Системный подход к проектированию

 

Современная методология проектирования базируется на системном подходе, основной общий принцип которого заключается в рассмотрении объекта, процесса или явления как сложной системы [2]. В этой связи напомним, что системой называют совокупность взаимосвязанных элементов, выделенных из среды и взаимо-действующих с окружающей средой как единое целое для достижения поставленной цели. Отсюда наиболее общими характеристиками объекта проектирования как сложной системы являются:

· целенаправленность;

· целостность;

· иерархичность.

Системный подход представляет собой обобщение различных методик проектирования и направлен на решение следующих задач:

· выявление структуры объекта;

· описание и типизацию связей между элементами структуры;

· определение атрибутов объекта как сложной системы;

· определение функций объекта;

· анализ влияния на объект внешней среды.

Часто оказывается, что системный объект обладает новыми свойствами и функциями, которых нет у составляющих его элементов. Так, например, машина, состоящая из отдельных деталей, обладает свойствами, которых нет у каждой детали в отдельности. Такое появление у системы новых качеств называют эмерджентностью (от англ. emergent –– внезапно возникающий). Считается, что чем больше свойства системы отличаются от свойств ее элементов, тем выше организованность системы; а чем сильнее степень согласованности поведения элементов системы, тем у нее больше возможностей выбора моделей поведения. Высшая степень проявления согласованности поведения элементов системы –– самоорганизация системы, изучением которой занимается синергетика.

В качестве примера сложной системы рассмотрим техноло-гический процесс изготовления детали.

Со стороны структуры технологический процесс представляет собой совокупность взаимосвязанных этапов, операций и переходов.

Функция технологического процесса заключается в преобразовании исходного материала (полуфабриката) в готовое изделие. Исходное состояние (С₀) объекта производства задается множеством параметров, характеризующих форму и размеры заготовки, марку материала и его физические свойства. Конечное состояние (С_к) определяет заданные конструктором форму детали, размеры и точность, физические свойства отдельных поверхностей. Таким образом, математически функцию технологического процесса можно представить в виде отображения соответствующих множеств: С₀ → С_к. Кроме того, функция технологического процесса может быть расчленена на функции отдельных операций.

Технологический процесс можно рассматривать как часть производственного процесса, связанную с качественным изменением состояния объектов производства. Отсюда взаимодействие с внешней средой проявляется в связях технологического процесса, посредством которых он воспринимает воздействия других подсистем производства и управления и сам воздействует на них.

Основные модели, служащие для описания сложных систем, рассмотрены в курсе математического моделирования [3].

Разновидностями системного подхода являются:

1) структурный подход, при котором варианты системы синтезируются из компонентов. Преимущества того или иного варианта перед другими оцениваются путем частичного перебора структуры;

2) блочно-иерархический подход, при котором используются идеи декомпозиции сложных описаний объектов на иерархические уровни, вводится понятие восходящего и нисходящего проектирования, устанавливается связь между параметрами соседних иерархических уровней;

3) объектно-ориентированный подход, который заключается в применении при проектировании трех принципов: наследование, инкапсуляция и полиморфизм. Наследованием называется способность объекта сохранять атрибуты класса-родителя. Инкапсуляция – это механизм, благодаря которому внутренняя сложность объекта изолируется от наблюдателя из внешнего мира. Полиморфизм – это способность объекта видоизменяться (принимать различные формы).

Для всех указанных разновидностей системного подхода характерны следующие особенности:

1) структуризация процесса проектирования;

2) типизация и унификация проектных решений;

3) итерационный[1] характер процесса проектирования.

Основные положения системного подхода излагаются в обобщенной дисциплине, которая называется «Системный анализ» или «Теория систем», аналогичная прикладная дисциплина называется «Системотехника».

Предметом системотехники являются:

1) организация процесса создания, использования и развития технических систем;

2) методы и принципы проектирования и исследования систем.

Составными частями системотехники являются:

1) организация и иерархическое структурирование процесса проектирования систем;

2) анализ и моделирование систем;

3) синтез и оптимизация систем.

