Основы системного проектирования
Проектирование
Проектирование это:
Объекты проектирования или проектируемые объекты , т. Структура объектов проектирования — это расположение составных элементов объектов в пространстве относительно друг друга и других, внешних, объектов и окружающей среды, а также изменение этого расположения с течением времени. Элементная база — совокупность элементов, их свойств, параметров и характеристик, на основе которых может быть сформирован объект проектирования. Процесс их проектирования сводится к реализации требуемых параметров, габаритов, свойств и т. Например, электромеханические устройства и системы ЭМУС. Известны основные варианты их построения. Известно, что в состав ЭМС обязательно входит электромеханический преобразователь энергии электрогенератор, электродвигатель, электромашинный преобразователь ; преобразователи частоты, напряжения, движения, момента; система управления и т. Однако заранее неизвестно какие именно виды перечисленных элементов надо использовать, чтобы получить оптимальный вариант данной ЭМС. Они выполняются на базе дискретных диоды, транзисторы, тиристоры и пр. Однако заранее неизвестно каким образом необходимо объединить электронные элементы и компоненты, чтобы получить, например, оптимальный вариант статического преобразователя частоты. С увеличение порядкового номера в приведённой классификации увеличивается сложность задач внешнего проектирования и формирования облика объекта проектирования. Задачи проектирования классифицируются в зависимости от степени их формализации, т. В соответствии с таким подходом задачи проектирования классифицируются следующим образом. К ним относятся задачи расчётного характера, задачи размещения и поиска информации, изготовления проектной документации. Здесь проектные решения получаются при взаимодействии человека и ЭВМ. Например, при проектировании электродвигателя или электрогенератора по программе на ЭВМ проводятся сложные итерационные расчёты на базе математических моделей объекта проектирования. Исходные данные для расчётов задаёт человек, и он же оценивает полученные результаты и определяет дальнейшие действия, которые необходимо выполнять ЭВМ. К таким задачам относятся, прежде всего, задачи конструирования. Например, это формирование облика объекта проектирования. Количество неформализуемых задач проектирования сокращается по мере совершенствования методов и средств проектирования. Разделение работ между подразделениями проектной организации или конструкторского бюро построено на блочно-иерархическом подходе БИП к проектированию. При таком подходе описание объект проектирования разделяется на несколько иерархических уровней по степени его детализации. Каждому уровню присущи свои формы математических моделей и документации. Существуют следующие концепции БИП: При наличии БИП возможно восходящее и нисходящее проектирование. Восходящее снизу вверх проектирование основывается на индуктивном подходе и предполагает организацию восхождения от простого известных элементов к сложному неизвестной системе. Нисходящее сверху вниз проектирование базируется на дедуктивном подходе и предполагает разделение декомпозицию общего проектного решения на ряд взаимосвязанных частных. При разделении общей задачи проектирования на ряд частных задач могут возникнуть ситуации, когда входная информация для решения какой-нибудь задачи может быть получена только в результате решения некоторых следующих за ней задач. Такая задача называется локально неразрешимой задачей проектирования и для её решения необходимы обратные связи между задачами этапами проектирования. Образовательный блог — всё для учебы Научные статьи для Вашей учебы на all4study. Главная Карта сайта Контакты О проекте Реклама. Классификация объектов и задач проектирования, подходы к проектированию Похожие записи Некоторые подходы к решению задач невыпуклого программирования Основные понятия проектирования. Основные проектные операции и их взаимосвязи, стадии и этапы проектирования Виды обеспечения процесса проектирования, автоматизации проектирования и САПР Актуальность проектирования Особенности задач поиска и оптимизации проектных решений Особенности проектирования ЭМУС Предпосылки и цели автоматизации проектирования Природа многокритериальности в задачах оптимального проектирования Типовой механизм создания СОМ-объектов, серверы объектов СОМ Особенности ЭМУС как объектов поиска и оптимизации проектных решений Геометрическая интерпретация задач поиска и оптимизации Многомерный случай для задач безусловной минимизации Регрессионная модель проектирования Проектирование и его место в жизненном цикле технических объектов и систем Преобразование задачи нелинейного программирования при помощи функций штрафов в последовательность задач безусловной оптимизации Кибернетическое моделирование и практическое использование методов моделирования Организация пакета прикладных программ идентификации динамических объектов. Образовательный блог разработан в году.
Постановка задачи проектирования. Разработка стратегии проектирования. Методы и способы принятия решений в САПР
Управление проектированием Литература 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. 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. Конечным итогом проектной деятельности является проект, то есть 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. Проектирование связано не только с техническими объектами. Так, имеется социальное проектирование, проектирование программного обеспечения и другие. 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, то есть 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. Основные части проектирования Очевидно, что в настоящее время проектирование все более и более становится системным. 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, то есть 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. 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. 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. 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. Ниже приведено систематизированное рис. 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. Структура проектирования Проектирование, как осознанная целенаправленная деятельность, обладает определенной структурой, то есть 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. Стадии проектирования Соответствующая им структура регламентирована стандартом ГОСТ 2. 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. Стадии разработки проектной документации Техническое задание ТЗ устанавливает основное назначение, технические и тактикотехнические 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. 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. 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. 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. Структура процесса решения задачи проектирования 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, то есть сформулировать техническое задание, — первый и обязательный этап работы. Исполнитель выполняет его в тесном контакте с заказчиком. 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. 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. 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. 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. На каждом этапе внутреннего проектирования выполняются следующие процедуры: Замечено, что эффективность проектируемого объекта определяется: 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. Методология проектирования Деятельность становится эффективной, когда овладеваешь ее методами, понимаешь принципы и законы, то есть то, что составляет основу знаний настоящего специалиста. Принципы, законы и методы имеются в любой деятельности. Есть они и в проектировании. 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. 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. 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: 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, то есть наилучшего среди допустимых при наличии правила предпочтения одного другому. Такое правило называется критерием оптимальности, а мерой предпочтения будут служить показатели качества. С другой стороны, можно говорить об оптимальном решении только при удовлетворении двух условий: Каждый выбор лучшего варианта конкретен, поскольку производится на соответствие определенным критериям. Следовательно, говоря об оптимальном решении, всегда нужно указывать эти критерии то есть оптимальный по И то, что может быть оптимальным при одном критерии, не обязательно будет таковым при другом. Под качеством продукции подразумевается совокупность свойств, обуславливающих ее пригодность удовлетворять определенным потребностям в соответствии с назначением ГОСТ К показателям предъявляются следующие требования: Качество продукции обычно характеризуется рядом показателей. Например, двигатель автомобиля должен обладать высоким КПД, низкой стоимостью, малыми габаритами и т. 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. 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 объектасистемы. С другой стороны, ряд объектов-систем могут быть взаимосвязанными и образовывать более общую систему, которую называют надсистемой. Все три понятия — подсистема, система, надсистема,- относительны и их конкретное содержание определяется назначением объекта и условиями его применения. 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. 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. Все вместе, то есть период от возникновения потребности в создании объекта до его ликвидации вследствие исчерпания потребительских качеств, составляет жизненный цикл. 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. 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. 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: Чтобы часть системы была управляемой, необходимо обеспечить энергетическую проводимость между этой частью и органами управления. Закон увеличения степени идеальности системы: Идеальная система — такая, у которой вес, объем или размеры или другие исследуемые характеристики стремятся к нулю наилучшему значению , а функция сохраняется и выполняется. Последний закон указывает, что совершенствование технических систем идет в направлении их полной автоматизации и независимости от человека. Закон соответствия функции и структуры: 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. 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. 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. Сложность процесса проектирования как и любой другой творческой деятельности , нестандартность проектных ситуаций вызывают необходимость знания и владения различными методами: 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. 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: Стоит отметить, что важной особенностью именно человеческой деятельности является наличие в ней элемента случайности: Однако с развитием вычислительной техники выполнение все большего числа функций берут на себя автоматические системы, при этом выполняя работу быстрее и эффективнее человека. Экспериментальные методы основаны на использовании реальных объектов и физических химических, социальных и т. 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, то есть принятием решения. 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: 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. Результаты творческой деятельности В науке и технике выделяют следующие результаты творческой деятельности: 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, то есть 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. 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 патентообладателя на основе лицензионного договора; рационализаторское предложение, то есть 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. 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. 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: Однако в творческом процессе важны не только способности, но и знание факторов, которые могут помешать успешному достижению цели. Буш выделяет ряд неэффективных стратегий решения задач проектирования и синдромов, порождающих барьеры творчеству. Неэффективные стратегии применительно к человеку с европейским складом характера: Синдромы сочетание признаков с общим механизмом возникновения , порождающие препятствия проявлению или развитию творчества: 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: 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: Инерцию развивают и усиливают: 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: Приведем краткое описание и характеристику основных методов, знание которых минимально необходимо как в собственной деятельности, так и для понимания принципов работы интеллектуальных систем. Метод итераций последовательного приближения Процесс проектирования ведется в условиях информационного дефицита, который проявляется в следующем: Такая неопределенность устраняется посредством выполнения итерационных процедур. 