Взаимосвязь потребностей надсистемы и целей системы. Иерархия целей проектирования

Система (САПР) и окружающая среда (надсистема). Прогнозирование.

Проектирование связано с формированием оперативной модели в сознании человека. Возможность формирования такой модели обеспечиваются способностью человеческого мозга к опережающему отражению действительности. Построение оперативной модели тесно примыкает к распознаванию. Как в том, так и в другом случае имеется входная информация о признаках объекта, а на выходе – заключение о самом объекте. Разница между оперативной моделью в проектировании и распознаванием заключается лишь в том, что в первом случае самого объекта не существует, в то время как во втором – он реален. Но несмотря на это, в обоих случаях дело имеют не с самим предметом, а с его признаками. Последние могут быть установлены и для еще не существующего объекта. Так, при проектировании той или иной машины мы на первых этапах не представляем себе, как она выглядит (какую имеет форму, размеры, тип рабочего органа), однако уже с самого начала известно, что она должна делать, известны ее ориентировочная производительность, стоимость и некоторые другие исходные данные. Кроме того, можно установить, в каких условиях она будет работать (климатически условия, квалификация обслуживаемого персонала и другие факторы).

Проектируемый объект окажется нежизнеспособен, если он будет приспособлен к окружающей среде и заданным ему функциям. Таким образом, окружающая среда и заданные функции являются теми признаками, с помощью которых можно распознать еще не существующий объект и тем самым составить оперативную модель. Задача осложнятся тем, что проектируемый объект должен быть приспособлен к окружающей среде не в настоящем времени а в будущем. В связи с этим распознавание объекта связано с прогнозированием. В этом случае уместно обратиться к одному из приемов драматургии – приему составленного сценария. Сценарий – сюжетная схема без литературного текста, по которой создается спектакль в театре, основанном на импровизации. Сценарий – сюжетная схема без литературного текста, по которой создается спектакль в театре, основанном на импровизации. Сценарий представляет собой краткое изложение содержания пьесы, в котором определены главные моменты действия. «Под сценарием в практике социально-экономического и научно-технического прогнозирования подразумевается обзор, содержащий данные относительно ситуации, внутри которой протекают конкретные процессы, являющиеся объектом прогноза. Эти данные относятся к самым различным сторонам прогнозируемой научно-технической, социальной и экономической ситуации и включают в себя описание отдельных факторов или событий, оказывающих прямое или косвенное влияние на реализацию конкретного события». Описать ситуацию, внутри которой будет протекать работа проектируемого объекта – означает установить факторы его непосредственного и косвенного окружения. К непосредственному окружению надо отнести окружающую среду, внутри которой будет обитать объект. К косвенному окружению следует отнести факторы, определенные научно-технической, экономической и социальной ситуацией. Перечисленные факторы окружения представлены на рис. 3.2. Разработка сценария сродни формированию порождающей среды, понятие о которой развивается.

Рисунок.1.2. Факторы окружения объекта проектирования.

На первом этапе составления сценария формируются самые общие представления о проектируемом объекте и поэтому взаимное влияние факторов можно не учитывать. В данном случае по существу происходит лишь выявление признаков ситуации, причем следует начинать с самых простых и очевидных ситуаций, переходя затем к более сложным и менее очевидным. Выявление факторов окружения подобно эмпатии (вживанию в роль). Проектировщик ставит себя в положение будущего технического устройства т осматривается. Вначале составляется лишь перечень факторов, а затем по ходу их описания могут быть вскрыты новые факторы окружения. Составлять сценарий следует при проектировании нового изделия. После его освоения необходимо периодически вносить изменения в первоначальный сценарий для определения потребности в совершенствовании изделия, расширения или сокращения объема его производства.

Описание факторов окружения начинается с изложения существующего положения и заканчивается прогнозом на будущее. Рассматривая каждый фактор как объект прогнозирования, следует подобрать к нему наиболее соответствующий метод прогноза. Воспользуемся классификацией, приведенной в [29], которая проводится по шести признакам.

