Основы системного проектирования_Краснов_1

Основы системного проектирования

1. ПОНЯТИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

И руководителю предприятия, и всем его сотрудникам в процессе выполнения своей работы приходится решать разного рода задачи. Эти задачи могут быть сложными и ответственными, требовать оригинальное решение. А могут быть простыми, уже имеющими решение в виде инструкций и алгоритмов. Но любая задача, поставленная перед человеком, является творческой, поскольку никогда заранее не известны все ее условия, абсолютно четко не определены цели, что приводит к появлению ряда решений и необходимости выбора одного из них. Поэтому от того, насколько грамотно мы сумеем решать задачи (в т.ч. производственные), будет зависеть эффективность результатов нашей деятельности.

Поиск оригинальных решений и идей в настоящее время ведется посредством применения эвристических методов (методов изобретательного творчества). Однако в случае производственной деятельности решение таких задач также включает подготовительные стадии, оформление и утверждение результатов, оценку эффективности и другие виды работ. Весь этот цикл взаимосвязанных и взаимообусловленных работ составляет проектирование.

Проектирование объединяет с творчеством направленность на создание качественно нового (слово «проектирование» происходит от лат. projectus, что буквально означает брошенный вперед), но это более общее понятие.

Существует много определений термина «проектирование». Но чаще всего под «проектированием» подразумевают практическую деятельность, направленную на удовлетворение новых потребностей людей. Конечным итогом проектной деятельности является проект, т.е. комплект документации, предназначенной для создания определенного объекта, его эксплуатации, ремонта и ликвидации, а также для проверки или воспроизведения промежуточных и конечных решений, на основе которых был разработан данный объект. Объектом проектирования может быть материальный предмет, выполнение работы, оказание услуги.

Слово «проект» еще применяется в значении «программа», «план действий».

Проектирование связано не только с техническими объектами. Так, имеется социальное проектирование, проектирование программного обеспечения и другие. Отличительной особенностью проектирования является его практическая направленность (обязательное наличие практических результатов, иначе это будет «прожект», «маниловщина», творчество ради творчества) и персональная ответственность за полученные и переданные заказчику результаты.

Внутри процесса проектирования, наряду с расчетными этапами и экспериментальными исследованиями, часто выделяют процесс конструирования. Конструирование — деятельность по созданию материального образа разрабатываемого объекта, ему свойственна работа с физическими моделями и их графическими изображениями. Эти модели и изображения, а также некоторые виды изделий называют конструкциями.

Современному уровню развития техники стали присущи не только сложность проектируемых объектов, но и их интенсивное воздействие на общество и окружающую среду, тяжкость последствий аварий из-за ошибок разработки и эксплуатации, высокие требования к качеству и цене, сокращению сроков выпуска новой продукции. При создании подобных объектов их уже необходимо рассматривать в виде систем, т.е. комплекса взаимосвязанных внутренних элементов с определенной структурой, широким набором свойств и разнообразными внутренними и внешними связями. В тоже время, как показывает опыт преуспевающих предприятий, высокая эффективность результатов разработок достигается лишь на основе совместного практического использования знаний фундаментальных, технических и социально-экономических наук, подчинение всей деятельности удовлетворению интересов, прежде всего, человека (покупателя, производителя, разработчика).

Жизненная необходимость учета этих обстоятельств, а также необходимость рассмотрения разрабатываемых объектов в виде систем, постепенно заставляла вносить изменения в традиционный характер и методологию проектной деятельности. К настоящему времени сформировалась новая проектная идеология, получившая название системного проектирования.

Системное проектирование комплексно решает поставленные задачи, принимает во внимание взаимодействие и взаимосвязь отдельных объектов-систем и их частей как между собой, так и с внешней средой, учитывает социально-экономические и экологические последствия их функционирования. Системное проектирование основывается на тщательном совместном рассмотрении объекта проектирования и процесса проектирования, которые в свою очередь включают еще ряд важных частей, показанных на рис.1.

Рис. 1. Основные части проектирования

Очевидно, что в настоящее время проектирование все более и более становится системным. Поэтому словосочетание «системное проектирование» ниже будет использоваться только в случаях, если потребуется подчеркнуть важность системности разработки.

Проектирование — это один из видов работ, результатом которых является комплект проектной документации на материальный объект, или выполнение работы, или оказание услуги. Поэтому участников этих работ можно разделить на потребителей (заказчиков проектных работ) и поставщиков (исполнителей этих работ). Исполнителя-специалиста по разработке проекта обобщенно называют проектировщиком или разработчиком. Если продукция создается для собственного потребления, то возможно соединение в одном лице заказчика и исполнителя.

Поставщиком, как и потребителем продукции, может быть организация (юридическое лицо) или конкретный человек (физическое лицо). Работы по созданию такой продукции в соответствии с Гражданским кодексом относятся к подрядным. В этой ситуации исполнитель называется подрядчиком, т.е. стороной по договору подряда, которая обязуется выполнить по заданию другой стороны (заказчика) определенную работу и сдать ее результат заказчику, а заказчик обязуется принять результат работы и оплатить его. Подрядчик рассматривается как первая сторона в коммерческой деятельности. Субподрядчик — организация, представляющая продукцию поставщику.

Существует еще один участник этих работ — государство, которым создана система мер по защите потребителя посредством контроля, лицензирования, выпуска нормативной документации.