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. Не надо бояться итераций в своей работе, поскольку еще ни один технический объект а также законопроект, книга и т. 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: Проанализировав выбранное решение на соответствие условиям задачи, станет видно, что вас в нем не устраивает и в каком направлении его надо улучшать. 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. 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. Упрощенное графическое представление декомпозированной системы называется ее иерархической структурой. Иерархическая структура может быть изображена в виде ветвящейся блок-схемы, на подобие представленной на рис. Здесь на нулевом уровне располагается исходный объект-система С 1 , 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. Пример иерархической структуры блок схема Для анализа иерархической структуры могут применять теорию графов. Это позволяет перейти от графической модели к математической, в которой описание ведется по уравнениям, аналогичным законам Кирхгофа в электротехнике или уравнениям гидравлики. Граф — это совокупность вершин и ребер ветвей. Вершины — элементы структур, а ребра — связи между ними, изображаемые линиями. Граф называется направленным, если для его ребер указаны определенные направления. Граф структуры системы И-дерево Граф, представленный на рис. Например, автомобиль состоит из двигателя, И кузова, И шасси. Наряду с И-деревом используют ИЛИ-дерево, в котором на одинаковых уровнях располагаются вершины возможных элементов структур, их варианты. Например, автомобиль может иметь двигатель ИЛИ внутреннего сгорания, ИЛИ газотурбинный, ИЛИ электрический. Часто применяют И-ИЛИ-дерево, которое соединяет уровни с обязательными элементами структуры с уровнями вариантов всех или части этих элементов рис. Сочетание И и ИЛИ уровней может быть произвольным и не обязательно они должны чередоваться. Пример И-ИЛИ-дерева Иерархическая структура объектов-систем часто изображается в виде дерева, то есть графа без замкнутых маршрутов, с расположением вершин по определенным уровням, например, как показано на рис. Вершина верхнего уровня на рисунке — 0 называется корнем. Объект-система расчленяется только по одному, постоянному для всех уровней, признаку. В качестве такого признака может быть: Так, в приведенном выше примере выделение в составе автомобиля мотора, шасси и кузова проводилось в соответствии с функциональным признаком. При построении И-ИЛИ деревьев возможно сочетание нескольких признаков: Вычленяемые подсистемы в сумме должны полностью характеризовать систему, но при этом взаимно исключать друг друга особенно это касается ИЛИ-деревьев. Например, если при перечислении частей автомобиля опустить, допустим, мотор, то функциональное взаимодействие остальных подсистем не обеспечит нормальное функционирование всей системы автомобиля в целом. В другом примере, перечисляя возможные виды двигателей, используемые в автомобиле, необходимо охватить всю известную область декомпозиция — по принципу действия. Для обозримости рекомендуют выделять на каждом уровне не более 7 подсистем. Недопустимо, чтобы одной из подсистем являлась сама система. Глубина декомпозиции степень подробности описания и количество уровней определяются требованиями обозримости и удобства восприятия получаемой иерархической структуры, ее соответствия уровням знаний работающему с ней специалиста. Обычно в качестве нижнего элементарного уровня подсистем берут такой, на котором располагаются подсистемы, описание или понимание устройства которых доступно исполнителю руководителя группы людей или отдельного человека. Таким образом, иерархическая структура всегда субъективно ориентирована: Число уровней иерархии влияет на обозримость структуры: Обычно, в зависимости от сложности системы и требуемой глубины проработки, выделяют Например, разрабатывая механический привод, в качестве элементарного уровня можно взять колеса, валы, подшипники, двигатель в целом. Хотя подшипники и двигатель являются сложными по устройству элементами и трудоемкими в проектировании, но как готовые покупные изделия для разработчика они выступают в виде элементарных частей. Если бы двигатель пришлось бы разрабатывать, то его, как сложную систему, было бы целесообразно декомпозировать. Эвристический характер построения иерархической структуры проявляется, прежде всего, в выборе числа уровней и перечня составляющих их подсистем. Наиболее сильна субъективность в ИЛИ-деревьях, когда вид системы еще не известен и возможно различное их представление. В процессе проектирования декомпозиция неразрывно связана с последующей композицией, то есть сборкой и увязкой отдельных частей подсистем в единый объект систему с проверкой на реализуемость в целом, совместимость особенно подсистем, принадлежащих разным ветвям и согласованность параметров восходящее проектирование. В процессе согласования может возникать потребность в новой, корректирующей декомпозиции. Методы декомпозиции и последовательных приближений очень распространены, причем часто те, кто применяет их, даже не воспринимают их как методы. Очень эффективным является совместное использование этих методов. Метод контрольных вопросов Суть метода заключается в ответе на специально подобранные по содержанию и определенным образом расставленные наводящие вопросы. Вдумчиво и, по возможности, полно отвечая на них, фиксируя основные положения ответов, например, на бумаге в виде ключевых слов, схем и эскизов, удается всесторонне представить решаемую задачу, отыскать новые пути ее решения. Контрольные вопросы, с одной стороны, подобны консультанту, в ненавязчивой форме предлагающему попробовать те или иные подходы и пути решения проблемы, а с другой стороны, позволяют спокойно и не спеша поразмышлять в одиночестве. В составлении и группировании вопросов участвуют и психологи. Метод контрольных вопросов широко применяется в процессе обучения как способ развития мышления. Например, при анализе известного решения с целью его улучшения рекомендуют задавать себе следующие вопросы: А как еще иначе? Применительно к проектированию варианты метода были предложены А. Метод мозговой атаки Многие согласятся с тем, что легче выбрать хорошее решение из нескольких вариантов, чем сразу предложить требуемое решение. Естественно, чем больше вариантов, тем лучшее решение можно найти. Для отыскания большого количества идей в сжатые сроки и предназначен метод мозговой атаки или, как его еще называют, мозгового штурма. Метод основан на коллективном обсуждении проблемы в психологически комфортной обстановке. Он направлен на преодоление психологической инерции. Отличается простотой и эффективностью. Коллективное обсуждение как способ решения задач было известно с древности. Но в виде самостоятельного метода со своими правилами и структурой он был предложен А. Осборном США в году, в развитие своих идей, появившихся в годы 2-й мировой войны. Решение задачи включает ряд этапов. Заказчик выдает руководителю будущей творческой группы задание. Руководитель анализирует проблему и четко формулирует задачу желаемые свойства, действия, последствия и т. Замечено, что по своим способностям решать задачи большинство людей можно разделить на две группы — генераторы идей люди с большим воображением и аналитики люди практического склада мышления, способные трезво осмыслить и конкретизировать идею. Творческую группу формируют из генераторов. Численность группы — Как правило, основу группы составляют неспециалисты в области решаемой задачи. Чем шире и разнообразнее интересы и профессиональная подготовка членов группы, тем продуктивнее будет работа. Уровень образования, специальность не имеют значения, чтобы изначально преодолеть психологическую инерцию, свойственную специалистам или вызванную должностными обязанностями. Главное требование к кандидату в члены группы — богатство фантазии. Члены группы должны быть знакомы друг с другом и психологически совместимы, во время сеанса находиться в хорошем настроении и соблюдать правила игры. Правила поведения во время сеанса мозговой атаки: Мысли должны выражаться кратко, в течение не более полминуты, поскольку длительное высказывание снижает активность и притупляет внимание остальных участников, а возникающие в головах идеи могут забываться; запрещена любая критика идей, а также осуждающие реплики, усмешки, одергивания и т. Задача каждого — поддержание атмосферы доброжелательности, что высвобождает мысль; желательно развитие идей, высказанных другими. Проведение сеанса мозговой атаки. Перед началом сеанса или накануне руководитель излагает членам группы суть задачи в случае, когда участники предпочитают настроиться на проблему заранее. Во время сеанса своими вопросами и замечаниями руководитель управляет ходом обсуждения, следит за соблюдением правил и регламента, поддерживает атмосферу доброжелательности и творчества, удерживает от сужения области поиска зацикливания на какой-то одной идее или направлении поиска. Продолжительность сеанса обычно составляет один-два часа. Высказываемые идеи должны фиксироваться, но так чтобы участники сеанса не отвлекались например, записывая разговоры на магнитофон. После сеанса возможно коллективное редактирование высказанных идей с их развитием и дополнением. Окончательный список идей затем передается группе аналитиков для детальной оценки. При этом перед ними ставится задача не отметать сходу внешне абсурдные предложения, а пытаться найти способ их реализации, применения или улучшения. Генерация идей возможна следующими способами: Например, требуется найти способ перебраться с одного берега на другой. Метод мозговой атаки применяется не только для поиска путей решения задачи, но и уточнения ее формулировки, выявления возможных недостатков или побочных эффектов так называемый метод обратной мозговой атаки. Например, какими недостатками обладает освещение в комнате? На основе метода мозговой атаки разработан ряд других методов, среди которых наиболее известен метод синектики. Его существенной чертой является значительное задействование возможностей подсознания. Теория решения изобретательских задач ТРИЗ На основе анализа собственного опыта и многочисленных патентов Г. Позднее на его основе был создан более совершенный метод — ТРИЗ. Этот метод предназначен для выявления истинных причин противоречий , мешающих совершенствованию исследуемого объекта, и выбора эффективного средства для их преодоления. Предлагается 4 способа устранения противоречий: Переход от рассматриваемого объекта к объекту с идеальными характеристиками показателями качества посредством формирования идеального конечного результата ИКР. Способ служит для уточнения целей решаемой задачи, поскольку в такой формулировке ярче проявляются главные противоречия в виде барьеров на пути совершенствования объекта, отсеиваются второстепенные факторы, проясняются необходимые свойства. ИКР можно формировать по следующим направлениям: Например, необходимо устройство для нагрева воды, используемой для питья. ИКР — нагревать прямо в чашке, не используя дополнительного устройства, либо нагревать воду в чайнике мгновенно. Далее нужно посмотреть, что этому мешает, в чем заключается противоречие; объект обладает идеальными характеристиками, такими как автономность часы, не нуждающиеся в подзаводе; доска, с которой записи исчезают через заданное время сами, Например, устройство для нагрева воды без потерь. Замена одного типа противоречия на другое, для которого решение уже известно или легче достижимо. Так, например, задачу нагрева воды без потерь энергии можно сформулировать в другой постановке — нагревать только воду. Применение вепольных преобразований для устранения противоречий. Веполь ВЕщество-ПОЛе — система из трех элементов В 1 , В 2 , П, которая лежит в основе каждого технического процесса и является его простейшим устойчивым элементом. Оператор РВС размер, время, стоимость — это серия мысленных экспериментов по преодолению привычного представления об объекте и исследование его поведения при изменении составляющих оператора замедление-ускорение времени, увеличение-уменьшение размеров, Оператор ММЧ метод маленьких человечков связан с мысленным населением объекта маленькими человечками, которые связывают между собой отдельные элементы, выполняют действия, необходимые для получения требуемого результата. Далее мысленно или графически изучают их поведение что изменить в расположении объекта, какие у человечков возникают проблемы, ТРИЗ предлагает систему типовых приемов для устранения противоречий. Их количество колеблется в зависимости от модификации метода и для АРИЗ включает 40 видов. В процессе решения задачи последовательно просматривают все приемы, пытаясь реализовать предлагаемый совет либо на его основе развить решение. Эффективно использовать данные приемы во