1. Признаки, обусловленные природой объекта прогнозирования:

а) научно-технические (развитие фундаментальных и прикладных исследований, развитие науки, новые виды техники, технические характеристики, изобретения и открытия в области науки и техники, новые материалы, технология.);

б) технико-экономические (экономика народного хозяйства по отраслям, развитие и размещение производства, промышленные предприятия, технико-экономические показатели производства продукции, организационно-экономические системы управления, освоение новых видов продукции, финансирование производства.);

в)социально-экономические (демография, трудовые ресурсы, размещение производительных сил, образование, национальный доход, спрос, потребление);

г) военно-политические (международные отношения, опасные зоны, военный потенциал, стратегический курс, военные конфликты);

д) естественно-природные (погода, окружающая среда, природные ресурсы).

2. Признаки масштабности объекта прогнозирования, определяемой числом переменных, входящих в полное описание объекта:

а) сублокальные – с числом значащих переменных от 1 до 3 (производственная функция, траектория движения в трехмерном пространстве, рабочее место);

б) локальные – с числом значащих переменных от 4 до 14 (производственный участок, материал, несложное техническое устройство);

в) субглобальные – с числом значащих переменных от 15 до 35 (цех, спрос на продукцию предприятия с соответствующей номенклатурой);

г) глобальные – с числом переменных от 36 до 100 (предприятия, техническая система типа «станок», «агрегат», «транспортная сеть региона»;

д) суперглобальные – с числом переменных свыше 100 (отрасль, крупное предприятие, большая техническая система).

3. Признаки сложности объекта прогнозирования по степени взаимосвязанности значащих переменных в их описании:

а) сверхпростые – объекты с отсутствием существенных взаимосвязей между переменными;

б) простые - объекты, в описании которых содержатся парные связи;

в) сложные – объекты, в описании которых нужно учитывать взаимосвязи всех значащих переменных.

г) сверхсложные – объекты, в описании которых нужно учитывать взаимосвязи всех значащих переменных.

4. Признаки степени детерминированности:

а) детерминированные – объекты, в характеристиках которых случайная составляющая несущественна;

б) стохастические – объекты, в описании которых необходим учет случайной составляющей переменных;

в) случайные, имеющие как детермирированные, так и стохастические характеристики.

5. Признаки характера развития во времени:

а) дискретные, характеристики которых изменяются скачками;

б) апериодические – характеристики изменяются в виде апериодической непрерывной функции;

в) циклические – характеристики изменяются в виде периодической непрерывной функции.

6. признаки степени информационной обеспеченности:

а) объекты с достаточной количественной ретроспективной информацией;

б) объекты с недостаточной для обеспечения заданной точности прогнозирования количественной ретроспективной информацией;

в) объекты, имеющие лишь качественную ретроспективную информацию

г) объекты с полным отсутствием ретроспективной информации.

В отечественной и зарубежной практике можно насчитать свыше 100 методов прогнозирования. В настоящее время не разработаны, да и вряд ли будут разработаны в дальнейшем, какие-либо рекомендации для однозначного выбора метода прогнозирования. Можно лишь ограничить ориентировочно область применения того или иного метода. В таблице 3.2 представлены наиболее распространенные методы прогнозирования и позиции по шести классификационным признакам, характеризующим объект.

Приступая к прогнозированию необходимо вначале отыскать позиции, относящиеся к объекту по всем классификационным признакам, а затем подобрать метод, охватывающий возможно большее число характеризующих объект позиций.

