Методология и принципы проектирования сложных технических систем

Общие сведения о процессе проектирования

Сложную техническую систему (СТС) необходимо рассматривать во времени и пространстве. Описание существования СТС во времени приводит к понятию жизненного цикла, а в пространстве к понятию внешней среды, с которой взаимодействует СТС в процессе функционирования.

Под жизненным циклом СТС понимается структура процесса ее создания, производства и эксплуатации, охватывающего время от возникновения идеи создания системы до снятия ее с эксплуатации. Жизненный цикл, как правило, включает следующие составляющие: 1) планирование (включающее обоснование целесообразности создания СТС); 2) научно-исследовательские работы (завершающиеся формированием основных требований к системе и разработкой технического задания на создание СТС); 3) проектирование (завершающееся разработкой проектной документации на создание СТС); 4) производство (создание строительство); 5) эксплуатация.

Отметим условность выделенных составляющих жизненного цикла. Так, например, часто рассматривается шестая составляющая – модернизация (модификация) системы. Структура жизненного цикла СТС представлена на рис. 1.

Рис. 1. Общая структура жизненного цикла изделия:

АСП, АСНИ, АССИ – автоматизированные системы планирования, научных и статистических исследований; САПР – система автоматизированного проектирования; АСУП, АСУТП, ГПС – автоматизированные системы управления производством, технологическими процессами, гибкими производственными системами

Проектирование является важной составляющей жизненного цикла СТС. Цель проектирования состоит в поиске, фиксации и документальном оформлении информации об объекте проектирования, которая необходима для его создания.

Проектированием называется процесс составления описания, необходимого для создания в заданных условиях еще не существующего объекта на основе первичного описания этого объекта и (или) алгоритма его функционирования или алгоритма процесса преобразования (в ряде случаев неоднократного) первичного описания, оптимизации заданных характеристик объекта и алгоритма его функционирования или алгоритма процесса преобразования, устранения некорректности первичного описания и последовательного представления (при необходимости) описаний на разных языках.

Таким образом, в процессе проектирования исходное описание преобразуется в конечное, формируя при этом необходимое количество промежуточных описаний. Промежуточное или конечное описание объекта проектирования, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения дальнейшего направления или окончания проектирования, называется проектным решением.

Составляющая, касающаяся научно-исследовательских работ, называется внешним проектированием или макропроектированием. Эта составляющая в общем случае включает следующие стадии: 1) предпроектные исследования; 2) разработка технического задания (TЗ); 3) разработка технического предложения (ТП).

На этих стадиях реализуются следующие процедуры: 1) последовательно изучаются потребности в получении новых систем с заданным целевым назначением; 2) уточняется цель, ради достижения которой создается система; 3) устанавливается круг решаемых ею задач; исследуются свойства внешней среды и определяются характеристики её воздействия на систему; 4) исследуются физические, информационные, конструктивные и технологические принципы построения системы и возможности реализации этих принципов; 5) прогнозируются возможные значения характеристик и параметров объектов. Результатом научно-исследовательских работ являются формулировка ТЗ и ТП на разработку нового объекта.

Составляющие жизненного цикла «проектирование» называется внутренним проектированием или микропроектированием. Здесь определяются: 1) внутренняя структура системы; 2) технические решения её подсистем и элементов; 3) основные качественные количественные параметры; 4) режимы эксплуатации и др. Цель внутреннего проектирования состоит в разработки всей проектной документации для создания системы, которая удовлетворяет требованиям ТЗ и ТП, т. е. требованиям внешнего проектирования. Внутренние проектирование включает в себя следующие стадии: 1) эскизное или предварительное проектирование; 2) техническое проектирование; 3) рабочее проектирование.

На стадии эскизного или предварительного проектирования формируется техническая концепция основных параметров системы, обеспечивающих выполнение требований ТЗ, и уточняется ТЗ. На стадии технического проектирования принимаются подробные технические решения, прорабатываются все части проекта. На стадии рабочего проектирования уточняются параметры и характеристики системы, детально прорабатываются все технические решения, создаются полный комплект проектной документации, необходимой для создания системы.

1.2. Принципы, уровни и аспекты проектирования,
пути повышения его эффективности

Возможности проектирования сложных технических систем (сложных объектов) обусловлены использованием ряда принципов, основными из которых являются: 1) декомпозиция; 2) иерархичность; 3) многоэтапность; 4) типизация и унификация проектных решений, методологии и средств проектирования.

Принцип декомпозиции предполагает структуризацию (разбиение) представлений соответствующего уровня описания объекта на составные части с целью их раздельного проектирования с учетом согласования принимаемых решений.

Принцип иерархичности предполагает структуризацию представлений об объектах и их составных частях по степени конкретизации и детализации описания с целью последовательного наращивания сложности описания объекта в сочетании с декомпозицией.

Разделение описаний по степени детализации отображаемых свойств и характеристик объекта лежит в основе блочно-иерархического подхода к проектированию и приводит к появлению иерархических уровней (уровней абстрагирования) в представлениях о проектируемом объекте (рис. 2). На каждом иерархическом уровне используются свои понятия системы и элементов. На уровне I (верхнем уровне) подлежащий проектированию сложный объект S рассматривается как система из n взаимосвязанных и взаимодействующих элементов S_i, где i = 1, 2,…, n. Каждый из элементов в описании уровня I представляет собой также довольно сложный объект, который, в свою очередь, рассматривается на уровне II как система, состоящая из m_i взаимосвязаных и взаимодействующих элементов S_ij,где j =1,2,…, m_i (m_i – количество элементов в описании системы S_i). Как правило, выделение элементов S_ij происходит по функциональному признаку. Подобное разделение продолжается вплоть до получения на некотором уровне элементов, описания которых дальнейшему делению не подлежит. Такие элементы по отношению к объекту S называют базовым элементами.