время сеанса мозговой атаки. Метод морфологического анализа Метод предназначен для существенного расширения области поиска возможных решений задачи. Он основан на предложении возможных решений для отдельных частей задачи так называемых морфологических признаков, то есть признаков, характеризующих устройство и последующем систематизированном получении их сочетаний комбинировании. Это — первый метод, специально созданный для решения эвристических задач. Он был разработан Ф. Цвикки Швейцария в х годах го века, но практическое применение получил с г. Употребляются также другие названия этого метода: Выясняется цель задачи — поиск вариантов функциональных схем, либо принципов действия, либо структурных схем, либо конструктивных разновидностей разрабатываемого объекта. Возможен поиск одновременно по нескольким признакам. Выделяют узловые точки оси, отдельные части задачи , которые характеризуют разрабатываемый объект с позиции ранее сформулированной цели. Это могут быть частные функции подсистем, их принципы работы, их форма, расположение, характеристики и свойства состояние вещества и энергии, вид совершаемого движения, физические, химические, биологические, психологические, потребительские свойства и т. Удобно предварительно допустим, из анализа аналогичного объекта построить соответствующую блок-схему функционирования, принципа действия, структурную схему , элементы которой и образуют узлы. Количество узлов обычно выбирается из условия обозримости и реальности анализа получаемых впоследствии вариантов: Удобно задачу решать в ряд этапов: Для каждой узловой точки предлагаются варианты решений: Варианты должны охватывать всю область возможных решений для данной узловой точки. Но чтобы задача была обозримой, рекомендуется сначала выделять укрупненнообобщенные группы вариантов, которые при необходимости впоследствии конкретизируются. Варианты могут быть не только реальные, но и фантастические. Проводят полный перебор всех вариантов решений каждый раз берут по одному варианту для каждой оси с проверкой комбинаций на соответствие условиям задачи, на несовместимость отдельных вариантов в предлагаемой их общей группе, на реализуемость и иные условия. При необходимости для выбранных решений можно повторить морфологический анализ, конкретизируя узлы оси и варианты. Морфологический анализ удобнее и нагляднее проводить с применением морфологических таблиц. Формальное комбинирование вариантов создает впечатление автоматизма в применении метода. Однако его эвристическая природа весьма существенна и зависит от следующих субъективных факторов: Отсутствие уверенности, что учтены все и особенно, перспективные узлы и варианты; конкретное решение является следствием анализа просматриваемых комбинаций, возникновения продуктивных ассоциаций и образов. Метод морфологического анализа служит основой большинства интеллектуальных программ. Приведем пример поиска принципов действия транспортного средства. В качестве узловых точек приняты основные элементы его принципа действия: Эти узлы и возможные варианты для каждой узловой точки приведены в таблице. Полное число возможных комбинаций определяется перемножением количества вариантов по каждому узлу. Узлы оси Варианты классы 1. Получение энергии тип двигателя 1. Обеспечение перемещения тип движителя 2. Способ управления движением 3. Расположение источника энергии 4. Внешний Далее просматриваем все комбинации. Для конкретизации этой схемы введем узел — вид теплового двигателя: Функционально-стоимостной анализ Основное назначение функционально-стоимостного анализа ФСА — добиться максимального снижения стоимости изделия за счет совершенствования его конструкции и технологии изготовления. Его принципы применительно к совершенствованию производства были сформулированы Ю. Соколовым в г. Метод применяется к уже известным объектам — подлежащим улучшению изделию, технологическому процессу. Известно, что потребитель изделия оплачивает с его точки зрения стоимость удовлетворения своих потребностей, то есть выполнения потребных функций. Для этого необходимо знать функциональную структуру объекта, стоимость отдельных функций С i и их значимость Ф i. Стоимость функций С j включает затраты на материалы, изготовление, сборку, транспортировку и последующие обслуживание и утилизацию и т. Эффективны действия, направленные на совмещение выполнения одной частью изделия нескольких функций и на максимальную реализацию принципа ИКР функция выполняется, а ее носителя нет. На практике этому соответствует то, если стоимость нового объекта, совмещающего ряд функций, будет меньше суммарной стоимости объектов, выполнявших эти функции поврозь. Стоит отметить, что важнее искать ненужные и неэффективно работающие части изделия и отказываться от них, а не снижать их стоимость. Для проведения анализа необходимо знание не только стоимости функций, выполняемых исследуемым изделием, но и стоимость выполнения аналогичных функций другими доступными деталями или узлами. Возможно назначение стоимости в виде сравнительных оценок — отталкиваться от стоимости исходной функции, принимаемой за единицу. В первую очередь минимизируют стоимость выполнения главных функций. При этом качество функционирования изделия стремятся сохранить на прежнем уровне. Однако не следует упускать из внимания и вспомогательные функции, часто решающим образом определяющие спрос на выпускаемое изделие например, внешняя привлекательность, удобство эксплуатации и т. Это указывает на важность знания не только стоимости каждой функции, но и ее ценности значимости. На стоимость функции влияют: Следует помнить, решение задачи методом ФСА конкретно и зависит от условий производства и применения исследуемого изделия. Например, на стоимость изделия влияют отличия в цене на электроэнергию в разных районах, имеющееся на данном заводе оборудование. ФСА можно вести бессистемно с целью решения какой-то частной задачи. Например, рассматривается шероховатость некоторой поверхности. Почему здесь нужно такое качество поверхности? Нельзя ли его понизить а, следовательно, заменить, допустим, шлифование точением и что для этого нужно сделать или изменить? Эффективное проведение ФСА включает выполнение следующих этапов: Обычно на несовершенство конструкции и неосознанное применение ФСА указывают подаваемые в процессе выпуска продукции рацпредложения. Более подробно с содержанием приведенных и других эвристических методов можно познакомиться в книге Дж. Методы конструирования Приведенные выше эвристические методы позволяют найти оригинальные или неожиданные идею, техническое решение, образ объекта. Чаще необходимо усовершенствовать уже известное решение. Известна следующая поговорка практиков: А потому новое решение обычно получают путем постепенного внесения малых изменений в прежнюю, уже существующую конструкцию, используя разные методы и подходы, условно называемые методами конструирования. По своему характеру эти методы являются эвристическими. Конструктивная преемственность — это постепенное совершенствование конструкции путем введения в нее отдельных новых или дополнительных деталей, узлов, агрегатов взамен морально устаревших и неудовлетворяющих современным требованиям, либо с целью изменения прежних характеристик изделия. Метод основан на совершенствовании уже существующей конструкции. Он включает следующие этапы: Метод широко использует основные эвристические методы. Так, для поиска слабых мест в конструкции эффективно применять метод иерархической декомпозиции, расчленяя изделие на как можно более простые или элементарные части и отыскивая те, с которыми связана неудовлетворительная работа всего изделия. Чем элементарнее будет заменяемая часть, тем проще и быстрее будет создана более совершенная конструкция: При этом необходимо выполнять проверку на состыковку новой части с остальными частями изделия по геометрическим размерам и формам сопрягаемых поверхностей, усилиям взаимодействия и передаваемой мощности и другим входным и выходным параметрам и обращать внимание на то, чтобы согласование размеров, создание специальных условий и т. Метод базового агрегата — выпуск разнообразных изделий, объединенных наличием у них общей, базовой части агрегата. Обычно таким агрегатом является наиболее сложная часть будущих изделий. Разработка базового агрегата ведется с таким учетом, чтобы, присоединяя к нему дополнительные части, можно было достаточно просто и быстро создавать изделия с измененными внешним видом, числом выполняемых функций, характеристиками. Метод базируется на унификации форм и параметров состыковочных поверхностей, согласованности величин мощности и основных входных и выходных параметров. Метод агрегатирования — создание изделия путем сочленения унифицированных агрегатов, устанавливаемых в различном сочетании на общем основании. Для удобства сочленения комбинируемые агрегаты обладают полной взаимозаменяемостью по эксплуатационным показателям и присоединительным размерам. Метод модификации — переделка изделия с целью его приспособления к новым требования, условиям работы, технологическому процессу способу изготовления и сборки без изменения в нем наиболее дорогих и ответственных частей. Часто основывается на замене материалов или изменении их механических или химических свойств, либо замене одних частей на другие. Метод стандартизации — создание конструкции и ее последующее совершенствование на основе применения стандартных деталей и узлов, элементов со стандартными параметрами. Это позволяет, несмотря на сложность стандартных элементов, использовать уже разработанную техническую документацию и, возможно, покупные части например, асинхронный электродвигатель, подшипник качения , применять типовые технологические операции и оборудование, упрощает обслуживание и ремонт. Метод инверсии — создание новой конструкции на основе изменения функций, форм или положения частей существующего изделия. Например, пружину растяжения заменить пружиной сжатия, выпуклую поверхность сделать вогнутой. Цели и виды экспериментальных методов Экспериментальные исследования, в основном, ведутся с двумя целями: Эта деятельность связана с экспериментальными исследованиями, поиском нового и неизвестного; сбор данных, которые будут содержать достаточные сведения для подтверждения правильности гипотез или ранее принятых решений определение фактических характеристик, их соответствие заданным показателям качества, проверка технологических решений и т. Такие работы связаны с проведением испытаний, то есть практической проверкой теорий и предположений. Испытания разработанного объекта обязательны для подтверждения возможности его запуска в производство. Порядок таких испытаний регламентируется ГОСТ Экспериментальные данные получают посредством измерений, анализов, диагностирования, органолептических методов вкус, запах и т. Исследуемые характеристики изделий либо экспериментально оцениваются задача — получение качественных или количественных оценок , либо контролируются задача — установление соответствия реальных характеристик требуемым. Характеристики могут замеряться в процессе работы или на нефункционирующем изделии, до либо после приложения воздействия. Испытания проводятся в естественных или искусственно созданных моделируемых условиях, или же в условиях, обусловленных функционированием самого изделия например, внутренний нагрев вследствие трения. Для имитации условий используют следующие виды воздействий: Испытывается единичное изделие или партия, подвергаемая сплошному или выборочному контролю. Объектом испытаний может быть макет или модель изделия, но принимаемое тогда решение относится к этим объектам. В процессе испытаний некоторого изделия возможна замена части его элементов моделями или на моделях замеряются отдельные характеристики. В зависимости от целей возможно проведение следующих видов испытаний: Уточняют значения характеристик изделия; контрольные. Уточнят качество изделия; сравнительные. Проводят в идентичных условиях для сравнения характеристик аналогичных или одинаковых объектов; исследовательские. Изучают и уточняют свойства изделия. Этот вид испытаний может проводиться и на промежуточных этапах проектирования: В процессе нормальных испытаний информация об изделии собирается постепенно, в тот же интервал времени, который соответствует обычным условиям эксплуатации. Эту же информацию можно получить в более сжатые сроки в результате ускоренных испытаний. При ограниченности времени и материальных ресурсов проводят неполные, сокращенные испытания. Необходимо учитывать, что при повторных испытаниях результаты в той или иной степени отклоняются от ранее полученных. Воспроизводимость результатов зависит от непостоянства характеристик испытываемых изделий и разброса их параметров, воспроизводимости самих испытаний, квалификации персонала. В зависимости от степени соответствия реальным условиям испытания подразделяются на следующие: Это — в основном исследовательские испытания. В лабораторных