Таким образом, проектирование — сложная многоплановая деятельность, в которой участвует группа людей. Следовательно, достижение эффективных результатов невозможно без учета особенностей человека, умения создать коллектив исполнителей и управлять его деятельностью. Поэтому проектирование, как часть производственного процесса, должно рассматриваться в широком смысле, включающем и поиск оригинального решения, и организацию проектных работ. Т.е. стоит говорить об управлении проектированием.

Управление проектированием — это такая организация процесса разработки нового объекта, которая в рамках условий поставленной задачи наилучшим образом позволяет получить эффективное решение в виде соответствующего комплекта документации. Управление проектированием является составной частью менеджмента.

Менеджмент включает планирование, организацию и контроль людей, денег, материалов и времени для достижения целей проекта. В качестве менеджера может выступать не только специальное должностное лицо, но и руководитель работ или проекта. На менеджере лежит ответственность за принятие окончательных решений на отдельных этапах и по всей работе в целом. Он подбирает и расставляет кадры, ответственен за распределение средств. Общепризнанно, что успех проектной работы в значительной степени зависит от эффективности управления и профессиональных качеств менеджера.

Производственная деятельность требует решения комплекса взаимосвязанных задач. По этой причине в систему менеджмента входят управление проектами, производством, персоналом, финансами, качеством и т.д. Отметим, что управление проектированием, не смотря на схожесть в названии, отличается от управления проектом, которое связано с организацией деятельности по выполнению программы или плана (проекта), прежде всего административными методами, например, управлением людьми, документооборотом.

С целью эффективного использования ресурсов организации и соблюдения договорных обязательств перед заказчиком управление проектированием должно дополняться остальными элементами системы менеджмента. С другой стороны, поскольку задачи проектирования существуют при решении разных задач управления, то знание методологии проектирования является залогом успешной деятельности в этих областях.

Сет Годин, автор книг по маркетингу, в книге «Фиолетовая корова» пишет:

«… дизайнерам и проектировщикам новой продукции принадлежит не просто важная, но главная роль в этом процессе (обсуждение общих концепций будущих автомобилей, а также перспективы их рекламы и возможные доходы).

Человек, который действительно может повлиять на успех своей продукции, должен продумывать все детали еще тогда, когда сеются первые семена его будущего детища.

Если вы профессионально занимаетесь маркетингом, но не умеете создавать, изобретать, ничего не понимаете в дизайне, не можете влиять на свой продукт, изменять его и, в конце концов, отказываться от него, то вам больше нельзя заниматься маркетингом. Вы свое уже отработали».

Ниже приведено систематизированное (рис.1) описание основ проектирования и управления этим процессом с позиции, что должен знать каждый руководитель или инициативный исполнитель, ведущий разработки.

Обращаем внимание, что приводимые сведения не являются исчерпывающе полными и единственно правильными. Они отражают результаты длительных исследований и наблюдений автора, анализа известных ему работ и точек зрения. И более того, они соответствуют определенному этапу развития науки и общества.

2. СТРУКТУРА ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Проектирование, как осознанная целенаправленная деятельность, обладает определенной структурой, т.е. последовательностью и составом стадий и этапов разработки проекта, совокупностью процедур и привлекаемых технических средств, взаимодействием участников процесса.

У каждого из нас на основе личного опыта выработалось свое представление о структуре проектной (творческой) деятельности. Однако за длительный период существования человечества сформировались и общепринятые, проверенные практикой подходы к проектированию и его структура.

В настоящее время существуют два представления структуры проектирования, подобные по форме, но различные по целям и подходам к деятельности. Это — структура в виде стадий разработки проектной документации (стадий проектирования) и структура процесса проектирования.

2.1. Стадии проектирования

Соответствующая им структура регламентирована стандартом (ГОСТ 2.103, 15.201) и используется при официальных взаимоотношениях между заказчиком и исполнителем или между соисполнителями работ.

Данная структура устанавливает стадии разработки конструкторской документации изделий всех отраслей промышленности и этапы выполнения работ. Эта документация необходима для отчета перед заказчиком о проделанной работе, возможности проверки или повторения разработок другими исполнителями, подготовки производства и обслуживания изделия в период эксплуатации. Основные стадии (этапы) структуры представлены на рис.2.

Рис.2. Стадии разработки проектной документации

Техническое задание (ТЗ) устанавливает основное назначение, технические и тактико-технические характеристики, показатели качества и технико-экономические требования к разрабатываемому объекту, предписание по выполнению необходимых стадий создания документации и ее состав, а также специальные требования к изделию.

Техническое предложение (ПТ) — совокупность документов, содержащих техническое и технико-экономическое обоснование (ТЭО) целесообразности разработки проекта. Такое заключение дается на основании анализа ТЗ заказчика и различных вариантов возможных решений, их сравнительной оценки с учетом особенностей разрабатываемого и существующих изделий, а также патентных материалов.

Согласованное и утвержденное в установленном (на предприятии, в министерстве и т.п.) порядке ПТ является основанием для разработки эскизного проекта.

Эскизный проект (ЭП) — совокупность документов, содержащих принципиальные решения и дающих общее представление об устройстве и принципе работы разрабатываемого объекта, а также данные, определяющие его назначение, основные параметры и габаритные размеры. В случае большой сложности объекта этому этапу может предшествовать аванпроект (предпроектное исследование), обычно содержащий теоретические исследования, предназначенные для обоснования принципиальной возможности и целесообразности создания данного объекта.

При необходимости на стадии ЭП проводят изготовление и испытание макетов разрабатываемого объекта.

Технический проект (ТП) — совокупность документов, которые должны содержать окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве проектируемого объекта, исходные данные для разработки рабочей документации.