Цель анализа –– получение информации о характере функци-онирования и значениях выходных параметров при заданных структуре объекта проектирования и сведениях о его внутренних и внешних параметрах. Анализ объекта проектирования – это его исследование, изучение свойств, проверка условий работоспособности. При анализе новые варианты проекта не создаются.

Различают следующие виды анализа:

· одновариантный,

· многовариантный,

· статистический,

· анализ чувствительности к изменениям параметров.

Основной операцией при анализе является разделение целого на части –– декомпозиция. В результате декомпозиции исходная система разделяется на подсистемы, задача – на подзадачи и т.д. Обратная операция, объединение нескольких элементов в единое целое (агрегат), называется агрегированием (агрегатированием).

Синтез бывает двух видов:

1) структурный синтез,

2) параметрический синтез.

Задача структурного синтеза –– определение множества возможных проектных решений.

Задача параметрического синтеза –– выбор или расчет значений отдельных параметров проекта.

Разница между близкими по содержанию понятиями «синтез» и «проектирование» заключается в следующем: проектирование предполагает весь процесс разработки проекта, а синтез – создание его варианта, необязательно окончательного. Синтез как задача может выполняться при проектировании многократно, сочетаясь при этом с решениями задач анализа.

Анализ и синтез часто рассматривают соответственно как прямую и обратную инженерную задачу. Анализ предназначен для ответа на вопрос: «Что будет, если…?» Синтез отвечает на вопрос: «Как поступить, чтобы…?»

 

1.3 Структура процесса проектирования?

Структурой обычно называют упорядоченное множество каких-либо элементов и отношений между ними. Структуру процесса проектирования принято рассматривать с точки зрения уровней и стадий проектирования [2].

Уровни проектирования предполагают разбиение сложной задачи на параллельно и последовательно решаемые более простые задачи. Различают следующие уровни:

1) системный, на котором решаются наиболее общие задачи, а результаты обычно представляются в виде структурных схем, планов, диаграмм и т.п. (например, схема технологического процесса);

2) макроуровень, на котором проектируются отдельные узлы машин, отдельные операции технологического процесса. В результате разрабатывается, например, сборочный чертеж, технологический маршрут;

3) микроуровень, на котором проектируются отдельные элементы объекта, детали, технологические переходы.

Стадии проектирования характеризуют процесс проектирования как развивающийся во времени. Различают следующие стадии:

1) стадия научно-исследовательских разработок (НИР), также называемая предпроектными исследованиями или стадией техничес-кого предложения;

2) стадия опытно-конструкторских разработок (ОКР), также называемая стадией эскизного проекта;

3) стадия технического проекта;

4) стадия рабочего проекта;

5) стадия испытаний.

Стадии проектирования подразделяют на составные части, называемые проектными процедурами. В свою очередь, проектные процедуры делят на более мелкие элементы, называемые проектными операциями.

Типичный алгоритм проектной процедуры показан на рисунке 1. Он носит выраженный итерационный характер.

 

Рисунок 1 - Типичный алгоритм проектной процедуры

 

Рассмотрим содержание основных проектных операций, выполняемых при технологическом проектировании.

В формулировку технического задания включают:

· комплект чертежей на новое изделие;

· программу выпуска изделия;

· срок запуска изделия в производство;

· организационно-технические условия, предусматривающие различные способы получения заготовок и учитывающие возможности приобретения комплектующих изделий, а также оборудования и оснастки на других предприятиях.

Структуру технологического процесса представляет маршрутное описание технологии изготовления изделия, т.е. совокупность взаимосвязанных и взаимообусловленных этапов обработки.

Модель технологического процесса включает его полное пооперационное описание.

На стадии параметрического синтеза производится расчет режимов резания, трудоемкости и материалоемкости операций, других технико-экономических показателей.

На стадии анализа производится сопоставление результатов проектирования с требованиями технического задания, отладка и корректировка структуры технологического процесса, уточнение его параметров, принятие оптимальных решений.

В результате проектной деятельности технолога должен быть получен комплекс отлаженных технологических процессов изготовле-ния всех деталей, сборочных узлов и машин в целом, оснащенный технологической документацией и средствами технологического оснащения, необходимыми для обеспечения заданного объема выпуска изделий с установленными технико-экономическими показа-телями.