условиях изучается поведение отдельных узлов и деталей, макетов и образцов. Часть внешних параметров имитируется; стендовые заводские. На испытательном оборудовании стендах в работе проверяется взаимодействие механизмов и отдельных узлов, выявляются дефекты, замеряются основные характеристики. Здесь исследуются экспериментальные образцы изделий, и часть внешних воздействий имитируется; полигонные. Исследования опытных образцов изделий ведется в условиях, наиболее приближенных к реальным, в две стадии: Проверяется надежность изделия и соответствие его характеристик. Время обкатки устанавливается нормативными документами. Изделие последовательно обкатывается на холостом ходу и под частичной нагрузкой. Опробование изделия с целью уточнения фактических характеристик проводится в рабочих условиях, под полной нагрузкой и предусматривает различные варианты условий и режимов работы; натурные. Испытывается реальное изделие в условиях его прямого назначения с непосредственной оценкой реальных свойств; эксплуатационные. Проводятся в условиях непосредственной эксплуатации серийно промышленно выпускаемого изделия. Собираются статистические данные об изделии, выявляются скрытые дефекты и дополнительные возможности. В зависимости от ответственности назначения изделия экспериментальные исследования могут включать часть или полную систему этих испытаний. На выбор влияет и то, что затраты на проведение испытаний, при переходе от лабораторных к эксплуатационным, резко возрастают. Порядок испытаний зависит от вида исследуемого объекта и регламентируется соответствующими стандартами и разработанными на их основе рекомендациями. Обычно для проведения испытаний привлекаются специализированные организации или подразделения предприятий. Результаты работ принимаются официально подтверждаются приемносдаточными ведомственной или государственной комиссиями. Планирование эксперимента и обработка экспериментальных данных При проведении экспериментальных исследований всегда стремятся к сокращению их сроков и затрат, а также — к получению результатов с требуемой точностью. Для этих целей разработаны и широко применяются а в некоторых случаях — в обязательном порядке математические методы планирования эксперимента и обработки экспериментальных данных. Методы планирования эксперимента позволяют минимизировать число необходимых испытаний, установить рациональный порядок и условия проведения исследований в зависимости от их вида и требуемой точности результатов. Если же по каким-либо причинам число испытаний уже ограничено, то методы дают оценку точности, с которой в этом случае будут получены результаты. Методы учитывают случайный характер рассеяния свойств испытываемых объектов и характеристик используемого оборудования. Они базируются на методах теории вероятности и математической статистики. Планирование эксперимента включает ряд этапов. Установление цели эксперимента определение характеристик, свойств и т. Уточнение условий проведения эксперимента имеющееся или доступное оборудование, сроки работ, финансовые ресурсы, численность и кадровый состав работников и т. Выбор вида испытаний нормальные, ускоренные, сокращенные в условиях лаборатории, на стенде, полигонные, натурные или эксплуатационные. Выявление и выбор входных и выходных параметров на основе сбора и анализа предварительной априорной информации. Входные параметры факторы могут быть детерминированными, то есть регистрируемыми и управляемыми зависимыми от наблюдателя , и случайными, то есть регистрируемыми, но неуправляемыми. Наряду с ними на состояние исследуемого объекта могут оказывать влияние нерегистрируемые и неуправляемые параметры, которые вносят систематическую или случайную погрешность в результаты измерений. Это — ошибки измерительного оборудования, изменение свойств исследуемого объекта в период эксперимента, например, из-за старения материала или его износа, воздействие персонала и т. Установление потребной точности результатов измерений выходных параметров , области возможного изменения входных параметров, уточнение видов воздействий. Выбирается вид образцов или исследуемых объектов, учитывая степень их соответствия реальному изделию по состоянию, устройству, форме, размерам и другим характеристикам. На назначение степени точности влияют условия изготовления и эксплуатации объекта, при создании которого будут использоваться эти экспериментальные данные. Условия изготовления, то есть возможности производства, ограничивают наивысшую реально достижимую точность. Условия эксплуатации, то есть условия обеспечения нормальной работы объекта, определяют минимальные требования к точности. Точность экспериментальных данных также существенно зависит от объема числа испытаний — чем испытаний больше, тем при тех же условиях выше достоверность результатов. Для ряда случаев при небольшом числе факторов и известном законе их распределения можно заранее рассчитать минимально необходимое число испытаний, проведение которых позволит получить результаты с требуемой точностью. Составление плана и проведение эксперимента — количество и порядок испытаний, способ сбора, хранения и документирования данных. Порядок проведения испытаний важен, если входные параметры факторы при исследовании одного и того же объекта в течение одного опыта принимают разные значения. Например, при испытании на усталость при ступенчатом изменении уровня нагрузки предел выносливости зависит от последовательности нагружения, так как по-разному идет накопление повреждений, и, следовательно, будет разная величина предела выносливости. В ряде случаев, когда систематически действующие параметры сложно учесть и проконтролировать, их преобразуют в случайные, специально предусматривая случайный порядок проведения испытаний рандомизация эксперимента. Это позволяет применять к анализу результатов методы математической теории статистики. Порядок испытаний также важен в процессе поисковых исследований: Эти экспериментальные задачи подобны математическим задачам численного поиска оптимальных решений. Наиболее хорошо разработаны методы одномерного поиска однофакторные однокритериальные задачи , такие как метод Фибоначчи, метод золотого сечения. Статистическая обработка результатов эксперимента, построение математической модели поведения исследуемых характеристик. Необходимость обработки вызвана тем, что выборочный анализ отдельных данных, вне связи с остальными результатами, или же некорректная их обработка могут не только снизить ценность практических рекомендаций, но и привести к ошибочным выводам. Проводится на соответствие одному из специальных критериев, выбор которого зависит от закона распределения случайной величины и вида выброса; проверка соответствия опытных данных ранее априорно введенному закону распределения. В зависимости от этого подтверждаются выбранный план эксперимента и методы обработки результатов, уточняется выбор математической модели. Построение математической модели выполняется в случаях, когда должны быть получены количественные характеристики взаимосвязанных входных и выходных исследуемых параметров. Это — задачи апроксимации, то есть выбора математической зависимости, наилучшим образом соответствующей экспериментальным данным. Для этих целей применяют регрессионные модели, которые основаны на разложении искомой функции в ряд с удержанием одного линейная зависимость, линия регрессии или нескольких нелинейные зависимости членов разложения ряды Фурье, Тейлора. Одним из методов подбора линии регрессии является широко распространенный метод наименьших квадратов. Для оценки степени взаимосвязанности факторов или выходных параметров проводят корреляционный анализ результатов испытаний. В качестве меры взаимосвязанности используют коэффициент корреляции: При обработке или использовании экспериментальных данных, представленных в табличном виде, возникает потребность получения промежуточных значений. Для этого применяют методы линейной и нелинейной полиноминальной интерполяции определение промежуточных значений и экстраполяции определение значений, лежащих вне интервала изменения данных. Объяснение полученных результатов и формулирование рекомендаций по их использованию, уточнению методики проведения эксперимента. Снижение трудоемкости и сокращение сроков испытаний достигается применением автоматизированных экспериментальных комплексов. Такой комплекс включает испытательные стенды с автоматизированной установкой режимов позволяет имитировать реальные режимы работы , автоматически обрабатывает результаты, ведет статистический анализ и документирует исследования. Но велика и ответственность инженера в этих исследованиях: В настоящее время существует много программ, предназначенных для обработки экспериментальных данных. Их выбор зависит от целей и условий исследований, вида решаемых задач. Машинный эксперимент Использование математических моделей дает возможность заменить реальный эксперимент работой с компьютерными моделями. Такое исследование часто называют машинным экспериментом это исторически сложившийся термин, появление которого связано с первоначальным названием компьютеров — ЭВМ. Эта схожесть позволяет применять методы экспериментальных исследований к работе с программными комплексами. Следует также учитывать следующее: Убедиться в достоверности результатов расчетов можно проверкой их на соответствие физическому смыслу или повторением расчетов на более совершенном компьютере; результаты расчета, несмотря на свою однозначность, в действительности имеют разброс, обусловленный случайным характером физических величин, используемых в качестве исходных данных. Так, если вводимые параметры известны с погрешностью Мысленный эксперимент Это одна из разновидностей экспериментальных исследований, но проводимых мысленно. Задача мысленного эксперимента — быстрое получение качественного или оценочного результата. Достоверность получаемых таким образом суждений, прежде всего, зависит от практического опыта исследователя, его фантазии и аналитических способностей мышления. Формализованные методы Область применения формализованных методов постоянно расширяется. Это объясняется их следующими достоинствами: Стоит также подчеркнуть, что при решении задачи возможны два случая: Тогда точность исходных данных и используемых методов должна соответствовать данной точности и обеспечить ее получение; известна точность исходных данных и используемого метода. Тогда точность результатов зависит от их точности и, как правило, не превысит наименьшей из их значений. Снижение погрешности является сложной задачей и требует, в первую очередь, повышения точности знания свойств материалов технологическая задача и характеристик внешних нагрузок экспериментальная задача. Интересен в этой связи случай, рассказанный ученым и кораблестроителем академиком А. Сотрудник его института выполнил расчеты одной из конструкций корабля с очень высокой точностью. Крылов, узнав об этом, вместо благодарности велел посадить его, в назидание другим, на несколько суток под домашний арест за бесцельное разбазаривание рабочего времени на нахождение ничего не значащих цифр. Поиск различных вариантов решений является одной из важнейших задач проектирования: Чаще всего конкретные варианты находят для различных допустимых сочетаний параметров аналитически или численно. Универсальным является метод полного перебора. Его применяют в ответственных случаях и если позволяют возможности наличие вычислительной техники, достаточность времени. При ограниченности ресурсов пользуются упрощенными методами: Они подразделяются на детерминированные методы выбор параметров в соответствии с некоторым законом и методы случайного поиска. Важное требование — равномерное покрытие точками области допустимых параметров. В последнее время получили распространение псевдослучайные распределения, обладающие хорошей равномерностью распределения и удобством хранения в памяти компьютеров результатов вычислений; методы сокращения области поиска посредством анализа дополнительной информации, получаемой при расчете предыдущих вариантов — анализ тенденций изменения результатов градиентные методы , выявление областей нерекомендуемых значений параметров. Анализ решений, найденных методом случайного или псевдослучайного поиска, позволяет получить дополнительную информацию: Если для рассматриваемой пары, например, показателей качества этот коэффициент близок к единице, то показатели линейно зависимы и отображают разными словами одно и то же качество. В таком случае один из них можно отбросить, не потеряв общности задачи, но понизив её размерность. Формализованные методы — наиболее исследованная область человеческой деятельности. Они — основа создаваемых программ и автоматизации процедур. До х годов орудиями труда проектировщика служили кульман, циркуль, логарифмическая линейка и другие подобные устройства. Проектирование велось по аналогии с использованием оригинальных решений, а ускорение работ достигалось преемственностью технических решений. Нередко возникали ситуации, когда период проектирования сложных объектов был соизмерим со временем их морального износа. Длительность сроков вызывалась, прежде всего, большим объемом рутинных, ручных работ. Так, по данным американских специалистов объемы работ в проектировании в е годы распределялись следующим образом: Наличие в проектной деятельности формализованных процедур и широкое распространение компьютеров позволили разрешить противоречие между возрастающей сложностью технических объектов и требованием к эффективности проектирования. Автоматизация охватила все этапы жизненного цикла: Основная тенденция развития таких систем идет в направлении создания автоматических систем, которые способны выполнять заданные функции или процедуры без участия человека. Роль человека заключается в подготовке исходных данных, выборе алгоритма метода решения и анализе полученных результатов. Однако присутствие в решаемых задачах эвристических или сложно программируемых процедур объясняет широкое распространение автоматизированных систем. Здесь человек участвует в процессе решения, например, управляя им, вводя промежуточные данные. На степень автоматизации влияют и продолжительность времени, отведенного на решение задачи, и ее вид — типовая или нет. Так, при срочном поиске решения нестандартной задачи следует полагаться только на самого себя. Применение автоматизированных и автоматических процедур порождает и новую проблему — достоверность получаемых результатов: Для повышения чувства уверенности следует пользоваться правилом: Методы принятия решений 3. Задачи оптимального проектирования В процессе решения задачи всегда появляется несколько вариантов. Это происходит и случайно, в силу неоднозначности и неопределенности процесса решения, и целенаправленно, как основа поиска лучшего результата. Но задача, и особенно техническая, считается решенной тогда, когда будет сделан выбор окончательного, единственного варианта. Только такая деятельность считается продуктивной. Рекомендуемые к исполнению решения должны быть: Выбираемое решение всегда взаимосвязано с конкретной личностью индивидуальное решение или группой людей коллективное решение. Человек, который - имеет право выбирать окончательное решение, - несет за него ответственность, - заинтересован в решении проблемы, называется лицом, принимающим решение ЛИР. Принятие решения в значительной степени носит социальный характер, поскольку нацелено на удовлетворение общественных потребностей. Выбор возможен одним из следующих способов: В проектировании предпочтителен критериальный выбор: Ранее критериальный подход больше базировался на опыте экспертных оценках , на обосновывающих верность рассуждениях и умозаключениях логических построениях. В последнее время к выводам стали предъявлять требования четкости и точности. Появилась новая наука, теория исследования операций, изучающая проблемы, связанные с принятием решений см. А задачи, решаемые на основе ее принципов, стали называть задачами оптимального проектирования. Как уже отмечалось ранее, реальный объект характеризуется огромным числом параметров, и для упрощения его описания выделяют принцип действия, структурный и параметрический уровни. Аналогично, задачи оптимального проектирования подразделяют на задачи выбора оптимального принципа действия, структурной и параметрической оптимизации. Разработка методов выбора оптимального принципа действия пока относится к задачам перспективных исследований: Решение задачи структурной оптимизации более реально. В ее основе могут лежать представление структуры в виде графов, сравнительный анализ структур на основе ограниченного числа структурных параметров, объединение исследуемых структур в одну, обобщенную. Но неполнота учитываемых данных не позволяет однозначно указать на лучший вариант, и выводы носят рекомендательно-оценочный характер. Наиболее разработаны математические методы параметрической оптимизации, то есть методы поиска оптимальных параметров объекта в рамках заданных его принципа действия и структуры. Основой для поиска оптимального варианта служат правила критерии оптимальности, а мерой предпочтения — показатели качества. Показатели могут иметь либо количественную оценку формализованные показатели , либо качественную характеристику неформализованные показатели. В задачах параметрической оптимизации используют формализованные показатели, которые также называют критериями оптимизации критериями эффективности объекта. Но стоит помнить, что назначение количества и типов критериев осуществляется человеком, что придает им эвристический характер. А с другой стороны, критерии определяют конечный вид проектируемого объекта, и, следовательно, случайный их выбор ведет к случайным и неэффективным результатам хотя эти результаты могут быть получены на основе многократно проверенных и общепринятых методик. Однако огромное число параметров, которое характеризует любой объект, делает сложной для восприятия и ненаглядной работу в таком пространстве. Чаще анализ и принятие решений ведут в пространстве критериев Мд к , являющемся частным случаем пространства параметров. Множество допустимых решений может быть дискретным рис. Множество допустимых решений Мд к в пространстве критериев: А стремление к всеобъемлющему решению и назначение большого числа критериев сильно усложняет задачу. Поэтому в разных задачах количество критериев может быть различным. Задачи однокритериальной оптимизации называют скалярными, а многокритериальной — векторной оптимизации. Последнее название объясняется тем, что решение можно изобразить как бы вектором P в пространстве критериев. Распространен принцип сведения решения задачи оптимального проектирования объекта-системы к оптимизации его подсистем. Однако наличие нелинейных связей между подсистемами не гарантирует оптимальности всей системы. Рассмотрим основные методы принятия решений в задачах параметрической оптимизации. Однокритериальные задачи Поиск решений в однокритериальных задачах задачах скалярной оптимизации зависит от вида математической модели и описывающих ее выражений. Это могут быть задачи: Для задачи с плавным изменением функции экстремум находится дифференцированием. Решение — конкретное численное значение; вариационного исчисления, если критерий описывается функционалом, то есть интегралом от выражения, зависящего от параметров, их функции и производных. Решение имеет вид функциональной зависимости аналитического уравнения , например, уравнения формы поверхности равнопрочного вала, закона нагружения; линейного программирования, когда критерий и условия, накладываемые на решение задачи, являются линейными функциями параметров равенства или неравенства. Решение — численное значение; нелинейного программирования; полного или частичного перебора. Поведение параметров реального объекта достаточно сложно: В таких случаях используют компьютерные модели, и решение выбирают на основе сравнения величин критерия, полученных для вариантов, рассчитанных с учетом всех или части возможных значений параметров. Задачи многокритериальной оптимизации В большинстве случаев абсолютно лучшее решение выбрать невозможно, так как при переходе от одного варианта к другому например, от P A к P B улучшаются одни критерии на рис. Состав таких критериев называется противоречивым, и окончательно выбранное решение всегда будет компромиссным. Компромисс разрешается введением тех или иных дополнительных ограничений или субъективных предположений. Поэтому невозможно говорить об объективном единственном решении такой задачи. В задачах многокритериальной оптимизации поиск решений возможен рядом способов. Выделение области компромиссов и отбрасывание заведомо неудовлетворительных решений. Множество допустимых решений М д к разделяется на множество худших М х к и множество нехудших М нх к решений. Худшим считается такое решение, если можно найти другое решение, значения критериев у которого не хуже такие же или лучше, чем у рассматриваемого. Решение, для которого из множества допустимых решений нельзя найти ни одного лучшего по всем критериям, называется нехудшим. Так, для множества, представленного на рис. С другой стороны, решение P А по сравнению с решением P В лучше по критерию К 1 , но хуже по критерию К 2. Пусть К 1 — стоимость изделия в рублях, К 2 — масса этого же изделия в килограммах. Имеется три варианта решений: Очевидно, что решение P 1 лучше решения P 3 по всем критериям и без ущерба решение P 3 можно отбросить. Выбрать лучшее из решений P 1 и P 2 затруднительно: Графически множество нехудших решений соответствует части граничных точек множества допустимых решений, которые находятся между точками касания линий, параллельных осям координат при условии, что критерии убывают с улучшением решения. В пространстве параметров множество нехудших решений уже не обязательно будет лежать на границе множества допустимых решений М х к , а распределяется по всему пространству. Множество нехудших решений еще называют неулучшаемым: Математический алгоритм выбора нехудших решений основан на использовании бинарных отношений предпочтения теории принятия решений. Смысл бинарных отношений заключается в последовательном попарном сравнении элементов в соответствии с установленным правилом предпочтения. Так, предпочтительность решения P D по отношению к решению P E рис. Обычно для поиска множества нехудших решений используют отношения предпочтения Слейтера или Парето, последние — чаще. Математическая запись отношений предпочтения Парето фамилия итальянского ученого-экономиста, введшего в начале х годов го века это понятие имеет вид: Множеству Слейтера области Слейтера графически соответствует отрезок ABCD на рис. Область Парето — это область компромиссов: Поиск решений, оптимальных по Парето, позволяет объективно сократить область возможного выбора, причем наибольшее усечение области допустимых решений достигается при назначении двух критериев. При увеличении числа критериев эффективность этого метода падает. Целесообразен одновременный учет Замена критериев ограничениями и последующий поиск решений в области, задаваемой этими и ранее заданными ограничениями. Если в полученной области будет находиться несколько решений, то ограничения можно ужесточить скажем, ограничить предельную массу 6 кг. Если же решений нет, то ограничения смягчают. Сложность такой задачи — в удачной ее постановке, то есть в быстром усечении области до одного решения при минимальном влиянии субъективных факторов, связанном с выбором ограничений. Введение ограничений например, К 1 1 и К 2 1 в пространстве двух показателей качества, рис. Сведение задачи к однокритериальной и последующее ее решение методами скалярной оптимизации. Такое сведение осуществляется на основе введения дополнительных предположений о взаимосвязи и взаимозависимости учитываемых в задаче показателей качества. Выбор конкретного способа сведения зависит от многих обстоятельств, таких как квалификация специалистов, объем и достоверность имеющейся в их распоряжении информации, срочность решения, степень ответственности за получаемый результат. При этом следует учитывать, что характер решения меняется и со временем то, что выгодно сегодня, может быть разорительным завтра. Сведение задачи к однокритериальной проводится посредством выбора одного критерия из нескольких, введения общей единицы измерения для всех критериев, свертки нескольких критериев в один и другими методами. Выбор основывается на опыте разработчика или на мнении экспертов. С оставшимися критериями поступают следующими способами: Далее выбирают решение при главном критерии, вводя пороговые ограничения на остальные или же вообще их не учитывая. Если решений оказывается несколько, то лучшее из них выбирают на основе второго по важности критерия из ранжированного ряда, и т. В качестве такой меры часто выбирают стоимость достижения того или иного уровня качества, будь то снижение массы и потерь энергии, современный дизайн и т. По величине экономической эффективности разности доходов и расходов делают вывод о предпочтительности вариантов. Выбор целевой функции сложная задача: Например, такие неформализуемые показатели, как степень красоты, удобство работы; величины разных критериев могут определяться с различной достоверностью. Так, например, если масса изделия оценивается достаточно точно, то надежность задается заметно грубее. Грамотное выполнение свертки с получением максимально достоверного результата достигается тщательным проведением предварительных исследований, привлечением знаний и опыта специалистов-экспертов. Методы постановки задач векторной оптимизации подробно изложены в книге Кини Р. В качестве целевой функции f часто используют: В пределах решения одной задачи должен соблюдаться единый подход к подсчету целевой функции. Рассмотрим такой показатель качества как компактность. Под ним обычно понимается совокупность минимизируемых