На стадии рабочего проекта (РП) сначала разрабатывают подробную документацию для изготовления опытного образца и последующего его испытания. Испытания проводят в ряд этапов (от заводских до приемо-сдаточных), по результатам которых корректируют проектные документы. Далее разрабатывают рабочую документацию для изготовления установочной серии, ее испытания, оснащения производственного процесса основных составных частей изделия. По результатам этого этапа снова корректируют проектные документы и разрабатывают рабочую документацию для изготовления и испытания головной (контрольной) серии. На основе документов окончательно отработанных и проверенных в производстве изделий, изготовленных по зафиксированному и полностью оснащенному технологическому процессу, затем разрабатывается завершающая рабочая документация установившегося производства.

В процессе разработки проектной документации (рис.2) в зависимости от сложности решаемой задачи допускается объединять между собой ряд этапов. Этапы постановки ТЗ и технического проектирования могут входить в цикл научно-исследовательских работ (НИР), а этапы технического предложения и эскизного проектирования — образовывать цикл опытно-конструкторских работ (ОКР).

Завершает цикл работ этап, подводящий итог проектной деятельности — сертификация. Ее назначение — определение уровня качества созданного изделия и подтверждение его соответствия требованиям тех стран, где предполагается его последующая реализация. Необходимость выделения этого этапа в виде самостоятельного вызвана тем, что в настоящее время экспорт продукции или ее реализация внутри страны во многих случаях недопустимы без наличия у нее сертификата качества.

Сертификацию осуществляют специальные организации (органы по сертификации), зарегистрированные в Госстандарте России. На основе анализа протоколов испытаний и состояния производства продукции и других факторов орган по сертификации дает оценку соответствия продукции установленным требованиям, оформляет и регистрирует сертификат. В течение всего срока действия сертификата за сертифицированной продукцией ведется инспекционный контроль.

Сертификация может быть обязательной или добровольной. Обязательной сертификации подлежат товары, на которые законами или стандартами установлены требования, обеспечивающие безопасность жизни и здоровья потребителей, охрану окружающей среды, предотвращение причинения вреда имуществу потребителя. Добровольная сертификация проводится по инициативе предприятий. Обычно это делается с целью официального подтверждения характеристик продукции, изготавливаемой предприятием, и, как следствие, повышения доверия к ней у потребителей.

2.2. Структура управления процессом проектирования

Правильное ведение документации облегчает взаимодействие участников процесса проектирования. Осознанный же подход к проектной деятельности позволяет не только быстро находить эффективные решения, но и управлять этой деятельностью.

В настоящее время, на основе исследований сущности процесса проектирования, разработаны рекомендации по ведению этой деятельности. Предложен ряд структур и алгоритмов проектирования, совпадающих в основных чертах и различающихся только в содержании или названии отдельных этапов. В результате их анализа и обобщения предложена структура, представленная на рис.3.

Решение любой задачи начинается с ее осмысления и уточнения исходных данных. Те (технические) требования (ТТ), которые выдаются заказчиком, формулируются на языке потребителя-неспециалиста и не всегда бывают технически четкими и исчерпывающими. Перевести требования на язык предметной области, сформулировать задачу максимально полно и грамотно, обосновать необходимость ее решения, т.е. сформулировать техническое задание, — первый и обязательный этап работы. Исполнитель выполняет его в тесном контакте с заказчиком.

Рис.3. Структура процесса решения задачи проектирования

В машиностроении этот этап иногда называют внешним проектированием. Этим подчеркивается, что разработка объекта уже начинается с постановки задачи (ТТ) и формирования ТЗ и активно ведется совместно с заказчиком.

Следующие этапы образуют внутреннее проектирование. Они нацелены на поиск решения задачи и выполняются разработчиком. Сюда входят этапы синтеза принципа действия, структуры и параметров проектируемого объекта.

На этапе синтеза принципа действия отыскивают принципиальные положения, физические, социальные и т.п. эффекты, которые составят основу функционирования будущего изделия. Это могут быть основополагающие нормы, фундаментальные законы и правила, их частные случаи или следствия. Работа ведется с принципиальными моделями и их графическим представлением — блок-схемами. Этому этапу соответствует заключительная стадия ТЗ и стадия технического предложения структуры проектирования по ГОСТ 2.103.

На этапе структурного синтеза на основе выбранного принципа действия создаются варианты начального графического представления объекта — структуры, схемы, алгоритмы, упрощенные эскизы. В соответствии с ГОСТ 2.103 этот этап включает стадию эскизного проектирования.

На этапе параметрического синтеза отыскиваются значения параметров объекта, находится численное решение проектной задачи, создается подробная документация или описание объекта, чертежи изделия и его частей. Этот этап соответствует стадиям технического и рабочего проектирования.

В процессе решения задачи появляется потребность в разработке дополнительных частей и узлов. Решение частных проектных задач, дополняющих основное решение, также проводится в соответствии с представленной последовательностью.

Вследствие неполноты начальных знаний процесс проектирования итерационен, что на рис.3 отражается стрелками обратных движений.

На каждом этапе внутреннего проектирования выполняются следующие процедуры:

выбор модели (т.е. основополагающего принципа, вида блок-схемы и расчетной схемы),

выбор метода решения,

решение,

анализ полученных результатов и принятие решения.

Замечено, что эффективность проектируемого объекта определяется: в первую очередь — выбранным принципом действия, во вторую — предложенной структурой и в третью — соотношением параметров.

