Лекция № 4 Основные принципы проектирования

Проектирование сложной новой техники, какой являются зенитные управляемые ракеты,- процесс многозначный и весьма неопределенный: это путь перехода от достигнутых знаний, с чего начинается проектирование, к созданию еще не существующего объекта на основе задания на проектирование и новых технических решений. Можно с уверенностью утверждать, что такой процесс жестко запрограммировать и очень конкретно описать невозможно. Однако возможно методологическое описание проектирования, т.е. изложение концепции, основных принципов и особенностей процесса. По нашему мнению, такой материал для учебных целей полезен так же, как и конкретные методики: он заставляет думать, искать новые пути раскрытия неопределенности и многозначности.

При формировании общих подходов к проектированию естественным желанием исследователя и конструктора является стремление возможно полно учесть все факторы, определяющие облик будущей техники. Этому требованию полноты можно удовлетворить лишь в рамках иерархической структуры принципов, верхний уровень которой содержит небольшое число наиболее общих основополагающих принципов, имеющих отношение к самым различным видам технических систем. На наш взгляд, таких принципов три.

Первый принцип отражает главный источник нового качества техники, средство и основное направление достижения цели. Традиционный подход сравнительно слабо связан с внедрением нововведений. Он тяготеет к проектированию по прототипу, т.е. «от достигнутого путем обновления техники на основе последовательного незначительного улучшения конструкций. По современным воззрениям, коренное повышение качества технических систем можно получить лишь на основе внедрения результатов научно-технического прогресса (НТП), т.е. при использовании новых идей и высокопроизводительных технологий, реализующих критерии «максимум результата при минимуме затрат».

Может возникнуть вопрос: почемунеобходимы новые решения и зачем вообще нужен технический прогресс? Видимо, ответ может быть только один - НТП расширяет возможности удовлетворения потребностей человека. За счет более эффективного использования труда он позволяет увеличить массу товаров и услуг (потребительной стоимости). Прогресс науки и техники повышает средний уровень умелости, ведет к уменьшению затрат общественно необходимого времени (т.е. среднего времени на единицу продукции) и, следовательно, в пределе - к снижению стоимости сопоставимой единицы продукции. Значит, если общественно необходимое время (стоимость продукции производства) не снижается, то технического прогресса нет. Это положение подчеркивается для того, чтобы правильно трактовать суть проектирования.

Второй принцип - системный подход к проектированию новой техники. Главной особенностью и положительной стороной практической реализации системного подхода является то, что решение частных задач выбирается в интересах более общих задач: в соответствии с этим его сущность состоит в выявлении всех основных взаимосвязей между переменными факторами и в установлении их влияния на поведение всей системы как единого целого. Системный подход предполагает; что взаимосвязь и взаимодействие элементов придают новые свойства исследуемому объекту, которые не присущи его отдельным элементам или их совокупности без системного объединения.

С практических позиций проектирование новой техники - это одновременно проектирование в той или иной мере некоторой большой системы, включающей в себя данный объект. Проектирование ЗУР, в частности, нельзя представить в отрыве от системы ПВО и даже обороны страны в целом. Система может функционировать нормально лишь в случае органического взаимодействия всех ее элементов, несмотря на то, что каждый из них играет самостоятельную роль в реализации целей системы. Хотя каждый элемент самостоятельный и представляет собой некоторую обособленную, структурообразующую часть системы, все они находятся в определенной иерархической зависимости.

Учет этих взаимозависимостей составляет суть системного проектирования. При этом главное - определение структуры системы в каждого из ее элементов. Структура объекта проектирования определяет свойства, которые с достаточно высокой надежностью обеспечивают конкретную область функционирования объекта («функциональную нишу») и могут быть приданы ему в ходе производственного процесса. Обычно структура объекта рассматривается как основная характеристика его облика и в ряде случаев даже как синоним облика.

