Формализация процесса проектирования

Исходя из основных положений системного анализа, последовательность решения многовариантных проектных задач с помощью средств вычислительной техники можно представить состоящей из ряда этапов (рис. 1).

Определяющим этапом проектирования является по­становка общей задачи, при которой формулируется слу­жебное назначение (функция) технической системы и вырабатывается концепция проекта на основе анализа системной модели буду­щего технического сред­ства как элемента подсис­темы более высокого уро­вня иерархии. Адекватное описание такой модели возможно только при все­стороннем рассмотрении проблемы, для решения которой создается новое техническое средство. На­пример, для решения про­блемы комплексной меха­низации и автоматизации механосборочного произ­водства необходимо созда­ние целого ряда машин и механизмов, в том числе металлорежущих станков, сборочных агрегатов, тран­спортных средств, загру­зочных устройств, информационно-измерительных систем, систем инструмен­тального обеспечения и др. Следовательно, системная модель технологической машины, например, должна отражать взаимосвязи объекта не только с подобными машинами по структуре технологического процесса, но и с загрузочными, транспортными, измерительными и другими элементами всего производственного комплекса.

На следующем этапе необходимо выполнить анализ общей задачи проектирования. Здесь на основе рассмо­трения системной модели будущего технического средства выявляются связи объекта проектирования с окружаю­щей средой, определяются компоненты проектной за­дачи, ограничения и критерии выбора рациональных ва­риантов. Результаты данного этапа служат для поиска пу­тей дальнейшего хода решения проектных задач. Если уда­ется использовать имеющееся техническое средство, то конструкторский процесс не выполняется. Найденные аналоги могут лечь в основу будущей конструкции.

Проблема

Системная модель

1. Постановка общей задачи проектирования

Описание функции, системная модель

2. Анализ общей задачи проектирования

Компоненты, ограничения, факторы

окружающей среды, критерии

Можно ли использовать Поиск готового

нет существующие технические да технического решения

решения? Техническое средство

3.Функциональный анализ объекта проектирования

Многоуровневая структура объекта проектирования

4. Разбиение задачи проектирования на части

Стратегия проектирования,

структура САПР

5. Постановка частных задач

Системная модель

6. Исследование объекта проектирования

Формализованные связи системной модели

Могут ли быть использованы нет Научно-исследовательские

существующие зависимости работы

да

7. Формализация объекта проектирования

Математическая модель

8. Выбор методов решения задачи

Эвристические или алгоритмические методы решений

Есть ли готовые решения? Нет Разработка новых методов решения

9. Формализация задачи проектирования

Алгоритмы проектирования

10. Разработка информационного обеспечения

Информационно-логическая модель проектирования

11. Разработка программного обеспечения

12. Разработка технического обеспечения

13. Опытная эксплуатация

14. Достоверны ли результаты?

15. Ввод в действие САПР

Рис. 1

Но может случиться и так, что в процессе анализа задачи проектирования выявится невозможность использования существующих технических возможностей для решения проблемы. Тогда постановка задачи должна быть изме­нена, например, разбита на подзадачи.

При проведении конструкторских работ первой опера­цией является функциональный анализ объекта проекти­рования для создания внутренней многоуровневой струк­туры объекта проектирования. Результаты этого этана не­обходимы в первую очередь для объективного разбиения задачи проектирования на части и определения стратегии решения общей задачи.

Каждый элемент структуры объекта проектирования представляется в виде системной модели; его служебное назначение описывается как функция элемента многоуров­невой системы. Затем проводится исследование объекта проектирования, т. с. выявляются и описываются внешние и внутренние связи его системной модели. При этом требуется проведение целого ряда научно-исследователь­ских работ, под которыми подразумевается не только ана­лиз литературных источников, но и эксперименты на на­турных образцах.