критериев — габаритных размеров, допустим x,y,z. Чаще используется аддитивная целевая функция, поскольку ее применение позволяет применять более простой и хорошо разработанный математический аппарат линейного программирования. Входящие в целевую функцию отдельные критерии обязательно нормируют, то есть приводят к безразмерному виду и устанавливают интервалы изменения от 0 до 1. Назначение величин весовых коэффициентов обычно проводят методом экспертных оценок. Для этого суммируют с учетом опыта и квалификации индивидуальные оценки каждого из группы экспертов. Учет многих мнений позволяет снизить влияние эвристичности решений и волевого подхода отдельных экспертов. Применение различных подходов что видно из примера может приводить к разным результатам. Это еще раз подчеркивает важность в задачах многокритериальной оптимизации тщательности формулировок и подготовки данных, строгого обоснования вводимых предположений. Графически в пространстве показателей качества применение целевой функции означает поиск точки касания N границы множества допустимых решений с линией, задаваемой этой функцией, при параллельном ее смещении от начала координат если функция цели минимизируется или из бесконечности к началу координат если функция максимизируется. Положение оптимального решения N при свертке векторного критерия Аддитивной целевой функции соответствует прямая линия рис. Положение точки касания при изменении угла наклона может меняться в пределах дуги АD множества Парето, то есть оптимальное решение является одним из решений из множества Парето. Мультипликативной целевой функции соответствует кривая линия рис. Решения, соответствующие точкам A и D, получаются в случае ранжирования критериев и последующего рассмотрения только одного из них. В некоторых случаях, если область нехудших решений ограничена извилистой линией, поиск с помощью функции цели может дать нескольких оптимальных решений рис. Недопустима свертка показателей безопасности или их отбрасывание при ранжировании. Принятие решений в условиях неопределенности Условия неопределенности могут быть следствием недостаточности сведений о задаче например, на начальном этапе проектирования или качественного представления показателей, то есть когда неизвестно их точное значение. При принятии решения в таких ситуациях применяют следующие методы приближенной оценки вариантов с последующим выбором лучшего на примере четырех изделий Р Р 4 по показателям качества стоимость, масса, потери энергии и надежность. Оценка вариантов решений в случае отсутствия численных значений критериев качественное представление показателей. Далее, по каждому варианту строке суммируются все плюсы, и по их количеству дается заключение о его качестве. Для данных, приведенных в таблице, лучшим будет признан третий вариант. Уточненная оценка вариантов решений численные значения критериев отсутствуют. По каждому показателю в столбце всем вариантам проставляются баллы, начисляемые, например, по пятибалльной системе: Для учета дополнительных оттенков можно ввести систему с увеличенным числом баллов. Далее, по каждому варианту строке баллы суммируются. Лучшим принимается тот, у которого сумма баллов будет наибольшей. В следующем примере таким является третий и четвертый варианты. Результаты соответствующего подхода представлены в таблице. Здесь лучший — второй вариант. Оценка вариантов решений на основе их ранжирования. В таблице по столбцам указывают места, которые варианты занимают в ранжированном ряду при рассмотрении по каждому показателю отдельно первое место — наилучшее. Если варианты равнозначны, то места назначают одинаковыми. Далее, по каждому варианту строке суммируют занимаемые ими места. Лучшим принимается тот, у которого сумма мест будет наименьшей. В следующем примере таким является третий вариант. Формализация качественных показателей или оценок. С целью повышения достоверности субъективных выводов предлагают различные методы, в большинстве основанные на использовании экспертных оценок. Приведем описание одного из них, достаточно простого и распространенного, — метода бинарных сравнений. Метод основан на том, что сравнить между собой два варианта и выбрать из них предпочтительный проще, чем одновременно сравнивать три и более варианта. Составляется матрица сравнений, своя для каждого свойства или показателя качества. Названия сравниваемых вариантов Р 7 — располагаются в левом столбце и верхней строке таблицы. Затем заполняются ячейки таблицы, пользуясь следующим правилом: Если же наоборот, вариант, расположенный в столбце, предпочтительнее варианта, расположенного в строке, — записывается 0. Для равноценных вариантов в ячейку вносят 1. Очевидно, что главную диагональ матрицы будут составлять единицы, поскольку это ячейки сравнения вариантов самих с собой Р 1 и Р 1 , Р 2 и Р 2 и т. Также достаточно заполнить только одну из частей матрицы, отделенной главной диагональю: После заполнения всех ячеек проводят суммирование баллов: Итоговые баллы позволяют дать количественную оценку каждого варианта в рассматриваемой группе по выбранному показателю качества. Эти баллы используют непосредственно или же нормируют приводят к безразмерному виду, например, делением на максимальное или среднее значение баллов. В приведенном примере применялась трехбалльная система 0— Для учета нюансов возможно введение многобалльной системы, например: Если вместо вариантов решений в матрице сравнений расположить показатели качества, то полученные в итоге баллы после нормирования будут соответствовать весовым коэффициентам этих показателей. Объекты проектирования Всю жизнь нам постоянно приходится соприкасаться с различными объектами. Это физические, биологические, социальные, технические и иные объекты-системы, а также комбинированные системы. Свойства системы не сводятся к сумме свойств отдельных ее элементов и частей. И поэтому, проектирование и эксплуатация этих систем требует знания и составляющих их элементов, и особенностей всей системы в целом, ее вида и назначения. Дадим характеристику объектов проектирования на примере технических систем. Техническая система — целостная, обладающая определенной структурой совокупность взаимосвязанных средств и предметов труда элементов. Она включает такие виды продукции, как изделия от небольшой гайки до огромных турбин и сооружения от мелких построек до крупных транспортных сетей, технических комплексов, промышленных комбинатов. Вне людей технические системы не существуют — людьми разрабатываются, изготовляются и эксплуатируются, и уже изначально фактически являются частью комбинированных, человеко-технических систем их еще называют человеко-машинными системами. Назначение и характеристики разрабатываемых объектов Технические системы как и другие объекты предназначены для удовлетворения разнообразных потребностей людей, причем не только сугубо материальных физиологических и психофизических , но и духовных. Эти потребности реализуются посредством выполнения системами определенных действий — функций, которые заранее заложены как в саму систему, так и в каждый ее элемент. Выполнение требуемой функции — главная цель и основа разработки технической системы. В тоже время, сама система служит лишь ее материальным носителем, то есть функция — первична, система — вторична и создается по причине невозможности иными, нематериальными средствами удовлетворить потребности людей. Так, автомобиль нужен для перевозки грузов и людей функция — перемещать в пространстве, создан вследствие нереальности перемещения предметов только усилием мысли , назначение ручки — писать, а книги — хранить информацию и т. Функция, которая отражает назначение системы и ради которой эта система создается, называется главной функцией. Функция, без выполнения которой невозможно выполнение главной функции, называется основной функцией. Технические системы, создаваясь людьми, должны впоследствии содействовать совершенствованию и самих людей, и, следовательно, обладать гуманистической направленностью, нести наряду с физической не менее важную социально-духовную функцию. Такое воздействие ведет, в свою очередь, к росту технической культуры и, как результат, к дальнейшему прогрессу техники. Техническая система как элемент человеческой культуры, способствующий духовному, нравственному и эстетическому развитию, — в настоящее время определяющий признак степени совершенства этой системы и уровня развития создавшего ее общества. А по внешнему виду и удобству эксплуатации, скажем, автомобиля, ручки или книги можно уверенно судить не только об уровне научно-технического развития общества, где они были изготовлены, но и уровне его культуры и нравственных ценностях. С целью повышения эффективности и качества реализации главной функции может возникнуть потребность в дополнительных функциях, выполнение которых будет осуществляться этой же системой или введенной в нее новой частью. Такие функции называют вспомогательными или сервисными. Любая техническая система, прежде всего, является физическим объектом. И правильный выбор принципиальных, то есть физических, основ функционирования предопределит ее жизнеспособность и эффективность. Так, сколько бы ни совершенствовали конструкцию самолета с винтомоторным двигателем, он никогда не разовьет сверхзвуковую скорость, не говоря уже о полетах на больших высотах. Только использование другого физического принципа, например, реактивного движения и созданного на его основе реактивного двигателя, позволит преодолеть звуковой барьер. Принцип действия технической системы — это последовательность выполнения определенных действий, базирующихся на определенных физических явлениях эффектах , которые обеспечивают требуемое функционирование этой системы. Понятие принципа действия используется не только в технике для физических объектов , но и в других областях — фундаментальных и прикладных науках например, принцип построения модели, исходные принципы решения задачи , в общественной жизни например, принципы отбора кандидатов, оказания помощи , экономике например, принципы налогообложения, исчисления прибыли , культуре например, художественные принципы. В основе любой деятельности или работы лежат принципиальные исходные положения методы, способы, направления. Характеристикой геометрического образа технической системы, ее зримого представления служит структура объекта технической системы , то есть форма, количество и взаимное положение элементов, частей и тел, составляющих или представляющих рассматриваемую систему-объект. Примерами структуры также являются план литературного произведения и законопроекта, алгоритм, схема и т. Понятие структуры объекта отличается от понятия структуры процесса, характеризующего последовательность и состав стадий и этапов работы, совокупность процедур и привлекаемых технических средств, взаимодействие участников процесса. Общепринятой основной элементарной характеристикой системы служит параметр, то есть величина, представляющая определенное физическое, геометрическое или иное свойство объекта и имеющая количественную оценку. В зависимости от назначения параметры можно подразделить на функциональные, объектные и вспомогательные. Функциональные параметры характеризуют выполняемую функцию. Эти параметры в процессе проектирования известны, и создание технической системы заключается в разработке объекта с требуемыми значениями функциональных параметров. Объектные параметры характеризуют материальный носитель функции объект, устройство, изделие. К ним относятся его геометрические характеристики размер, форма, взаимное положение, количество , марка и состояние использованных материалов. При этом марка название материала выступает как обобщенный параметр, объединяющий в себе данные о составе, условиях изготовления и иных свойствах материала. Обобщенные параметры используются, когда излишняя конкретизация при решении задачи не требуется, либо вызывает потребность в дополнительных специальных знаниях. Однако должна быть ссылка на документ, однозначно раскрывающий содержание обобщенного параметра например, сталь 45 ГОСТ По этой причине марка материала является элементарным параметром, скажем, для проектировщика, но не для материаловеда или металлурга. Отыскание величин объектных параметров является целью проектирования. Остальные параметры относятся к группе вспомогательных параметров. Они необходимы для обоснования принимаемых решений, характеристики свойств системы и т. Состав параметров, и особенно — вспомогательных, для каждой конкретной системы различен. Это связано с отличиями не только в устройстве отдельных систем, но и в предъявляемых к ним требованиях, условиях применения. Например, в качестве функциональных параметров лифта функция — поднимать груз будут выступать высота подъема и масса груза, объектных — размеры и форма лифта и марки материалов, из которых он изготовлен. Вспомогательными параметрами могут стать скорость подъема, срок службы, запас прочности и