Сущность процесса проектирования - Методология создания сложных технологических систем

Сущность процесса Проектирования заключается в разработке конструкций и технологических процессов производства новых изделий, которые должны с минимальными затратами и максимальной эффективностью выполнять предписанные им функции в требуемых условиях.

Проектирование любого технического объекта -- создание, преобразование и представление в принятой форме образа этого еще не существующего объекта. Образ объекта или его составных частей может создаваться в воображении человека в результате творческого процесса или генерироваться в соответствии с некоторыми алгоритмами в процессе взаимодействия человека и ЭВМ. В любом случае инженерное Проектирование начинается при наличии выраженной потребности общества в некоторых технических объектах, которыми могут быть объекты производства, промышленные изделия или процессы. Проектирование включает в себя разработку технического предложения и (или) технического задания (ТЗ), отражающих эти потребности, и реализацию ТЗ в виде проектной документации.

Обычно ТЗ представляют в виде некоторых документов, и оно является Исходным (первичным) описанием объекта. Результатом Проектирования, как правило, служит полный комплект документации, содержащий достаточные сведения для изготовления объекта в заданных условиях. Эта документация и есть Проект, точнее Окончательное описание объекта. Следовательно, Проектирование -- процесс, заключающийся в получении и преобразовании исходного описания объекта в окончательное описание на основе выполнения комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского характеров.

Проектирование сложных объектов основано на применении идей и принципов, изложенных в ряде теорий и подходов. Наиболее общим подходом является системный подход, идеями которого пронизаны различные методики Проектирования сложных систем. В результате Проектирования создаются новые, более совершенные РЭС, отличающиеся от своих аналогов и прототипов более высокой эффективностью за счет использования новых физических явлений и принципов функционирования, более совершенной элементной базы и структуры, улучшенных конструкций и прогрессивных технологических процессов.

По Степени новизны проектируемых изделий различают следующие задачи Проектирования:

    - частичная модернизация существующего объекта (изменение его параметров, структуры и конструкции), обеспечивающая сравнительно небольшое (несколько десятков процентов) улучшение одного или нескольких показателей качества для оптимального решения тех же или новых задач; - существенная модернизация, которая предполагает значительное улучшение (в несколько раз) показателей качества; - создание новых изделий, основанных на новых принципах действия, конструирования и производства для резкого увеличения (на несколько порядков) показателей качества при решении тех же или существенно новых задач.

Проектирование является сложным многоэтапным процессом, в котором могут принимать участие большие коллективы специалистов, целые институты и научно-производственные объединения, а также организации заказчиков, которым предстоит эксплуатировать разработанную аппаратуру.

С точки зрения Последовательности выполнения различают основные Стадии проектирования:

    - Предварительное Проектирование, результатом которого являются технические предложения (аван-проект). Эта стадия в наибольшей степени насыщена элементами научного поиска, теоретическими расчетами, экспериментальными исследованиями. Они завершаются обычно созданием лабораторных макетов; - Эскизное Проектирование, результатом которого является эскизный проект. На этой стадии усилия разработчиков во многом направлены на поиски эффективных конструкторских решений. Она также связана с большим объемом теоретических изысканий, сложных расчетов и заканчивается созданием экспериментального образца проектируемого изделия и его тщательными экспериментальными исследованиями; - Техническое Проектирование, при котором выполняется тщательная проработка всех схемных, конструкторских и технологических решений. На стадии технического Проектирования создается техническая документация на разрабатываемую аппаратуру и процессы ее производства. Итогом являются Технический проект, содержащий необходимую документацию, и опытный образец изделий, прошедший всесторонние испытания в реальных условиях эксплуатации.

Создание технической документации, на основе которой происходит в дальнейшем единичное, серийное или массовое производство изделий -- это особенно трудоемкий процесс.

С точки зрения Содержания решаемых задач процесс Проектирования разбивают на следующие Этапы:

    - Системотехническое Проектирование, при котором выбираются и формулируются цели Проектирования, обосновываются исходные данные и определяются принципы построения системы. При этом формируется структура проектируемого объекта, его составных частей, которыми обычно являются функционально завершенные блоки, определяются энергетические и информационные связи между составными частями. В результате формируются и формулируются частные технические задания на Проектирование отдельных составных частей объекта; - Функциональное Проектирование, которое имеет целью реализацию составных частей системы (комплексов, устройств, узлов). При этом выбирают структуру объекта, оптимизируют параметры (осуществляют структурный и Параметрический синтез) с точки зрения обеспечения наилучшего функционирования и эффективного производства. При выборе структуры объекта и его параметров стремятся учитывать конструкторско-технологические требования; - Конструирование, называемое также техническим Проектированием, решает задачи компоновки изделия и размещения элементов и узлов. При этом стремятся оптимизировать принимаемые решения по конструктивно-технологическим, экономическим и эксплуатационным показателям. На этом Этапе проектирования разрабатывают техническую документацию, необходимую для изготовления и эксплуатации изделия; - Технологическая подготовка производства обеспечивает разработку технологических процессов изготовления отдельных блоков и всей системы в целом. На этом Этапе проектирования создается технологическая документация на основе предшествующих результатов. Каждый Этап проектирования сводится к Формированию описаний проектируемого изделия, относящихся к различным иерархическим уровням и аспектам его создания и работы.