Принцип многоэтапности обусловливается тем, что процесс проектирования во времени в соответствии со степенью конкретизации описаний и готовности проектных решений подразделяется на стадии, этапы, проектные процедуры и операции.

Принцип итерационности проектирования заключается в том, что при разработке сложных объектов в условиях многоэтапного иерархического проектирования выработать рациональные проектные решения путём однократного прохождения необходимых этапов и уровней удаётся далёко не всегда. Поэтому чаще всего проектирование ведут как итерационный процесс с возвратом к предшествующим этапам и уровням.

Принцип типизации и унификации проектных решений, методологии и средств проектирования осуществляется с целью улучшения технико-экономических показателей объектов, сокращения трудоёмкости и сроков проектирования. Типизация проектных решений целесообразна при их многократном использовании, она предполагает отбор ограниченного количества проектных решений, которые можно применять в широком диапазоне изменения параметров внешней среды. Унификация методологии проектирования предполагает выбор и разработку методов и методик, обеспечивающих достаточно эффективное проектирование объектов соответствующего класса (группы). Унификация средств проектирования предполагает разработку проектных процедур и операций, выполняемых непосредственно проектировщиком, либо с использованием технических и программных средств, для ведения проектирования объектов соответствующего класса (группы).

Кроме расчленения описаний по степени подробности отражения свойств объекта, порождающего иерархические уровни, используют декомпозицию описаний по характеру отображаемых свойств объекта. Такая декомпозиция приводит к появлению ряда аспектов описаний. Наиболее крупными являются функциональный, конструкторский и технологический аспекты. Решение задач, связанных с преобразованием или получением описаний, относящихся к этим аспектам, называют соответственно функциональным, конструкторским и технологическим проектированием.

Функциональный аспект связан с отображением основных принципов функционирования, характера физических и информационных процессов, протекающих в объектах, и находит выражение в принципиальных, функциональных, структурных, кинематических схемах и сопровождающих их документах.

Конструкторский аспект связан с реализацией результатов функционального проектирования, т.е. с определением геометрических форм объектов и их взаимным расположением в пространстве.

Технологический аспект относится к реализации результатов конструкторского проектирования, т.е. связан с описанием методов и средств создания объектов.

Существуют следующие пути повышения эффективности и рационализации процесса проектирования: типизация, оптимизация, автоматизация. Типизация заключается в многократном использовании при проектировании сложных объектов типовых проектных решений, что позволяет значительно повысить производительность и сократить трудоемкость и сроки проектирования. Оптимизация предполагает принятие таких решений, которые в наибольшей степени соответствуют требованиям, являющимся критериальными, и удовлетворяют требования, используемые в качестве ограничений. Автоматизация проектных работ, это внедрение автоматизированного проектирования, при котором отдельные преобразования описаний объекта и алгоритма его функционирования или алгоритма процесса, а также представления описаний на различных языках осуществляются взаимодействием человека и ЭВМ.

1.3. Структура и составные части процесса проектирования.
Нисходящее и восходящее проектирование

Процесс проектирования как процесс, развивающийся во времени и пространстве, расчленяется на стадии, этапы, проектные процедуры и операции. При проектировании СТС выделяют стадии: предпроектных исследований, технического задания, технического предложения, эскизного (предварительного) проектирования, технического проектирования, рабочего проектирования.

На стадиях предпроектных исследований, технического задания и технического предложения на основании изучения потребностей общества в получении новых систем, научно-технических достижений в данной и смежной отраслях промышленности, имеющихся ресурсов определяют назначение, основные принципы построения технического объекта и формулируют техническое задание на проектирование. На стадии эскизного (предварительного) проектирования проверяется корректность и реализуемость основных принципов и положений, определяющих функционирование будущего объекта. На стадии технического проектирования выполняется всесторонняя проработка всех частей проекта, конкретизируются и детализируются технические решения. На стадии рабочего проектирования формируется вся необходимая документация для создания системы.

Этап проектирования – часть процесса проектирования, включающая в себя формирование всех требующихся описаний объекта, относящихся к одному или нескольким иерархическим уровням и аспектам. Часто название этапов совпадает с названиями соответствующих иерархических уровней и аспектов.

Проектная процедура – часть этапа, выполнение которой заканчивается получением проектного решения. Каждой проектной процедуре соответствует некоторая задача проектирования, решаемая в рамках данной процедуры.

Действие или формализованная совокупность действий, составляющих часть проектной процедуры, алгоритм которых остается неизменным для ряда проектных процедур называется проектной операцией. Соответственно проектная процедура, алгоритм которой остается неизменным для различных объектов проектирования или различных стадий проектирования одного и того же объекта, называется унифицированной проектной процедурой.

Если процесс проектирования построен так, что решение задач высоких иерархических уровней предшествует решению задач более низких иерархических уровней, то проектирование называют нисходящим. Если раньше выполняются этапы, связанные с низшими иерархическими уровнями, проектирование называют восходящим.

У каждого из этих двух видов проектирования имеются преимущества и недостатки. При нисходящем проектировании система разрабатывается в условиях, когда ее элементы еще не определены и, следовательно, сведения об их возможностях и свойствах носят предположительный характер. При восходящем проектировании, наоборот, элементы проектируются раньше системы и, следовательно, предположительный характер имеют свойства самой системы. В обоих случаях из-за отсутствия исчерпывающей исходной информации имеют место отклонения от потенциально возможных оптимальных технических результатов. Подобные отклонения неизбежны при блочно-иерархическом подходе, хотя альтернативы блочно-иерархическому подходу при проектировании сложных систем не существует.