т. Технические системы различаются по назначению и устройству и, как объекты исследований и разработки, могут описываться теми или иными моделями. Рассмотрим состав и виды представлений технических систем. Виды технических систем В процессе работы технические системы преобразуют энергию и информацию, свойство и состояние вещества. В зависимости от назначения и принципа действия системы подразделяют на машины, аппараты и приборы. В тех случаях, когда трудно определить принадлежность системы, употребляют понятие устройства или комплекса, как, например, регулирующее устройство, космический комплекс и т. Технические системы, предназначенные для получения или преобразования механической энергии, относят к машинам. Их основу составляют механизмы, то есть системы подвижно связанных между собой контактирующих твердых тел-звеньев, совершающих определенные механические движения. Так, к машинам относятся автомобиль колесная машина , вертолет лопастная машина и т. Внешне разные машины могут содержать подобные или схожие механизмы. Основные функциональные части машины показаны на рис. Машина и ее основные функциональные части Технические системы, предназначенные для получения или преобразования иных видов энергии, относят к аппаратам. Технические системы вспомогательного назначения контроль, управление, измерение, регулирование относят к приборам. В зависимости от принципа действия их подразделяют на механические гироскоп и т. Выполнение машинами вспомогательных функций может вызывать необходимость введения в их состав электрических, оптических и иных устройств, а в состав аппаратов машинные агрегаты и механические конструкции, как, например, дисковод компьютера, стержневая конструкция опоры линии электропередачи. Отличия во вспомогательных функциях у одинаковых по назначению систем придают им индивидуальность. Как промышленная продукция, технические системы и их элементы в зависимости от характера изготовления по ГОСТ 2. Часто используют понятие сборочного узла, занимающего промежуточное положение между деталью и сборочной единицей. Если сборочная единица выступает как конечный вид продукции какого-то производства, то сборочный узел является условной частью изделия, временно формируемой в процессе его сборки например, дверь автомобиля, если в дальнейшем она поступает на завершающую сборку изделия. Машины, аппараты и приборы могут входить в состав более сложных технических систем, но, с другой стороны, также могут состоять из отдельных взаимосвязанных частей. Набор часто применяющихся частей образует элементную базу предметной области — машиностроения, аппаратостроения, приборостроения. Элементы такой базы обычно характеризуются узким функциональным назначением, их целиком в состоянии разработать один специалист, либо он использует их в проектируемой системе в виде готовых изделий сборочных единиц. Элементы могут различаться по устройству, но иметь схожее назначение. Принято элементы с одинаковым назначением объединять в группы — резисторы, резьбовые соединения и т. Среди элементов выделяют типовые, то есть общие и часто встречающиеся в разных устройствах рассматриваются в общетехнических курсах , и специальные, имеющие специфическое применение изучаются в спецкурсах, как, например, роторы, рельсы, лопатки и т. Количество типовых элементов ограничено, однако все многообразие машин, аппаратов и приборов построено главным образом на применении этих элементов. Элементная база машиностроения имеет ряд особенностей: Изменением параметров одного и того же элемента возможно изменение его функционального назначения, как, например, колесо и маховик. Модели разрабатываемых объектов В практической деятельности возможно решение двух видов задач: Здесь конечный вид объекта еще неизвестен и приходится иметь дело с его приближенными представлениями; исследование реального объекта задача анализа. Удобство проведения такого исследования людьми с разным уровнем квалификации требуют упрощения изучаемого объекта и исключения из рассмотрения второстепенных факторов. Построение моделей — моделирование, облегчает изучение имеющихся в объекте объективных свойств и закономерностей. Моделирование является обязательной частью исследований и разработок, поскольку сложность любого материального объекта бесконечна вследствие неисчерпаемости материи и форм ее взаимодействия внутри себя и с окружающей средой. Проектирование тесно связано с моделированием, так как не только включает в себя обе эти задачи, но и основывается на умении выбора и применения тех или иных видов моделей. Поэтому напомним основные понятия, используемые в моделировании. Требования к моделям Моделирование всегда предполагает принятие допущений той или иной степени важности. При этом должны удовлетворяться следующие требования: Оценить адекватность выбранной модели, особенно на начальной стадии проектирования, когда вид создаваемого объекта еще неизвестен, очень сложно. Здесь полагаются на опыт предшествующих разработок или применяют определенные методы, например, метод последовательных приближений; точность, то есть степень совпадения полученных в процессе моделирования результатов с заранее установленными, желаемыми. Важной задачей здесь является оценка потребной точности результатов и точности исходных данных, согласование их, как между собой, так и с точностью используемой модели; универсальность, то есть применимость модели к анализу ряда однотипных объектов в одном или нескольких режимах функционирования. Это позволяет расширить область поиска решений; целесообразная экономичность, то есть точность получаемых результатов и общность решения задачи должны увязываться с затратами на моделирование. И удачный выбор модели, как показывает практика, — результат компромисса между отпущенными ресурсами и особенностями используемой модели. Выбор модели и обеспечение точности моделирования считается одной из самых важных задач моделирования. Погрешности моделирования вызываются как объективными причинами, связанными с упрощением реальных объектов и процессов, так и субъективными, обусловленными недостатком знаний и навыков, особенностями характера того или иного человека. Погрешности можно предотвратить, компенсировать или учесть. И всегда обязательна оценка правильности получаемых результатов. Быструю оценку часто проводят следующими способами: Удобно это делать для частного случая модели, когда решение очевидно. Иногда даже говорят, что еще перед решением задачи инженер уже должен представлять характер и порядок ожидаемого результата. Правда, точность такого представления зависит от развитости физического воображения и опыта работы с подобными объектами; проверяют выполнение частных очевидных условий задачи, что также позволяет отсечь неприемлемые решения; проверяют соблюдение тенденции изменения величин и знаков результатов монотонность, цикличность, плавность и т. Известно, что посредством грубых измерений, использования приборов с низкой точностью или приближенных исходных данных невозможно получить точные результаты. С другой стороны, бессмысленно вести, например, расчет с точностью до грамма, если результат потом нужно округлять скажем, указывать в формуляре с точностью до килограмма, или же определять среднюю величину точнее составляющих ее значений, и т. Поэтому важно помнить о следующем: Виды моделей По способу отображения действительности различают три основных вида моделей эвристические, физические и математические. Эвристические модели, как правило, представляют собой образы, рисуемые в воображении человека. Их описание ведется словами естественного языка и, обычно, неоднозначно и субъективно. Эти модели неформализуемы, то есть не описываются формальнологическими и математическими выражениями, хотя и рождаются на основе представления реальных процессов и явлений. Эвристическое моделирование — основное средство вырваться за рамки обыденного и устоявшегося. Но способность к такому моделированию зависит, прежде всего, от богатства фантазии человека, его опыта и эрудиции. Эвристические модели используются на начальных этапах проектирования или других видов деятельности , когда сведения о разрабатываемом объекте еще скудны. На последующих этапах проектирования эти модели заменяются на более конкретные и точные. Физические модели — материальны, но могут отличаться от реального объекта или его части размерами, числом и материалом элементов. Выбор размеров ведется с соблюдением теории подобия. К физическим моделям относятся реальные изделия, образцы, экспериментальные и натурные модели. Физические модели подразделяются на объемные модели и макеты и плоские тремплеты. В данном случае под физической моделью понимают изделие или устройство, являющееся упрощенным подобием исследуемого объекта или позволяющее воссоздать исследуемый процесс или явление. Под тремплетом понимают изделие, являющееся плоским масштабным отображением объекта в виде упрощенной ортогональной проекции или его контурным очертанием. Тремплеты вырезают из пленки, картона и т. Физическое моделирование — основа наших знаний и средство проверки наших гипотез и результатов расчетов. Физическая модель позволяет охватить явление или процесс во всем их многообразии, наиболее адекватна и точна, но достаточно дорога, трудоемка и менее универсальна. В том или ином виде с физическими моделями работают на всех этапах проектирования. Математические модели — формализуемые, то есть представляют собой совокупность взаимосвязанных математических и формально-логических выражений, как правило, отображающих реальные процессы и явления физические, психические, социальные и т. По форме представления бывают: Удобны при анализе сущности описываемого явления или процесса, использовании в других математических моделях, но отыскание их решений бывает весьма затруднено; численные модели, их решения — дискретный ряд чисел таблицы. Модели универсальны, удобны для решения сложных задач, но не наглядны и трудоемки при анализе и установлении взаимосвязей между параметрами. В настоящее время такие модели реализуют в виде программных комплексов — пакетов программ для расчета на компьютере. Программные комплексы бывают прикладные, привязанные к предметной области и конкретному объекту, явлению, процессу, и общие, реализующие универсальные математические соотношения например, расчет системы алгебраических уравнений. Построение математических моделей возможно следующими способами: Математические модели — основа построения компьютерных моделей и применения вычислительной техники. Результаты математического моделирования нуждаются в обязательном сопоставлении с данными физического моделирования — с целью проверки получаемых данных и для уточнения самой модели. К промежуточным между эвристическими и математическими моделями можно отнести графические модели, представляющие различные изображения — схемы, графики, чертежи. Так, эскизу упрощенному изображению некоторого объекта в значительной степени присущи эвристические черты, а в чертеже уже конкретизируются внутренние и внешние связи моделируемого объекта. Промежуточными также являются и аналоговые модели. Они позволяют исследовать одни физические явления или математические выражения посредством изучения других физических явлений, имеющих аналогичные математические модели. Выбор типа модели зависит от объема и характера исходной информации о рассматриваемом объекте и возможностей проектировщика, исследователя. По возрастанию степени соответствия реальности модели можно расположить в следующий ряд: Технические объекты различаются по назначению, устройству и условиям функционирования. Следовательно, можно и нужно вносить соответствующие различия и в их модели. В зависимости от целей исследования выделяют следующие модели: Модели также подразделяют на простые и сложные, однородные и неоднородные, открытые и закрытые, статические и динамические, вероятностные и детерминированные и т. Стоит отметить, что когда говорят о техническом объекте как простом или сложном, закрытом или открытом и т. Четкого правила разделения объектов то есть моделей на сложные и простые не существует. Обычно признаком сложных объектов служит многообразие выполняемых функций, большое число составных частей, разветвленный характер связей, тесная взаимосвязь с внешней средой, наличие элементов случайности, изменчивость во времени и другие. Понятие сложности объекта — субъективно и определяется необходимыми для его исследования затратами времени и средств, потребным уровнем квалификации, то есть зависит от конкретного случая и конкретного специалиста. Разделение объектов на однородные и неоднородные проводится в соответствии с заранее выбранным признаком: При этом один и тот же объект при разных подходах может быть и однородным, и неоднородным. Так, велосипед — однородная механическая система, поскольку использует механические способы передачи движения, но неоднородная по типам материалов, из которых изготовлены отдельные части резиновая