Таблица 1.1 - Классификация методов прогнозирования

Методы прогнозирования	Классификационные признаки объекта
Математическая подгонка полиномами	А, б, в, д	А-д	А,б	а	Б,в	А,б
Экстраполяция по элементарным функциям	А, б, в, д	А-д	А,б	А,б	Б,в	А,б
Экстраполяция с дисконтированием	А, б, в, д	А-д	А,б	В,г	А,б	а
Функции с гибкой структурой	А,б	А-д	А,б	А,б,г	Б,в	а
Экстраполяция по огибающим кривым	А	А	А	Б	А,б	а
Авторегрессионные модели	А, б, в, д	А-д	а	б	Б,в	а
Парные регрессии	А, б, в, д	а	б	б	Б,в	А,б
Множественные регрессии	А, б, в, д	Б-д	В,г	б	Б,в	А,б
Компонетный анализ	А, б, в, д	В,г,д	В,г	б	Б,в	а
Многофакторные модели
Экстраполяция факторов
Биологические модели роста
Биолого-технические аналоги
Экономические аналоги по опережающей стране					А, б, в	А, б, в
Технические прогнозы по опережающей области					А, б, в	А, б, в
Анализ динамики патентования					А, б, в	А, б, в
Публикационные методы		А, б, в			А, б, в
Цитатно-индексные методы		А, б, в			б, в
Коэффициент полноты и уровня техники					А, б, в
Индивидуально-экспертный опрос			А, б, в		А, б, в
Коллективный экспертный опрос		А, б, в			А, б, в
Историко-логический анализ					А, б, в
Экспертные комиссии					А, б, в
Морфологический анализ					А, б, в
Синоптическая модель	А, б, в	А, б, в			А, б, в
Метод «Дельфи»	А, б, в	А, б			А, б, в
Метод эвристического прогнозирования	А, б, в	А, б, в			А, б, в
Коллективная генерация идей
Деструктивная отнесенная оценка
Динамический концептуальный анализ	А, б, в	А, б, в
Политические игры
Экономические игровые модели.					А, б, в

Введем понятие коэффициента общности метода прогнозирования

Кобщ = σ_р/ Σ_р,

Где σ_р - число позиций по всем признакам, охватываемых методом прогнозирования; Σ_р – общее число позиций по всем признакам.

Наибольшим коэффициентом общности обладает метод коллективного экспертного опроса (20 позиций из 24). Нужно отметить, что и все методы, имеющие отношение к опросу экспертов, обладают высоким значением этого показателя. Из других методов прогнозирования, обладающих высокой универсальностью (по коэффициенту общности), выделяется метод «Дельфи» и морфологический анализ.

Среди всех приведенных методов определенную группу объединяет инженерное прогнозирование. Оно опирается на информацию, содержащуюся в законченных проектах и научно-исследовательских разработках, в патентах и авторских свидетельствах. Согласно [15], под инженерным прогнозированием понимается научно обоснованная информация, отражающая в вероятностной постановке потенциальные возможности развития техники. На рис 3.3 представлены источники информации, размещенные на определенных уровнях, и временные периоды прогнозирования. Инженерное прогнозирование распространяется на период не свыше 15 лет. На его основе можно получить ответы на следующие вопросы: какие направления займут лидирующее положение в технике; каковы возможные пропорции внедрения в практику конкурирующих направлений; какова вероятность использования техники; какова предполагаемая экономическая эффективность реализации технических направлений; когда можно ожидать внедрения в производство объектов техники или целых направлений ее развития.

Инженерное прогнозирование использует наиболее универсальные методы. Среди них: коллективный экспертный опрос, экстраполяция, морфологический анализ.

Экспертные методы прогнозирования основаны на обработке мнений специалистов («expertus» в переводе с латинского означает «опытный») Опрос экспертов может производится в устной форме (интервью) или в форме заполнения анкет. В качестве экспертов следует выбирать специалистов, признанных ведущими в данной области и имеющих некоторый опыт прогнозирования. Количественный состав экспертной группы следует формировать с учетом возможных последствий от неверного выбора целей проектирования. Так, если проектируется новое изделие для массового производства, то необходимо сформировать репрезентативную (представительскую) выборку из генеральной совокупности экспертов. Для этого прежде всего определяют генеральную совокупность. В нее должны войти все известные специалисты в данной области. С учетом выделенных четырех сфер окружения объекта проектирования можно сформировать четыре группы экспертов, специализирующихся в областях: научных исследований (научно-техническая ситуация), экономики (экономическая ситуация), производства и потребления (социальная ситуация), экологии (окружающая среда). Во многих случаях не нужно производить специальный опрос экспертов. Достаточно обратиться к публикациям, в которых можно найти их высказывания по интересующему вопросу.