Ведение разработки последовательно от общих черт проектируемого объекта к детальным частным называется нисходящим проектированием. Его результатом будут требования к отдельным частям и узлам.

Возможен ход разработки от частного к общему, что образует процесс восходящего проектирования. Такое проектирование встречается, если одна или несколько частей уже являются готовыми (покупными или уже разработанными) изделиями. Результатом проектирования будет частная документация на узлы.

Нисходящее и восходящее проектирование обладают своими достоинствами и недостатками. Так, при нисходящем проектировании возможно появление требований, впоследствии оказывающихся нереализуемыми по технологическим, экологическим или иным соображениям. При восходящем проектировании возможно получение объекта, не соответствующего заданным требованиям. В реальной жизни, вследствие итерационного характера проектирования, оба его вида взаимосвязаны.

Например, разрабатывая при нисходящем проектировании автомобиль (от общей схемы к его частям, например, — к мотору), необходимо увязать общую компоновку с размерами и мощностью уже выпускаемых двигателей. В противном случае придется разрабатывать применительно к данной компоновке новый двигатель, либо изменять первоначальные варианты его расположения или схему компоновки всего автомобиля.

Более подробно содержание перечисленных этапов будет рассмотрено далее.

3. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Деятельность становится эффективной, когда овладеваешь ее методами, понимаешь принципы и законы, т.е. то, что составляет основу знаний настоящего специалиста.

Принципы, законы и методы имеются в любой деятельности. Есть они и в проектировании. Издавна люди пытаются отыскать их, чтобы не только облегчить «муки творчества», но и создать универсальные «решатели задач». Однако основные открытия были сделаны лишь во второй половине 20 века, когда было провозглашено рождение «общества потребления», цель которого — максимально полное удовлетворение потребностей человека, что возможно только при высокой производительности творческого труда.

Стоит отметить, что приведенные ниже принципы, законы и методы достаточно универсальны и успешно применяются как в проектировании, так и во многих других областях, где используется творческий труд.

3.1. Принципы системного проектирования

Как было отмечено выше, проектирование, если оно нацелено на получение эффективных результатов, должно базироваться на системном подходе. Но мы имеем право говорить о системности подхода, если существуют и выполняются его принципы. В настоящее время еще нельзя утверждать, что известны их полные состав и содержание применительно к проектной деятельности, однако можно сформулировать наиболее важные из них.

1. Практическая полезность. Непрерывный рост потребностей людей вынуждает решать все новые и более сложные задачи. С другой стороны, ведение разработок заметно упирается в ограниченность ресурсов, ощутимее становятся убытки в случае получения неудовлетворительных результатов. Поэтому возрастает важность учета следующих положений:

деятельность должна быть целенаправленной, устремленной на удовлетворение действительных потребностей человека. При этом подразумевается реальный потребитель или определенная социальная, возрастная или иная группа людей. Потребности должны определять цели проектирования и стимулировать деятельность по их достижению. Однако стоит помнить, что цели бывают как очевидными, так и неявными, кажущимися второстепенными или проявляющимися позднее, спустя некоторое время;

деятельность должна быть целесообразной. Удовлетворение не всех новых потребностей нуждается в создании новых объектов, следовательно, — в проведении соответствующих разработок. Важно вскрыть причины, препятствующие использованию существующих объектов для удовлетворения новых потребностей. В свою очередь, причины вызываются противоречиями, возникающими как внутри старых объектов, так и вне их, в эксплуатирующем их обществе. Выявление ключевых противоречий позволяет концентрировать усилия на решении главных задач, конкретизирует деятельность, что сокращает затраты на проектирование и сроки проведения разработки;

деятельность должна быть обоснованной и эффективной. Окружающий нас мир многообразен и, следовательно, удовлетворение потребности возможно разными путями. Разумным будет использование не любого решения задачи, а поиск оптимального варианта, т.е. наилучшего среди допустимых при наличии правила предпочтения одного другому. Такое правило называется критерием оптимальности, а мерой предпочтения будут служить показатели качества.

Обратим внимание на то, что слово «оптимальный» происходит от лат. optimus и означает «наилучший» (самый лучший). Поэтому словосочетание «самое оптимальное решение» (т.е. самое самое лучшее решение) является тавтологией. С другой стороны, можно говорить об оптимальном решении только при удовлетворении двух условий: 1 — наличия хотя бы одного критерия, 2 — наличия не менее двух сравниваемых вариантов (необходимость осуществления выбора).

Каждый выбор лучшего варианта конкретен, поскольку производится на соответствие определенным критериям. Следовательно, говоря об оптимальном решении, всегда нужно указывать эти критерии (т.е. оптимальный по …). И то, что может быть оптимальным при одном критерии, не обязательно будет таковым при другом. Поэтому недомолвки недопустимы.

Под качеством продукции подразумевается совокупность свойств, обуславливающих ее пригодность удовлетворять определенным потребностям в соответствии с назначением (ГОСТ 15467). К показателям предъявляются следующие требования:

монотонная связь с качеством при условии постоянства остальных показателей;

простота определения, измерения и контроля;

наглядность отображения свойств объекта или процесса;

соответствие рассматриваемым свойствам;

хорошая чувствительность к изменению этих свойств;

устойчивость к случайным помехам.