Этапы проектирования состоят из отдельных Проектных процедур, которые заканчиваются Частным проектным решением. Типичными для Проектирования изделий процедурами являются Анализ и Синтез описаний различных уровней и аспектов.

Процедура Анализа состоит в определении свойств заданного (или выбранного) описания. Примерами такой процедуры могут служить расчет прочностных характеристик. Анализ позволяет оценить степень удовлетворения проектного решения заданным требованиям и его пригодность.

Процедура Синтеза заключается в создании проектного решения (описания) по заданным требованиям, свойствам и ограничениям. При этом в процессе Синтеза может создаваться структура объекта (Структурный синтез) либо определяться параметры составных частей, обеспечивающие требуемые характеристики (Параметрический синтез).

Процедуры Анализа и Синтеза в процессе Проектирования тесно связаны между собой, поскольку обе они направлены на создание приемлемого или оптимального проектного решения.

Типичной Проектной процедурой является Оптимизация, которая приводит к оптимальному (по определенному Критерию) проектному решению. Процедура оптимизации состоит в многократном Анализе при целевом изменении параметров до удовлетворительного приближения к заданным характеристикам. Оптимизация обеспечивает создание (Синтез) проектного решения, но включает поэтапную оценку характеристик (Анализ).

Проектные процедуры состоят из отдельных Проектных операций. Например, в процессе Анализа математических моделей приходится решать дифференциальные и алгебраические уравнения, осуществлять операции с матрицами. Такие операции могут иметь обособленный характер, но в целом они образуют единую Проектную процедуру.

Проектные процедуры и операции выполняются в определенной последовательности, называемой Маршрутом проектирования.

Маршруты проектирования могут начинаться с нижних иерархических уровней описаний (восходящее Проектирование) либо с верхних (нисходящее Проектирование).

Между всеми Этапами проектирования существует глубокая взаимосвязь. Так, определение окончательной конструкции и разработка всей технической документации часто не могут быть выполнены до окончания разработки технологии. В процессе конструирования и разработки технологии может потребоваться коррекция структуры системы и даже исходных данных. Поэтому процесс Проектирования является не только многоэтапным, но и многократно корректируемым по мере его выполнения, т. е. Проектирование носит итерационный характер.

В процессе Проектирования необходимо не просто создать изделие, которое будет обеспечивать заданное функционирование, но и оптимизировать его по широкому спектру функциональных, конструкторско-технологических, эксплуатационных и экономических показателей. На отдельных этапах для отдельных частных задач оптимизацию можно осуществить на основе разработанных формальных математических методов. Однако применительно ко всему изделию задача оптимизации часто не поддается формализации. Встречаясь с такой ситуацией, разработчики обычно рассматривают несколько вариантов решения поставленной задачи, подсказанных, как правило, предшествующим коллективным опытом, интуицией, и выбирают лучший из них. Такой подход называется эвристическим многовариантным анализом. Однако в связи с все возрастающей сложностью объектов проектирования, с повышением требований к ним необходимые расчеты оказываются все более трудоемкими, а количество вариантов, целесообразных для рассмотрения, постоянно возрастает. Эта ситуация получила название "тирания альтернатив".

Часто на Этапе проектирования трудно было предвидеть некоторые требования, вытекающие из условий эксплуатации. В результате всего этого создание нового объекта затягивалось на долгие годы. Представляемые к испытаниям опытные образцы часто оказывались не удовлетворяющими заданным требованиям, а доводка изделия происходила в процессе испытаний, что удорожало Проектирование во много раз.

Подобное положение не было виной разработчиков. Это результат возникшего принципиального несоответствия традиционного подхода к Проектированию и сложности современных технических объектов. Указанное противоречие и вызвало интенсивное развитие новой технологии Проектирования.

Такое развитие базируется на системном подходе и совершенствовании процессов Проектирования с применением математических методов и средств вычислительной техники, комплексной автоматизации трудоемких и рутинных проектных работ, замены макетирования и натурного моделирования математическим моделированием, использованием эффективных методов многовариантного Проектирования и оптимизации, а также повышением качества управления Проектированием.

Похожие статьи




Сущность процесса проектирования - Методология создания сложных технологических систем

Предыдущая | Следующая