Холл утверждает: «…ошибки, допущенные при выборе целей проектирования особо тяжелы по своим последствиям. Выбрать не то техническое решение, значит создать не очень удачный объект; выбрать не те цели, значит создать не то, что нужно».

Сценарий вскрывает множество факторов, определяющих в дальнейшем направление поиска технического решения проектируемого изделия. На основе сценария можно сформулировать цели проектирования, исходя из различных сфер окружения. Для наглядного представления и систематизации целей используется граф целей. Все окружение разбивается на уровни в зависимости от их масштаба. На первом уровне помещается сфера, охватывающая интересы всего человечества; на втором – интересы государства, далее – сферы интересов отрасли, предприятия (заказчика), проектной организации (исполнителя), отдела и, наконец, сфера личных интересов. На каждом уровне возникают свои цели, подчиненные целям более высокого уровня. Граф, вершины которого означают цели, а дуги – их отношения, и носит название графа целей. Вершины его ориентированы относительно уровней сфер окружения. При составлении графа в каждом конкретном случае нужно прежде всего решить, начиная с какого уровня необходимо учитывать сферы окружения. Проектируемое изделие не всегда влияет на интересы государства и тем более всего человечества. Однако чрезмерное усечение уровней может оказать неучтенное воздействие в сферах более высокого уровня. Каждой цели определенного уровня можно придать относительный (в долях единицы) вес. Делать это наиболее рационально на основе экспертных оценок.

Попытаемся с помощью графа найти наиболее важные цели на каждом уровне. Для этого выполним следующее: 1) разобьем каждый кружок, означающий вершину графа, на четыре сектора; 2) в верхних секторах проставим номера вершин i-j, i є {I, II,…,VII}, j є {1,2,…, n} (i-номер уровня, j- номер цели на i уровне); 3) в нижних секторах запишем оценки весов целей по их относительной значимости на каждом уровне.

Пока ранжирование целей проведено без учета их связей. Однако достижение некоторых их них, кроме главной, находящейся на первом уровне, оказывается средством к достижению связанных с ней целей более высокого уровня. Естественно, что проектировщик яснее всего осознает свои личные цели. Достигая их, он обеспечивает выполнение связанных с ними более высоких по уровню целей. Скорректируем веса целей с учетом взаимосвязей и воспользуемся понятием коэффициента связи. Определим его как произведение весов целей, связанных на графе дугой. Обозначим коэффициент связи С_i-j,k-m, где индексы i,k означают номера уровней вершин, соединенных дугой; j,m – номера вершин соответственно на уровне i, k.

Вновь вернемся к рассмотрению важности целей на каждом уровне. Теперь уже наиболее значимой следует считать ту цель, у которой оказался наибольший абсолютный вес, равный сумме относительного веса и коэффициентов связи по заходящим дугам. Проставим значения абсолютных весов в левых секторах, а в правых – место цели на данном уровне по степени ее важности. Проектировщик может «обрезать» граф, отбрасывая его отдельные вершины, а в некоторых случаях и целые цепи.

Может оказаться, что в отброшенные попадут личные цели. В этом случае проектировщику придется поступиться некоторыми собственными интересами. Вершины, оставшиеся на графе, определяют наиболее важные цели, к достижению которых и должно быть направлено проектирование.

В завершение опишем кратко процедуру выбора целей проектирования. Процедура представляет собой совокупность операций: по разработке сценария, определению полного множества целей применительно к проектированию объектов данного класса, выбору подмножества целей и ранжирования их по важности. Сценарий, включающий прогнозы развития факторов окружения, должен войти в упоминавшийся ранее банк знаний. Составленный однажды для всей области техники, он может «питать» информацией процедуру полного множества, так и для конкретного его подмножества.