Качество продукции обычно характеризуется рядом показателей. Например, двигатель автомобиля должен обладать высоким КПД, низкой стоимостью, малыми габаритами и т.д. Состав показателей зависит от назначения проектируемого объекта, условий его функционирования и других факторов. Пытаться учесть как можно больше показателей в стремлении максимально полно охарактеризовать проектируемый объект делает задачу проектирования практически не решаемой. Важно выделять главные показатели, отражающие наиболее существенные потребительские свойства объекта.

Критериальный подход к проектированию позволяет не только отыскивать эффективные решения, максимально удовлетворяющие потребности заказчика, но аргументировано объяснять причины их выбора, обосновывать принятые решения.

2. Единство составных частей. Эффективность решения задачи зависит и от того, насколько полно учтены все связи, как между частями рассматриваемого объекта, так и с взаимодействующими с ним другими объектами.

Целесообразно любой объект, сложный ли он или простой, рассматривать как систему, внутри которой можно выделить логически связанные более простые части — подсистемы, единство частных свойств которых и образует качественно новые свойства объекта системы. С другой стороны, ряд объектов-систем могут быть взаимосвязанными и образовывать более общую систему, которую называют надсистемой. Например, объект-система «лампочка» включает подсистемы «цоколь», «колба», «нить накаливания», а с другой стороны, является частью, например, такой надсистемы, как «настольная лампа».

Все три понятия — подсистема, система, надсистема,- относительны и их конкретное содержание определяется назначением объекта и условиями его применения. Так, в предыдущем примере система «настольная лампа» в свою очередь является подсистемой для системы «жилая комната».

Разрабатываемые объекты предназначены для людей, ими создаются и эксплуатируются. Поэтому человек также обязан рассматриваться в качестве одной из взаимодействующих систем. При этом должно приниматься во внимание не только физическое взаимодействие, но и духовно-эстетическое воздействие.

Функционирующие объекты активно взаимодействуют с окружающей средой, испытывая влияние внешних нагрузок, изменения температуры, влажности и других факторов. В то же время объекты сами оказывают влияние на эту среду, загрязняя ее продуктами износа и утечками веществ, выделяя тепло и т.п. Внешняя, или как ее еще называют — жизненная среда, также должна рассматриваться в качестве системы, взаимосвязанной с проектируемым объектом. Жизненная среда конкретизирует условия применения и производства объекта проектирования, влияет на выбор показателей качества.

3. Изменяемость во времени. Объекты проектирования существуют не мгновение, а, как и живой организм, последовательно «проживают» ряд этапов:

постановка цели и планирование работы,

проведение исследований и проектирование,

производство,

эксплуатация,

утилизация (переработка и захоронение вышедшего из употребления изделия).

Все вместе, т.е. период от возникновения потребности в создании объекта до его ликвидации вследствие исчерпания потребительских качеств, составляет жизненный цикл. Учет этапов жизненного цикла позволяет уменьшить издержки или даже предотвратить возможную катастрофу вследствие действия «непредусмотренных» обстоятельств, рационально спланировать деятельность по созданию и обслуживанию объекта.

С другой стороны, новое изделие возникает не на пустом месте. Важно учитывать историю и предусматривать перспективы развития и применения разрабатываемого объекта, а также областей науки и техники, на достижениях которых базируются соответствующие разработки.

3.2. Законы проектирования

Проектирование как деятельность, направленная на создание реальных предметов, основывается на объективных законах природы. И качество создаваемых объектов зависит от степени познания и следования этим законам. С другой стороны, участие в проектировании человека вызывает потребность в знании законов наук, изучающих мышление человека, принципы его деятельности.

Уже с давних времен обращали внимание на непредсказуемость и индивидуальность результатов творческого труда, возможность появления как выдающихся изделий, так и явных неудач. Это — следствие неспособности человека охватить всю решаемую задачу целиком, во всех ее подробностях, учесть все параметры, внутренние и внешние связи. Велика роль и субъективных факторов, таких как личный опыт, знания, настроение, особенности характера.

По этим причинам всегда представлял большой интерес поиск закономерностей, которые управляют процессом проектирования, и стремление максимально формализовать его (но, если задуматься, познание алгоритмов творческого труда превратит деятельность человека в нетворческую, что обеднит его как личность или, что опаснее, приведет к интеллектуальной деградации).

В работах Г.С.Альтшуллера и А.И.Половинкина приведены результаты исследований и поисков в этом направлении. Они представлены как законы, хотя в действительности указывают пути достижения наиболее эффективного результата, носят рекомендательный характер и, точнее говоря, пока являются лишь закономерностями. Это — следующие законы:

Закон «энергетической проводимости» системы: необходимым условием принципиальной жизнеспособности системы является сквозной проход энергии (и информации) по всем ее частям.

Следствие из закона. Чтобы часть системы была управляемой, необходимо обеспечить энергетическую проводимость между этой частью и органами управления.

Закон увеличения степени идеальности системы: развитие систем идет в направлении увеличения степени идеальности.

Идеальная система — такая, у которой вес, объем или размеры (или другие исследуемые характеристики) стремятся к нулю (наилучшему значению), а функция сохраняется и выполняется.

Закон стадийного развития: развитие технических систем идет в последовательности:

1. выполнение системой технологических функций, т.е. исходной и основной функцией системы является облегчение человеческого труда или выполнение чисто утилитарной, потребительской функции (количественное изменение характеристик);

2. дополнительное выполнение системой энергетической функции, т.е. не только передача энергии, но и изменение ее вида, введение в систему двигателя;

3. дополнительное выполнение системой функций управления, т.е. изменение режимов работы, саморегулирование в пределах, заданных программой;

4. дополнительное выполнение системой функций планирования, т.е. саморегулирование в непредвиденных условиях, анализ ситуации и способность выбора режима работы.