Различные структуры технических систем отличаются друг от друга числом компонентов и самими компонентами. Очевидно, что чем больше единообразия в этих компонентах, тем технологичнее и дешевле система. Оборотной стороной, противоположностью единообразия является многономенклатурность. С точки зрения производства и эксплуатации многономенклатурность - самое отрицательное качество, которое влечет за собой негативные последствия на всех этапах жизненного цикла системы, начиная от зарождения и кончая эксплуатацией и даже утилизацией.

Вместе с тем миогономенклатурность - это средство придания гибкости системе: практически лишь за счет многономенклатурности обеспечивается адаптивность системы к изменяющимся целевым задачам. То и другое оказывает положительное влияние на функциональную эффективность системы. Единообразие и многономенклатурность - две противоположные тенденции развития структур современных технических систем, противоречие между которыми преодолевается путем компромисса. В конечном итоге такой компромисс состоит в сведении разнообразных компонентов (подсистем) к небольшому числу избранных типов, образующих параметрический ряд (или типоряд) компонентов.

Заметим, что нахождение типоряда компонентов, как правило, не является самоцелью. Цель в том, чтобы выявить свободную «функциональную нишу» или область устаревшей техники и наилучшим образом «вписаться» в эту область. Такого рода задачи особенно актуальны для многофункциональных систем (подобных системе ПВО), когда наличие многих групп целевых задач объективно требуют наличия целого семейства однородных технических средств.

В системе ПВО такими средствами являются зенитные ракеты. Поскольку существующее семейство ЗУР создавалось в течение многих лет, в настоящее время оно представляет собой практически неупорядоченное многономенклатурное множество. Современные возможности науки и практики позволяют постепенно исправить сложившееся положение путем упорядочения структуры ПВО. Упорядочение имеет целью уменьшить размеры семейства и, как следствие, сократить затраты на обновление системы обороны. Глобальное средство борьбы с многономенклатурностью - унификация.

Унификация - это способ устранения многообразия в типоразмерах техники, приведение к единообразию систем, их подсистем и элементов, что придает им универсальные свойства с точки зрения назначения, производства и эксплуатации. Наиболее распространенной формой унификации является введение единообразия по конструктивно-техническим решениям. Для изделий параметрического ряда помимо конструктивной унификации, как правило, предусматривается еще упорядочение по областям применения.

По современным представлениям, унификация технических средств наилучшим образом достигается на основе блочно-модульного построения техники. Блочно-модульный принцип означает переход от индивидуального конструирования отдельных типов и модификаций изделий к системному проектированию семейств изделий. При этом широко используются ранее сконструированные, освоенные в производстве и частично уже изготовленные (в отдельных случаях) унифицированные модульные составные части.

Третий принцип - автоматизация проектирования, которую следует рассматривать как практическую основу всех проектных работ. Автоматизированное проектирование - это качественно новый уровень проектирования, базирующийся на современных информационных технологиях и вычислительной технике. Информатика всегда была центральным звеном науки. С некоторой долей условности процесс проектирования можно представить как процесс переработки информации. В связи с усложнением техники традиционные методы преобразования информации, ориентированные на индивидуальные возможности проектировщика, практически неприемлемы. Масштабность задач создания сложных систем требует адекватных методов проектирования. Основой таких методов являются новые информационные технологии и автоматизированное проектирование.

Автоматизированное проектирование ГОСТ определяет как процесс составления описания еще не существующего объекта, при котором отдельные преобразования описаний объекта и (или) алгоритма его функционирования или алгоритма процесса, а также представления описаний на различных языках осуществляются взаимодействием человека и ЭВМ. Главнейшим признаком в этом определении является «взаимодействие человека и ЭВМ». Этот признак отражает существо процесса проектирования, состоящее в объединении формальных и неформальных аспектов.

Опыт убеждает в том, что для описания современных задач формализации недостаточно. Еще менее реально ограничение проектирования эвристикой и интуицией. Необходимо сочетание того и другого. Успешность реализации этого требования при автоматизированном проектировании зависит от фундаментальности методического обеспечения по трем направлениям.

Первое направление - осмысливание и неформальное представление проблемы. Многофункциональность, связи междисциплинарного характера, большое число объектов, действующих вместе, ввели в инженерный лексикон в качестве межсистемного понятия термин «сложность», который можно определить как взаимодействие и взаимозависимость. Основой является проблема, которая должна быть решена.