Весьма важным является следующий этап — формали­зация объекта проектирования. От полноты формального описания объекта зависит выбор метода решения задачи, а, следовательно, определяется возможность применения при проектировании средств вычислительной техники. Если задача не формализована, то конструктор в дальней­шем пользуется одним из эвристических методов решения задачи. Когда задача формализована полностью, т. е. имеется полная математическая модель объекта проектиро­вания, ее можно решать с помощью ЭВМ автоматически. Если же задача формализована частично, т. е. не все связи системной модели удалось выразить в виде аналитических и логических зависимостей, то разрабатывается так назы­ваемый диалоговый метод решения, включающий вариант математической модели объекта и сценарий взаимодейст­вия конструктора и ЭВМ.

После выбора одного из алгоритмических методов реше­ния весь процесс проектирования можно формализовать и разработать алгоритмы автоматизированного конструи­рования.

Перед программированием больших проектно-конструкторских задач необходима разработка информацион­ного обеспечения автоматизированного проектирования, которое должно снабжать все проектные процедуры тре­буемой постоянной и переменной информацией для безостановочной работы программ ЭВМ. После программи­рования проектной задачи выбираются необходимые технические средства, на которых и решается задача. Ре­зультаты проектно-конструкторского процесса докумен­тируются в виде текстовых и графических материалов.

Для формального решения задачи проектирования необходимо иметь формализованное описание проектируемого объекта, т.е. математическую модель, описывающую с помощью взаимосвязанной последовательности математических формул связь конструктивных параметров объекта с возможными конструктивно-компоновочными решениями.

Такой (формальный) подход к решению задачи оптимального проектирования практически невозможен в силу того, что минимальный набор конструктивных параметров, определяющий форму, размеры, массу и другие характеристики объекта проектирования, чрезвычайно велик и позволяет получить множество конструктивно-компоновочных решений, удовлетворяющего требованиям ТЗ.

ТЗ на проектирование значительно шире, а требования к эффективности объекта проектирования формулируются чаще всего на словесном уровне.

Это не позволяет формализовать ни обобщенный критерий эффективности, ни алгоритм его вычисления, а значит, не дает возможности построить формализованный процесс проектирования.

Процесс поиска технического решения, удовлетворяющего требованиям ТЗ, носит неформальный, творческий характер.

Здесь огромное значение имеют опыт, эрудиция и интуиция проектировщика. Это относится к проектированию объекта в целом и к проектированию всех его компонентов, вплоть до простейших деталей.

Общих рекомендаций по решению творческих задач нет и быть не может. Тем не менее, некоторые закономерности поиска технического решения можно представить в виде блок-схемы.

На первом этапе работы проектировщик оценивает возможность выполнения поставленной задачи за счет одного из известных ему решений – аналогов (от греч. analogos – соответственный) или прототипов (от греч. – прообраз), выбирая его из так называемого банка (базы) данных.

Банк данных (в более широком понимании – база знаний) – это, собственно, и есть опыт и эрудиция проектировщика, т.е. знание им всех сведений о специфике и закономерностях того, что было сделано ранее, и не только в области его узкой специализации.

Эти знания хранятся в памяти человека, на бумажных носителях информации (книги, описания, чертежи), на машинных носителях информации (магнитные диски ЭВМ) и т.д.

Если на первом этапе работы, т.е. при проектировании "от прототипа", решение не найдено, на следующем этапе проектировщик синтезирует проект за счет комбинации (соединения) отдельных элементов известных ему решений. Чем богаче банк данных, тем больше вероятность решения проблемы.

Если решение не найдено и таким методом, значит, перед проектировщиком поставлена задача, требующая решения на уровне изобретения.

В этом случае огромную помощь проектировщику оказывает банк данных.

Опыт и инженерная интуиция проектировщика, особенно незаменимые в процессе формирования концепции, облика объекта проектирования, незаменимы и при принятии решения в ситуации, когда из множества возможных эффективных вариантов решения задачи необходимо выбрать один (или достаточно ограниченное количество) для дальнейшей углубленной проработки.

Было бы ошибочным утверждать, что процесс проектирования не поддается формализации.

Отдельные, весьма существенные и трудоемкие компоненты этого процесса уже формализованы, т.е. выполняются расчетным путем.

Однако возможность "сквозной" формализации процесса проектирования (даже от момента получения ТЗ до этапа технического проектирования) представляется весьма проблематичной.