Последний закон указывает, что совершенствование технических систем идет в направлении их полной автоматизации и независимости от человека:

Закон соответствия функции и структуры: жизнеспособными оказываются те конструктивные решения, у которых форма объекта подчинена его внутреннему содержанию, содействует реализации предъявляемых к нему требований.

Предполагают, что в основе мотивов, заставляющих вести разработку и совершенствование технических систем, лежат еще и общечеловеческие законы:

Закон непрерывного возрастания потребностей людей и неугасимого любопытства.

После удовлетворения очередной потребности у каждого человека появляется новое желание, причем получить не только больше, но и лучше. Желание не дает довольствоваться уже достигнутым и заставляет совершенствовать окружающие нас предметы и, как следствие, совершенствоваться нам самим (больше трудиться, обучаться чему-то новому, задумываться). Стоит отметить, что тенденция в развитии потребностей указывает на переход от удовлетворения физиологических потребностей к эмоционально-психологическим, которым и следует уделять больше внимания при создании объектов с высокими потребительскими свойствами.

Закон действует в условиях, когда физические и иные возможности человека (но не интеллектуальные) ограничены, и чем сложнее обстоятельства, тем эффективнее результат;

Закон лености (минимизации усилий).

Человек всегда стремился к минимизации усилий на обслуживание своих потребностей (физических усилий, работы органов чувств, мыслительной деятельности и т.п.). Эта своеобразная «лень» так стимулирует человека, что заставляет его напрягать все свои усилия и, прежде всего, интеллектуальные для создания устройств, облегчающих, а в идеале и исключающих его собственный труд. Поэтому, как только у человека возникает какая-либо потребность, он будет искать пути ее удовлетворения наиболее простым способом, а связанные с этой потребностью устройства будут совершенствоваться до их полной автоматизации либо максимально простого обслуживания (обычно стадийно, в соответствии с законом стадийного развития).

3.3. Методы проектирования

Проектирование представляет собой последовательность выполнения взаимообусловленных действий — процедур. В свою очередь, процедуры подразумевают использование определенных методов, основанных на тех или иных законах природы и общества.

Метод — это прием или способ действия с целью достижения желаемого результата. Его выбор зависит не только от вида решаемой задачи, но и индивидуальных черт разработчика (его характера, организации мышления, склонности к риску, способности принимать решения и нести за них ответственность и т.п.), условий его труда и оснащенности средствами оргтехники. Сложность процесса проектирования (как и любой другой творческой деятельности), нестандартность проектных ситуаций вызывают необходимость знания и владения различными методами: эвристическими, экспериментальными, формализованными. Применение метода завершается выбором (принятием) окончательного решения.

Эвристические методы основаны на подсознательном мышлении, не допускают алгоритмизации и характеризуются неосознанным (интуитивным) способом действий для достижения осознанных целей. Понятие «эвристика», что в переводе с греческого означает «отыскиваю», «открываю», впервые встречается в 300 г. н.э. в трудах греческого математика Паппа, хотя и он уже ссылается на своих предшественников. Часто эвристические методы еще называют методами инженерного (изобретательного) творчества.

Эвристические методы и моделирование присущи только человеку и отличают его от искусственных интеллектуальных (мыслящих) систем. В настоящее время к сфере человеческой деятельности относят:

постановку задачи;

выбор методов ее решений и построение (разработка) моделей и алгоритмов, выдвижение гипотез и предположений;

осмысление результатов и принятие решений.

Стоит отметить, что важной особенностью именно человеческой деятельности является наличие в ней элемента случайности: необъяснимые поступки и сумасбродные решения часто лежат в основе оригинальных и неожиданных идей.

Однако с развитием вычислительной техники выполнение все большего числа функций берут на себя автоматические системы, при этом выполняя работу быстрее и эффективнее человека. Задача человека как homo sapience — прежде всего, совершенствоваться в эвристических процедурах, а не в выполнении алгоритмизированных операций, чтобы впоследствии не оказаться вытесненным «разумной» техникой.

Экспериментальные методы основаны на использовании реальных объектов и физических (химических, социальных и т.д.) моделей. Несмотря на сложность, только они позволяют получить наиболее достоверные и надежные исходные данные и результаты решений, служат основой для разработки других методов и моделей. Однако следует помнить, что степень объективности результатов исследований зависит от грамотности постановки и проведения эксперимента и обработки его результатов.

Знание законов, лежащих в основе работы исследуемых объектов и процессов, позволяет использовать формализованные методы. Такие методы строятся на основе четких указаний посредством языка схем, математических формул, формально-логических отношений и алгоритмов. Главной их чертой является независимость получаемых результатов от индивидуальных черт человека.

Обычно задачи с полностью формализованным решением перестают интересовать человека, их относят к разряду рутинных.

Поскольку экспериментальные и формализованные методы используются человеком, то в них в той или иной степени присутствует элемент эвристики. Человек может как усиливать эффективность решения благодаря творческому началу, так и вносить ошибки и искажать результаты (осознанно или неосознанно) в силу субъективности. Совместное использование в процессе проектирования формализованных и эвристических методов называют эвроритмом.

Эвристические методы оперируют понятиями и категориями (абстрактными, отвлеченными, конкретными). Формализованные — конкретными параметрами или их группами. Экспериментальные — физическими (и иными) объектами и их характеристиками.

