Понятие проектирования, синтеза, анализа, принятия решения

Проектирование занимает особое место в ряду других видов научно-технической деятельности человека. Не прекращаются дискуссии о том, является ли проектирование искусством, наукой или это просто раздел математики. Говоря о характере действий в процессе проектирования, большинство авторов считает, что в проектировании единым образом пересекаются наука и искусство, математика и творчество.

Существует множество определений проектирования. Главным в большинстве из них является разнообразие выделяемых составных частей процесса. Но если определять проектирование через конечный результат, то многие из них сходятся в указании конечной цели проектирования. А именно, цель проектирования - положить начало изменениям в окружающей человека искусственной среде. Очевидно, что речь идет о технической искусственной среде и, соответственно, об инженерном проектировании; в отличии от проектирования одежды, интерьеров и т.д..

Проектированием называется вид деятельности человека по решению технических задач, который научно обоснован и учитывает потребности общества при реализации результата.

В определении проектирования существенны несколько факторов. Первый - техническая направленность действия. Значит результатами проектирования являются новые устройства, системы или процессы. Второй - решение должно быть научно обоснованным, т.е. требует применения специальных знаний. Третий фактор заключается в том, что создается не любое новое, а только то, что приносит обществу определенную пользу, удовлетворяет какие-то потребности или нужды. Исходя из определения, понятие проектирования в данном случае применимо только к техническим системам и в дальнейшем системы, о которых в курсе будет идти речь - это технические системы. Но главным, пожалуй, является то, что проектирование, по определению, - вид деятельности именно человека. Следовательно, по характеру проектная деятельность должна быть в определенной степени творческой.

Но в определении однозначно не устанавливается соотношение между творчеством (искусством) и строго логическими подходами при проектировании ТС.

Одни исследователи считают, что проектирование ближе к творческому, чем к регламентированному процессу, другие - что проектирование - только творческий, изобретательский этап. Третьи полагают, что творчество в технике имеет в основе некоторые стандартные процедуры и формальные структуры, поэтому возможно использование строгих научных теорий, например, теории систем. Иные считают, что проектирование - это область математики. Так или иначе, любые формализованные модели проектирования должны рассматриваться как подходы к алгоритмизации творчества.

Вопрос о соотношении творчества и формализации при проектировании имеет весьма важный практический смысл. Например, по мнению некоторых ученых, только 10 … 20 % объема работ по проектированию конструкций некоторых видов ЭС требует высококвалифицированных специалистов. Основная же часть работ может быть формализована и передана ЭВМ. Очевидно, что при условии получения высокого качества автоматизированного решения, процесс проектирования в таком случае становится эффективным. Поэтому необходимо определить возможности использования интуитивно-эвристических и формализованных подходов при проектировании.

В учебных целях необходимо только помнить, что общая особенность проектирования, как вида человеческой деятельности, состоит в сочетании научных (формализуемых) и интуитивно-эвристических, творческих действий.

Для ответа на вопрос о соотношении творчества и формализации при проектировании ТС необходимо рассмотреть различные представления о проектировании и сформулировать систему взглядов - концепцию, которая, по возможности, включала бы в себя, наиболее существенные знания о проектировании.

В настоящее время в теории и практике имеют хождения несколько пониманий (представлений, моделей) сложного понятия "проектирование":

1) объектная или системная модель - представляющая собой совокупность взаимосвязанных объектов, так или иначе участвующих в процессе проектирования и определяющих его результат;

2) организационная модель - представляющая собой совокупность мероприятий и факторов, так или иначе поддерживающих процесс проектирования;

3) содержательная - представляющая перечень и последовательность конкретных задач и необходимых действий при проектировании конкретного объекта;

4) семантическая - выявляющая характер и смысл выполняемых действий (содержательную модель можно рассматривать как развитие семантической модели; однако, есть смысл выделить и исследовать ее отдельно в силу ряда существенных отличий последней).

Краткий анализ начнем с рассмотрения системной (объектной) модели. Можно указать, что всегда в процессе проектирования самым активным образом участвуют следующие основные элементы: объект проектирования, коллектив разработчиков, совокупность средств, проектирования. Причем, в настоящее время из множества средств существенно выделяются два элемента: методы и системы автоматизированного проектирования (САПР).

Рис.2.11. Объектная (системная) модель проектирования.

Есть еще один важный элемент, оказывающий влияние на все перечисленные - некоторая "среда" действия. В сущности, это и есть сегодняшнее представление о проектировании ЭС, наши знания о нем, инженерное мировоззрение специалистов-проектировщиков ЭС.

Указанная модель дает возможность ответить на ряд вопросов. Например, что нужно учитывать для улучшения результата проектирования, а также каковы основные направления работ по созданию общей методологии конструирования ЭС. Из рассмотрения системной модели проектирования становится ясной необходимость исследования, как самих объектов, так и взаимных связей в системе, т.е. отношений типа "метод-объект", "разработчики-САПР", "объект-САПР", "метод разработчики", "объект разработчики".

Под организационной моделью понимается совокупность отдельных организационных мероприятий, документов, норм, средств и т.д., с помощью которых так или иначе, поддерживается и выполняется проектирование коллективом разработчиков.

Простейшее представление об организационной модели можно составить из рис. 2.12.

 

Рис. 2.12. Организационная модель проектирования.

Для анализа можно поделить все элементы этой модели на две группы:

- элементы, составляющие, условно говоря, "конструкторское бюро"; представление о том, что такое КБ имеет каждый практик;

- элементы, которые отнесены к "внешней среде"; они представляют собой средства, ограничения, условия и т.д. для выполнения разработки. Важнейшими элементами "среды" являются литературные источники, нормативные документы, по которым ведется разработка (ГОСТы, ОСТы, нормали, и т.д.), фонды, трудоресурсы, материалы, полуфабрикаты, энергия.