В теории анализа и проектирования сложных систем наметилось определенное несоответствие между характером решаемых сложных проблем и методологией их решения. В большинстве случаев решение практических задач строится на использовании готовых математических моделей, даже если эти модели и не очень точно отражают суть задачи. Причина такого подхода простая: иначе задача не решается, а при таком подходе все определенно - решение конкретное и однозначное.

Итогом этапа осмысливания проблемы является упорядоченная (обычно иерархическая) структура факторов, определяющих функциональные и стоимостные свойства вновь создаваемой системы (объекта). В числе факторов обязательно должны быть четко сформулированные целевые задачи, взаимодействующие стороны со своими интересами, характеристики эффекта и ущерба, возможные последствия от применения системы и т.д. Информация должна быть достаточной для критического анализа технического задания заказчика и формирования перечня математических моделей.

Второе направление - математическое моделирование проектной задачи. Современный арсенал проектных моделей чрезвычайно богатый. Важно, чтобы аналитик-проектировщик знал возможности этого арсенала и творчески им пользовался. Творчество особенно необходимо при внедрении принципиально новых схемных и конструкторско-технологических решений. Общая тенденция математического моделирования состоит в стремлении к более полному и точному описанию объектов и процессов проектирования.

Обычно при проектировании используют два типа моделей: оценочные (упрощенные) и проверочные (более точные). Оценочные модели, ориентированные преимущественно на линейные зависимости, применяют на начальной стадии проектирования при формировании опорных вариантов. Особенно тщательно следует выверять подход к постановке и решению оптимизационных задач. Нельзя забывать об итерационности процесса проектирования. Если сразу использовать сложную целевую функцию и реальную систему ограничений, то задача может потребовать больших затрат времени. А так как в процессе выбора параметров задачу отыскания экстремумов приходится решать многократно, то трудоемкость решения строгой задачи может оказаться определяющим фактором всего исследования.

При описании проектных задач, требующих учета неопределенных и случайных факторов, классические методы оказываются малоприемлемыми. Более подходящим оказывается имитационное моделирование. Под имитацией понимают численный метод проведения на цифровых вычисли-

тельных машинах экспериментов с математическими моделями, описывающими поведение сложных систем в течение продолжительных периодов времени. Имитационная модель - это компьютерный аналог сложного реального явления. Она позволяет заменить эксперимент с реальным процессом экспериментом с математической моделью этого процесса в ЭВМ. Имитационное моделирование - это реальный шаг к интеллектуализации проектирования. По существу, искусственный интеллект и имитационные системы - это синонимы, поскольку то и другое объединяет жизненный опыт (интеллект) человека с формализмом на базе компьютерной техники.

Третье направление - пользовательский интерфейс. Модель предметной области и метод ее решения - это еще не инструментарий автоматизированного проектирования. Чтобы предметная модель и ее решение таковыми стали, их надо «вписать» в компьютерную технологию. Компьютерная технология, иначе - пользовательский интерфейс, представляет собой совокупность методологий анализа, разработки и сопровождения сложных прикладных программ, поддержанную комплексом средств автоматизации.

За рубежом разработка компьютерных технологий сформировалась в виде самостоятельного направления в программотехнике - CASE (Computer-Aided Software/Sistem Engineering). CASE позволяет не только создавать более совершенные продукты, но и упорядочить сам процесс их создания. Основная цель CASE состоит в том, чтобы отделить проектирование программного обеспечения от его кодирования и последующих этапов разработки, а также позволить разработчикам не вникать во многие детали среды разработки и функционирования программ.

Компьютерные технологии применяются для построения практически всех программных комплексов, однако наиболее эффективно их использование в диалоговых комплексах, требующих не только аналитического, но и графического сопровождения. По мнению зарубежных специалистов, при использовании существующих пакетов CASE-технологий время разработки новых САПР сокращается в 5-7 раз. При этом значительно возрастает качество САПР и удобство пользования ею.