Применение метода позволяет найти то или иное решения. Те из них, которые будут обладать отличными характеристиками и высокой эффективностью, часто называют сильными решениями.

Применение метода завершается выбором окончательного варианта, т.е. принятием решения.

3.3.1. Эвристические методы

Долгое время в основе творчества лежали методы проб и ошибок, перебора возможных вариантов, ожидание озарения и работа по аналогии. Так, Эдисон провел около 50 тысяч опытов, пока разрабатывал устройство щелочного аккумулятора. А об изобретателе вулканизированной резины Чарльзе Гудиер (Goodyear) писали, что он смешивал сырую резину (каучук) с любым попадавшимся ему под руку веществом: солью, перцем, сахаром, песком, касторовым маслом, даже с супом. Он следовал логическому заключению, что рано или поздно перепробует все, что есть на земле и, наконец, наткнется на удачное сочетание.

Однако со временем такие методы начали приходить в противоречие с темпами создания и масштабами современных объектов. Стали вырабатываться рекомендации, позволявшие более осознанно подходить к проектированию как творческой деятельности. Наиболее интенсивно поиском новых методов занялись со второй половины 20 века, причем не только посредством изучения приемов и последовательности действий инженеров и других творческих работников, но и на основе достижений психологии и физиологии мозга.

Сейчас практически во всех преуспевающих фирмах, занятых созданием материальной и нематериальной (программы, методики) продукции, поиск новых идей и решений ведется с помощью тех или иных эвристических методов. А для современного инженера знание этих методов становится столь же необходимым, как и умение писать и читать. Даже журналисты, художники, бизнесмены и представители других профессий, кто остро нуждается в оригинальных идеях, активно используют такие методы.

3.3.1.1. Результаты творческой деятельности

В науке и технике выделяют следующие результаты творческой деятельности:

открытие, т.е. установление ранее неизвестных объективных закономерностей, свойств и явлений материального мира с обязательным экспериментальным подтверждением. Открытие, в основном, является продуктом научной деятельности, но решающим и революционным образом определяет развитие техники. На открытие существует приоритет (право первенства), но нет права собственности на использование;

изобретение, т.е. новое и обладающее существенными отличиями техническое решение задачи, которое не является очевидным следствием известных решений. Изобретение относится к объектам интеллектуальной собственности и на него распространяется авторское право (монопольное право собственности на использование). Содержание изобретения публикуется. Изобретателю выдается патент, свидетельствующий о его праве и приоритете на изобретение (ранее в нашей стране вместо патента выдавали авторское свидетельство). Авторское право может быть уступлено (продано). Изобретение может быть использовано в коммерческих целях только с разрешения обладателя патента на основе лицензионного договора;

рационализаторское предложение, т.е. предложение по улучшению конструкции реального изделия или процесса его изготовления, не содержащее существенно новых решений (с недостаточно существенными отличиями) и с незначительной эффективностью. Часто в качестве рацпредложения оформляют применение решения, неизвестного на данном предприятии, но известного в других местах (но следует быть осторожным с возможным нарушением авторских прав). Понятие рацпредложения существует всего в нескольких странах как способ поощрения изобретательства и вовлечения в него широкого круга работников предприятия;

ноу-хау (know-how, «знаю, как »). Под этим термином обычно подразумевают техническую, организационную или коммерческую информацию, составляющую секрет производства (любого) и имеющую коммерческую ценность (ноу-хау не относится к государственным секретам). В отличие от патента на изобретение, на ноу-хау существует только право на защиту имущественных интересов в случае их незаконного получения и использования.

3.3.1.2. Психологические факторы творческой деятельности

На творческие способности влияют наследственность, окружающая естественная и социальная среда, научно-техническая подготовка, степень развития воображения, способность мыслить образно и другие факторы. При этом образность мышления сильно развивают практический опыт и искусства: в первую очередь — пластические: живопись, графика, скульптура.

Однако в творческом процессе важны не только способности, но и знание факторов, которые могут помешать успешному достижению цели. Г.Я. Буш выделяет ряд неэффективных стратегий решения задач проектирования и синдромов, порождающих барьеры творчеству.

Неэффективные стратегии применительно к человеку с европейским складом характера:

стратегия осла Буридана — предпочтение существующего положения всяким изменениям;

стратегия Одиссея — ожидание случайного осенения творческой идеей;

стратегия Обломова — равнодушие к общественно значимым целям;

стратегия Антисфена — не изменять внешний мир, а внутренне приспосабливаться к нему.

Синдромы (сочетание признаков с общим механизмом возникновения), порождающие препятствия проявлению или развитию творчества:

ситуативные барьеры — географические, ведомственные, режимные, бюрократические, получения и понимания информации, разобщения творческого коллектива в пространстве, вредного воздействия внешней и социальной среды, ситуационный антагонизм в творческом коллективе:

контрсуггестативные барьеры — предубеждения, неверие в свои силы, недоверие к коллегам, эгоцентризм, нигилизм, замкнутый образ жизни, отсутствие юмора, апатия;

тезаурусные барьеры — низкий уровень интеллектуального развития, отсутствие навыков общественной и творческой деятельности, неясное осознание собственных целей, отсутствие личного фонда собственных эвристических методов;

барьеры коммуникабельности — неумение планировать и организовывать коллективное воздействие, творческое взаимодействие и дружеское соревнование, отсутствие контактов с информационными и патентными службами, неиспользование возможностей обмена опытом и консультаций специалистов.

Барьеры не всегда легко преодолимы, но обычно имеется возможность уменьшить накладываемые ими ограничения.