Основные выводы, следующие из рассмотрения данной модели:

1) для повышения эффективности проектирования необходимо соответствующим образом организовать процесс, другими словами - оптимизировать организацию проектирования;

2) в различных условиях (например, при изменении тематики или при новом объекте проектирования и т.д.) организационная система проектирования должна, в общем случае, изменяться;

3) практически оптимизация оргмодели в реальной практике не происходит; например, часто ли структура и состав КБ меняется при изменении тематики разработки.

Поскольку данная модель все-таки не является определяющей для методологии проектирования, ограничимся при ее описании уже сказанным.

Следующее представление о проектировании является наиболее распространенным. Под содержательной (процедурной) моделью проектирования понимается перечень и последовательность конкретных задач и необходимых действий по их решению (процедур) при проектировании конкретных объектов. Говоря о настоящем представлении (модели) проектирования необходимо подчеркнуть, что, поскольку формулировка и решение конкретной задачи - творческий процесс, постольку единой содержательной модели, инвариантной к различным ситуациям, существовать не должно. Речь о такой модели можно вести только для конкретных или типовых случаев проектирования.

 

Рис. 2.13. Содержательная модель проектирования.

Следует иметь в виду, что некоторые задачи приходится решать повторно в ходе проектирования, т.е. процесс имеет возвратные процедуры и не является строго последовательным.

Общими выводами по трем известным моделям являются следующие:

1) две первые модели слишком абстрактны, недостаточно конструктивны и не могут быть непосредственно использованы для инженерной практики;

2) очень важна содержательная модель в силу своей конкретности - вся практика проектирования строится, используя именно такое представление о проектировании. Существенным недостатком ее является то, что каждый раз приходится выстраивать свою модель. Указанный недостаток является продолжением основного достоинства модели - ее конкретности. Таким образом, возникает необходимость разработки такой модели, которая по возможности совмещала бы достоинства указанных моделей и не имела бы их недостатков.

Определим проектирование с иных позиций: а именно, рассмотрим смысл и характер выполняемых действий, т.е. установим сущность процесса проектирования и сформулируем общее (теоретическое) представление о проектировании.

Анализ различных описаний процессов решения технических задач позволяет говорить о присущих им определенных общих чертах. Общее в процессах проектирования любого объекта состоит в неоднократно возникающих действиях синтеза, анализа и принятия решения.

Рис. 2.14. Обобщённая (семантическая) модель проектирования.

Здесь и в дальнейшем под синтезом понимается один из характерных видов деятельности в процессе проектирования, заключающийся в получении, генерации одного или нескольких вариантов (моделей) решения.

На рис.2.15 и в таблице к рисунку дается толкование действий синтеза, анализа и принятия решения на примере рассмотрения некоторой системы при входном воздействии на нее и наличии реакции системы.

Рис. 2.15. Понятие действий анализа, синтеза и принятия решения.

Полученное при синтезе в виде некоторой модели решение потом анализируется. При этом устанавливаются выходные характеристики объекта. В процессе принятия решения по результатам анализа либо фиксируется окончательная альтернатива и действия заканчиваются, либо процедуры проектирования продолжаются в виде повторных действий анализа или синтеза.

ПРИМЕР 1. Синтез: разработка печатной платы (ПП) - установка навесных элементов на плату, определение формы, конфигурации и размеров печатных проводников между элементами.

ПРИМЕР 2. Анализ: расчет надежности (вероятности безотказной работы за определенный период) конструкции ПП ЭС.

ПРИМЕР 3. Принятие решения: после этапов 1 и 2 получили, что Р_расч > Р_треб. Что делать? Варианты решений: изменить решение (повторный синтез ПП), перепроверка анализа, оставить решение без сомнений.

Приведенное представление о процессе проектирования позволяет сделать вывод о чрезвычайной важности качества решения задачи синтеза. Ошибки, заложенные на этапе синтеза, невозможно полностью исправить на последующих этапах без повторного синтеза и они неизбежно будут присутствовать в окончательном решении. Следовательно, качество проектирования во многом определяется качеством синтеза вариантов.

По мнению большинства специалистов подтверждаемому всей практикой, процедуры анализа могут быть принципиально выполнены с помощью строго формализуемых операций. Действия же синтеза, в общем случае, требуют обязательного творческого участия человека и не формализуемы. Принятие решения в простейших ситуациях может осуществляться формализовано, однако в общем случае также требуется творчество человека. Следовательно, проектирование, как вид целенаправленной деятельности, состоит из многократно повторяющихся действий синтеза, анализа и принятия решения, по характеру является творческим, и должно выполняться с участием человека.

В связи со сказанным, процесс проектирования конструкций даже иногда определяют как "многошаговый синтез через анализ с принятием решений в условиях неопределенности".

Последнее представление о проектировании позволяет сделать ряд выводов:

1) модель проектирования, в виде повторяющихся действий синтеза, анализа и принятия решений - теоретическая, инвариантная к различным постановкам задач;

2) однозначно решен вопрос о причинах творческого характера действий проектирования из-за наличия действий синтеза и принятия решений;

3) наметилось распределение ролей между ЭВМ и человеком: человек с его творческими возможностями необходим в процессе проектирования при решении задач синтеза и принятия решений.

Для того чтобы строго установить роль человека-творца и логики (роль формализации и ЭВМ) в процессе проектирования, необходимо, учесть, еще, тот, факт, что, задача, синтеза не всегда требует участия человека для ее решения. В настоящее время считается, что "не очень сложные" задачи синтеза могут быть решены формализовано. Далее есть смысл выявить различные классы задач проектирования ТС, с точки зрения необходимости участия человека в процессе проектирования.