шина, стальная рама, пластиковое седло. Все объекты-системы взаимодействуют с внешней средой, обмениваются с нею сигналами, энергией, веществом. Системы относят к открытым, если их влиянием на окружающую среду или воздействием внешних условий на их состояние и качество функционирования пренебречь нельзя. В противном случае системы рассматривают как закрытые, изолированные. Динамические системы, в отличие от статических, находятся в постоянном развитии, их состояние и характеристики изменяются в процессе работы и с течением времени. Характеристики вероятностных иными словами, стохастических систем случайным образом распределяются в пространстве или меняются во времени. Это является следствием как случайного распределения свойств материалов, геометрических размеров и форм объекта, так и случайного характера воздействия на нее внешних нагрузок и условий. Характеристики детерминированных систем заранее известны и точно предсказуемы. Знание этих особенностей облегчает процесс моделирования, так как позволяет выбрать вид модели, наилучшим образом соответствующей заданным условиям. Этот выбор основывается на выделении в объекте существенных и отбрасывании второстепенных факторов и должен подтверждаться исследованиями или предшествующим опытом. Наиболее часто в процессе моделирования ориентируются на создание простой модели, поскольку это позволяет сэкономить время и средства на ее разработку. Однако повышение точности модели, как правило, связано с ростом ее сложности, так как необходимо учитывать большое число факторов и связей. Разумное сочетание простоты и потребной точности и указывает на предпочтительный вид модели. Количество параметров, характеризующих поведение не только объекта, но и его модели, очень велико. Для упрощения процесса изучения реальных объектов выделяют три уровня их моделей, различающиеся количеством и степенью важности учитываемых свойств и параметров. Это — принципиальная, структурная и параметрическая модели. Принципиальная модель модель принципа действия объекта отображает его самые существенные принципиальные связи и свойства. Это — основополагающие физические явления, обеспечивающие функционирование объекта, или любые другие принципиальные положения, на которых базируется планируемая деятельность или исследуемый процесс. Стремятся к тому, чтобы количество учитываемых свойств и характеризующих их параметров было небольшим оставляют наиболее важные , а обозримость модели — максимальной, так чтобы трудоемкость работы с моделью не отвлекала внимание от сущности исследуемых явлений. Как правило, описывающие подобные модели параметры — функциональные, а также физические характеристики процессов и явлений. Работа с моделями принципа действия позволяет определить перспективные направления разработки механика, электротехника и т. Графическим представлением этих моделей служат блок-схемы. Они отражают порядок действий, направленных на достижение заданных целей функциональная схема , либо процесс преобразования вещества, как материальной основы объекта, посредством определенных энергетических воздействий с целью реализации потребных функций функционально-физическая схема. На схеме виды и направления воздействия изображаются стрелками, а объекты воздействия — прямоугольниками. Четкого определения структурной модели не существует. Обычно под ней подразумевают упрощенное графическое изображение объекта, дающее общее представление о форме, расположении и числе наиболее важных его частей и их взаимных связях. Степень упрощения может быть различной и зависит от полноты исходных данных об исследуемом объекте и потребной точности результатов. На практике виды структурных схем могут варьироваться от несложных небольших схем минимальное число частей, простота форм их поверхностей до близких к чертежу изображений высокая степень подробности описания, сложность используемых форм поверхностей. Для повышения полноты восприятия на структурных схемах в символьном буквенном, условными знаками виде указываются параметры, характеризующие свойства отображаемого объекта. Исследование схемы позволяет установить соотношения функциональные, геометрические и т. Здесь через x обозначен возможный параметр. Графической интерпретацией такой модели служит чертеж объекта или его частей с указанием численных значений параметров. Возможно изображение структурной схемы в масштабе. Такую модель относят к структурно-параметрической. Ее примером служит кинематическая схема механизма, на которой размеры упрощенно изображенных звеньев длины линий-стержней, радиусы колес-окружностей и т. Параметры разрабатываемых объектов Параметры подразделяются на входные, внутренние и выходные. Входные внешние параметры отражают внешние требования к объекту, их величины или характер изменения с той или иной точностью известны. Часть этих параметров, существенно влияющих на состояние и характеристики объекта, называют управляющими. Внутренние параметры характеризуют состояние и свойства самого объекта. Их значения вначале неизвестны и определяются в процессе исследований модели. Часть входных параметров и рассчитанных внутренних параметров объекта может использоваться в качестве исходных данных для другого, взаимосвязанного, объекта или его модели. Такие параметры называются выходными параметрами для рассмотренного объекта и входными — для вновь рассматриваемого. В зависимости от того, что характеризуют параметры — реальный объект или его модель, параметры подразделяют на нормированные и действительные. Нормированный параметр или более правильно — нормированное значение параметра — это теоретическое значение, которое характеризует признаки модели. Выражается предельными допустимыми значениями параметра. Изделие, параметры которого будут находиться внутри интервала, образованного этими предельно-допустимыми значениями, считается работоспособным и может использоваться по назначению. Например, длина стержня, указанная на чертеже, составляет Это — нормированное значение параметра, а 98 и — предельно допустимые его значения. Если одно из предельных значений равно нулю или бесконечности, то оно не указывается, а подразумевается. Например, твердость поверхности детали не менее НВ, что означает Или, например, предельная величина поднимаемого груза — до кг, что соответствует Действительный параметр или более правильно — действительное значение параметра характеризует признаки конкретного реального изделия. Его определяют путем испытаний или измерительного эксперимента с точностью, достаточной для контроля этого параметра. Обычно каждое замеренное действительное значение уникально, так как его величина зависит от внешних условий, условий изготовления, способа и точности измерения и многих других факторов. С целью повышения достоверности знания значения параметра проводят ряд измерений, результаты которых будут иметь разброс внутри какого-то интервала. Поэтому действительное значение параметра задают диапазоном. Совпадение действительных значений одних и тех же параметров изделий из их партии возможно только в пределах точности измерения или для целочисленных величин. Например, измерениями была установлена длина стержня Это — действительное значение параметра, истинное значение которого лежит внутри диапазона, заданного суммарной погрешностью измерения. Повышение точности измерений сужает данный диапазон, например, до 97,6. Для удобства записи используют номинальный параметр номинальное значение параметра , то есть такое его значение, которое служит возможным началом отсчета действительных и предельно допустимых отклонений. Субъективно назначается человеком либо является результатом операций с такими же номинальными параметрами. В приведенном примере номинальное значение выбрано из середины интервала и, как следствие, отклонения будут симметричными. Часто, хотя это и не корректно, оперируют только с номинальными значениями параметров, например, указывая длину стержня как мм. Очевидно, что решать уравнения с параметрами, заданными в таком виде, удобнее, хотя теряется ощущение точности не только исходных данных, но и результата вычислений. Разброс действительных значений параметров неизбежен. Но изделие считается годным, если действительные значения его параметров попадают в интервал, задаваемый предельными значениями нормируемого параметра. Если величина интервала равна нулю, то есть указано только номинальное значение нормируемого параметра, то попасть в такой интервал практически невозможно и каждое изделие по этому параметру будет бракованным. Поэтому в документации особенно предназначенной для других пользователей — заказчика, исполнителя, покупателя, других специалистов принято приводить нормированные значения параметров, а не указывать только их номинальные значения. Параметр — это обобщенное название определенного физического, геометрического или иного свойства объекта. В конкретном случае это могут быть размер действительный размер, номинальный размер, допустимый размер , скорость действительная, номинальная, допустимая и т. Изучением видов параметров, измерений, методов и средств обеспечения их единства и способов достижения требуемой точности занимается метрология. Требования, предъявляемые к проектируемым объектам Процесс проектирования всегда подчинен необходимости удовлетворения интересов двух групп людей: Каждый производитель стремится получить максимум выгоды от выпуска и реализации своей продукции. Однако реализация возможна только при условии существования спроса на такую продукцию, то есть наличия ее потребителя. В свою очередь, каждый потребитель желает с минимальными хлопотами и затратами получить нужный ему товар с максимальными потребительскими свойствами. Основы удовлетворения обоюдных интересов производителя и потребителя закладываются на этапе проектирования. Здесь окончательно формируется перечень требований к разрабатываемому объекту, которые во многом будут определять направления и особенности ведения разработки и должны учитывать свойства будущей продукции во всем их многообразии и взаимосвязи, на всех этапах жизненного цикла, с учетом перспектив развития науки, техники и общества. К типовым требованиям к научно-технической продукции относят требования функциональные показатели назначения , надежности, технологичности, стандартизации и унификации, ограничения вредных воздействий эргономичность и экологичность , эстетичность, экономичность, патентно-правовые. Требования к другим видам продукции во многом совпадают с перечисленными. Систематизированный перечень требований представлен на рис. При этом существует еще две группы требований, явно не выделяемые, но способные сильно повлиять на принимаемое решение и ход работ. Это — политические цели и морально-этические принципы и устои. Они связаны с общественным сознанием и изучаются соответствующими науками. Часто их учитывают косвенно, предусматривая социальные последствия от внедрения результатов разработки на ближнюю и дальнюю перспективы. Состав возможных требований, предъявляемых к проектируемым объектам 4. Требования производителя В большинстве случаев под выгодой производителя подразумевается доход иными словами, масса прибыли, то есть суммарное ее количество , полученный за всю реализованную продукцию. Выгода может быть нематериальной, например, в виде общественного признания и уважения. С другой стороны, результативность реализации востребованность продукции — это та обратная связь, которая подтверждает правильность поставленной задачи проектирования и эффективность полученного результата. По результатам реализации подводят итог всей проектно-производственной деятельности, принимают окончательные решения о внесении уточнений в проектно-технологическую документацию. Прибыль производителя продукции определяется как разность между ее продажной ценой и полной себестоимостью. Прибыль зависит от многих факторов, ее стремятся максимизировать. Более точно прибыль можно охарактеризовать нормой прибыли и степенью рентабельности производства и реализации. Рентабельность характеризует эффективность использования ресурсов предприятия и равна отношению прибыли к общей стоимости основных и оборотных фондов оборудование, материалы, денежные средства и другая собственность предприятия, имеющая отношение к выпуску продукции. В торговле рентабельность исчисляется как отношение прибыли к объему товарооборота. Норма прибыли по своему содержанию близка к понятию степени рентабельности. Цена продукции различается на оптовую и розничную, отличающиеся величиной и видом торговых скидок. Для увеличения прибыли цена должна быть как можно больше. Будем рассматривать только технические способы ее повышения, не касаясь вопросов монополизации рынка, введения правовых, таможенных, протекционистских, силовых и других мер.
Реферат на тему понятие информационной системы
Можно ли носить вещи после умершей мамы
Контурная карта мира для печати а4
Сшить юбку карандаш для начинающих
История и обществознание картинки