Успех также зависит и от личных качеств инженера. Наиболее важны следующие черты характера:

уверенность в необходимости и возможности решения задачи;

свобода от предрассудков;

способность принимать решения и нести за них ответственность.

В настоящее время разработано и эффективно используется несколько десятков эвристических методов. Универсальных среди них нет, и в каждой конкретной ситуации следует пробовать применить ряд методов — основное их предназначение заключается в активизации творческой деятельности. Это достигается следующими мерами:

преодоление психологической инерции, обусловленной привычными образом мышления и типовыми методами решения задач определенного класса. Замечено, что около 80% нововведений вначале специалистами отрицается как нереальные. Инерцию развивают и усиливают:

- рецептурное обучение и проектирование по аналогии;

- подсознательная вера в то, что каждая вещь и явление служат строго определенной цели;

- устоявшаяся терминология. Ф. Энгельс писал: «В науке каждая новая точка зрения влечет за собою революцию в технических терминах»;

мобилизация подсознания. Человек осознает только те процессы, которые протекают в коре головного мозга, содержащей около 10% нервных клеток. Остальная часть клеток относится к подсознанию. Но обе эти части мозга связаны между собой, что и можно использовать как резерв человеческих возможностей. Однако следует быть осторожным, так как замечено, что длительное активно-принудительное задействование подсознания приводит к психическим отклонениям;

расширение перспектив видения, чему препятствует чрезмерная специализация образования и узкопрактический подход. Необходимо применение разнообразных методов, расширение области поиска новых идей и увеличение их количества.

Человеческая мысль не стоит на месте — эвристические методы все дальше совершенствуются и развиваются: от общих рекомендаций — к последовательности действий, далее к алгоритмизованным методам и, наконец, к созданию искусственного интеллекта.

Приведем краткое описание и характеристику основных методов, знание которых минимально необходимо как в собственной деятельности, так и для понимания принципов работы интеллектуальных систем.

3.3.1.3. Метод итераций (последовательного приближения)

Процесс проектирования ведется в условиях информационного дефицита, который проявляется в следующем:

невозможность заранее точно указать условия работы проектируемого объекта, не зная его конкретного вида и устройства (исходные данные зависят от вида конечного решения);

выявление в процессе проектирования противоречивых исходных данных, т.е. невозможность достижения технического решения при первоначально предложенных данных, оказавшихся взаимоисключающими;

появление в процессе проектирования необходимости учета дополнительных условий и ограничений, которые ранее считались несущественными;

перераспределение по степени важности показателей качества, так как может выясниться, что показатель, ранее считавшийся второстепенным, очень важен (и наоборот).

Такая неопределенность устраняется посредством выполнения итерационных процедур. Первоначально задача решается при предположительных значениях исходных данных и ограниченном числе учитываемых факторов (первый цикл итераций, так называемое «первое приближение»). Далее возвращаемся в начало задачи и повторяем ее решение, но уже с уточненными значениями исходных данных и перечнем факторов, найденными на предыдущем этапе (второй цикл итераций, «второе приближение»). И т.д. Число циклов итераций зависит от степени неопределенности начальной постановки задачи, ее сложности, опыта и квалификации проектировщика, требуемой точности решения. В процессе приближений возможно не только уточнение, но и отказ от первоначальных предположений.

Если хотят подчеркнуть, что первоначальное решение задачи выполнялось в условиях полной или большой неопределенности, первый цикл итераций называют «нулевым приближением».

Не надо бояться итераций в своей работе, поскольку еще ни один технический объект (а также законопроект, книга и т.д.) не был создан с первого раза. С другой стороны, желательно не увлекаться итерациями при выполнении дорогих или продолжительных проектных работ.

В частном случае, когда нет никаких предположений по решению задачи, метод последовательных приближений можно сформулировать в виде совета:

- если не известно, что и как делать (нет идей, данных, определенности и т.п.), возьмите в качестве исходного решения любое известное (идею, схему, данные,…) или предположите какое-нибудь (но желательно разумное) решение задачи. Проанализировав выбранное решение на соответствие условиям задачи, станет видно, что вас в нем не устраивает и в каком направлении его надо улучшать.

3.3.1.4. Метод декомпозиции

Любой объект-систему можно рассматривать как сложный, состоящий из отдельных взаимосвязанных подсистем, которые, в свою очередь, также могут быть расчленены на части. Такой процесс расчленения системы называется декомпозицией. В качестве систем могут выступать не только материальные объекты, но и процессы, явления и понятия. Декомпозиция позволяет разложить сложную задачу на ряд простых, пусть и взаимосвязанных задач.

При декомпозиции руководствуются определенными правилами.

1. Каждое расчленение образует свой уровень. Исходная система располагается на нулевом уровне. После ее расчленения получаются подсистемы первого уровня. Расчленение этих подсистем или некоторых из них, приводит к появлению подсистем второго уровня и т.д.

Упрощенное графическое представление декомпозированной системы называется ее иерархической структурой.

Иерархическая структура может быть изображена в виде ветвящейся блок-схемы, на подобие представленной на рис.4. Здесь на нулевом уровне располагается исходный объект-система С1, на следующих уровнях — его подсистемы (число уровней и количество подсистем, показанных на рисунке, выбрано произвольно). С целью получения более полного представления о системе и ее связях в структуру включают надсистему и составляющие ее части (системы нулевого уровня, например, вторая система С 2).



Страницы: Первая | 1 | 2 | 3 | ... | Вперед → | Последняя | Весь текст