исследованию и проектированию сложных экономичес­ких, социальных, технических систем, чаще всего слабоструктурированных. Характерными примерами таких систем являются производственные систе­мы. При проектировании систем цели достигаются в многошаговых процессах принятия решений. Методы принятия решений часто выделяют в самостоя­тельную дисциплину, называемую «Теория принятия решений». В технике дисциплину, в которой исследуются сложные технические систе­мы, их проектирование и которая аналогична теории систем, чаще называют системотехникой. Предметом системотехники являются, во-первых, орга­низация процесса создания, использования и развития технических систем, во-вторых, методы и принципы их проектирования и исследования. В систе­мотехнике важно уметь сформулировать цели системы и организовать ее рассмотрение с позиций поставленных целей. Тогда можно отбросить лишние и малозначимые части при проектировании и моделировании, перейти к поста­новке оптимизационных задач.

При структурном подходе, как разновидности системного, требуется синтезировать варианты системы из компонентов (блоков) и оценивать варианты при их частичном переборе с предварительным прогнозированием характеристик компонентов.

Блочно-иерархический подход к проектированию использует идеи деком­позиции сложных описаний объектов и соответственно средств их создания на иерархические уровни и аспекты, вводит понятие стиля проектирования (вос­ходящее и нисходящее), устанавливает связь между параметрами соседних иерархических уровней.

Ряд важных структурных принципов, используемых при разработке инфор­мационных систем и прежде всего их программного обеспечения (ПО), выра­жен в объектно-ориентированном подходе к проектированию. Такой подход имеет следующие преимущества в решении проблем управления сложностью и интеграции ПО: 1) вносит в модели приложений большую структурную опре­деленность, распределяя представленные в приложении данные и процедуры между классами объектов; 2) сокращает объем спецификаций благодаря вве­дению в описания иерархии объектов и отношений наследования между свой­ствами объектов разных уровней иерархии; 3) уменьшает вероятность иска­жения данных вследствие ошибочных действий за счет ограничения доступа к определенным категориям данных в объектах. Описание в каждом классе объектов допустимых обращений к ним и принятых форматов сообщений об­легчает согласование и интеграцию ПО.

Система — множество элементов, находящихся в отношениях и связях меж­ду собой.

Элемент - такая часть системы, представление о которой нецелесообраз­но подвергать при проектировании дальнейшему членению.

Сложная система - система, характеризуемая большим числом элементов и, что наиболее важно, большим числом взаимосвязей элементов..

Подсистема— часть системы (подмножество элементов и их взаимосвязей), которая имеет свойства системы.

Надсистема — система, по отношению к которой рассматриваемая система является подсистемой.

Структура — отображение совокупности элементов системы и их взаимо­связей; понятие структуры отличается от понятия самой системы также тем, что при описании структуры принимают во внимание лишь типы элементов и связей без конкретизации значений их параметров.

Параметр — величина, выражающая свойство или системы, или ее части, или влияющей на систему среды.

Фазовая переменная - величина, характеризующая энергетическое или информационное наполнение элемента или подсистемы.

Состояние - совокупность значений фазовых переменных, зафиксированных в одной временной точке процесса функционирования.

Поведение (динамика) системы - изменение состояния системы в процессе функционирования.

Система без последействия — ее поведение при t > t_Q определяется зада­нием состояния в момент t₀ и вектором внешних воздействий Q(t). В системах с последействием, кроме того, нужно знать предысторию поведения, т.е. со­стояния системы в моменты, предшествующие /₀.

Вектор переменных V, характеризующих состояние (вектор переменных состояния), — неизбыточное множество фазовых переменных, задание значении которых в некоторый момент времени полностью определяет поведение системы в дальнейшем (в автономных системах без последействия).

Пространство состояний — множество возможных значений вектора переменных состояния.

Фазовая траектория — представление процесса (зависимости V(t)) в виде последовательности точек в пространстве состояний.

К характеристикам сложных систем, как сказано выше, часто относят следующие понятия.

Целенаправленность — свойство искусственной системы, выражающее назначение системы. Это свойство необходимо для оценки эффективности вариантов системы.

Целостность — свойство системы, характеризующее взаимосвязанность элементов и наличие зависимости выходных параметров от параметров элементов, при этом большинство выходных параметров не является простым повторением или суммой параметров элементов.

Иерархичность — свойство сложной системы, выражающее возможность и целесообразность ее иерархического описания, т. е. представления в виде нескольких уровней, между компонентами которых имеются отношения це­лое - часть.

5.Стадии, этапы и процедуры проектирования
В проектировании принято выделять стадии научно-исследовательских работ, опытно-конструкторских работ, технического проекта, технического предложения, технического проекта, рабочего проекта, испытаний опытного образца.
На стадии научно-исследовательских работ изучаются потребности в получении новых изделий с заданным целевым назначением, исследуются физические, информационные, конструктивные и технологические принципы построения изделий и возможности реализации этих принципов, прогнозируются значения характеристик и параметров объектов. Результатом является формулировка технического задания на разработку объекта. Оно включает цель создания и назначение объекта, технические требования, режимы и условия работы, области применения, увязку параметров с типажом, информацию об экспериментальных работах, сравнительную оценку технического уровня и др. На основании технического задания разрабатывается техническое предложение -совокупность документов, отражающих технические решения, принятые в проекте. В него включаются результаты функционально-физического и стоимостного исследований, указания и обоснования по выполняемым функциям, физическим принципам действия, целесообразности использования тех или иных решений, сравнительная оценка этих решений по техническим, экономическим. технологическим, экологическим и другим показателям.
На стадии опытно-конструкторских работ создается эскизный проект изделия, представляющий собой совокупность графической и текстовой документации, на основании которой можно получить общее представление об устройстве, принципе работы, назначении, основных параметрах и габаритных размерах проектируемого изделия, о компоновке как машины в целом, так и ее основных узлов. При разработке эскизного проекта проверяются, конкретизируются и корректируются принципы и положения, установленные на стадии научно - исследовательских работ.
На стадии технического проекта разрабатывается более детализированная графическая и текстовая документация, дающая полное и окончательное представление об устройстве, компоновке машины и всех ее узлов, в технический проект включают все необходимые расчеты (динамические, прочностные и т.д.).
На стадии рабочего проекта создается полный комплект конструкторско-технологической документации, достаточный для изготовления объекта.
На стадии испытаний получают результаты, позволяющие выявить возможные ошибки и недоработки проекта, принимаются меры к их устранению.
В ходе проектирования вырабатываются проектные решения - описания объекта или его составной части, достаточные для рассмотрения и принятия заключения об окончании проектирования или путях его продолжения.
Различают нисходящее (сверху вниз) и восходящее (снизу вверх) проектирование. В первом задачи высоких иерархических уровней решаются прежде, чем задачи более низких иерархических уровней, во втором последовательность противоположная. Так, функциональное проектирование чаще является нисходящим, конструкторское -восходящим.

 

 

12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: