Уровни сложности проектных задач

Вопрос об установлении объективной меры оценки сложности различных задач проектирования не прост. В настоящем случае будем исходить из введенных ранее системных представлений об объектах проектирования и установленных видах деятельности в процессе проектирования.

Поскольку объектом проектирования является техническая система S, то значит, задача проектировщиков в общем случае состоит в определении принципа действия П технической системы совокупности элементов Г системы, структуры µ и параметров Е отношений R, объединяющих элементы Г в единое целое, т.е. S={Г, R}={Г,µ,Е}.

Однако, в отдельных задачах проектирования могут быть априорно известны некоторые сведения о будущей системе. Именно из объема и содержания априорного знания о требуемой системе можно и нужно исходить, оценивая сложность той или иной задачи проектирования.

Реально существует три типа задач проектирования технических систем различной сложности.

1) Проектирование технической системы S, требующее предварительного поиска наиболее эффективного физического принципа П действия для конкретных условий и ограничений.

Очевидно, что задачи первого типа являются наиболее сложными, поскольку предварительное знание о будущей технической системе полностью отсутствует.

Обычно задачи этого типа возникают в связи с открытием новых физических явлений, которые подталкивают к разработке совершенно новых технических систем.

При проектировании технической системы S в подобных случаях, кроме поиска физического принципа П, надлежит определить элементы Г, структуру µ и множество параметров Е для отношений R, объединяющих элементы Г между собой.

2) Тесно связана с предыдущей группа задач проектирования систем при априорном указании принципа действия и отсутствии каких-либо дополнительных данных о будущем объекте.

Задачи второго типа менее сложные, нежели первого; и по содержанию сводятся к определению элементов Г, структуры µ, множества параметров Е для отношений R, объединяющих элементы Г в единую систему S.

3) Третий класс задач проектирования характеризуется тем, что априорно известны принципы П и состав элементов Г системы S. Процесс проектирования сводится к поиску структуры µ и определению совокупности параметров Е системы S.

Практически часто встречается постановка задачи, когда структура µ задана в виде набора возможных вариантов, т.е. третий тип задач можно разделить на два подкласса:

3а) - структура неизвестна;

3б) - структура задана набором вариантов.

ПРИМЕР 1. Проектирование печатного узла (ПУ).

Известно: принцип объединения элементов в ПУ, перечень элементов Г

узла и возможные пространственные схемы q₁ и q₂                объединения элементов.

Требуется: выбрать вариант схемы объединения и определить размерные

параметры Е взаимного положения всех элементов ПУ.

µ₁                                                                   µ₂

 

 

Рис. 2.16. Структуры ПУ.

4) Четвертый класс задач по содержанию представляет собой поиск значений параметров Е системы S с известными принципами П, перечнем элементов Г схемой (структурой) µ. Такие задачи наиболее просты.

ПРИМЕР 2. Проектирование конструкции печатного узла, причем элементы необходимо установить по рядам и столбцам.

Рис. 2.17. Печатная плата с элементами.

 

Известно: принцип действия П, перечень элементов Г, структура

пространственных связей µ_пр.

Необходимо найти: геометрическое положение каждого элемента - 

параметры пространственного расположения элементов.

Для оценки необходимости участия человека в процессе проектирования ТС, надо учесть современные представления о формализованном решении задач синтеза. Сейчас большинство специалистов считают, что строго формализовано получить объективное решение можно только при синтезе параметров Е системы S с известными принципами П, элементами Г и структурой µ. Такими задачами занимается область математики называемая параметрической оптимизацией.

Кроме того, возможно объективное (строгое,
 формализованное) решение задачи выбора варианта из множества заданных при наличии критерия выбора.

Таким образом, теперь можно оценить сложность любых задач проектирования и роль человека в процессе их решения.

Общим характерным свойством задач первого, второго и 3а типа является первоочередное участие в их решении человека-творца. Причиной этого является наличие этапа синтеза структуры µ системы S, который является сугубо творческим по характеру действия.

Ясно, что задачи типа 3б и четвертого типа являются наиболее простыми; по содержанию они представляют собой задачи определения неизвестных параметров Е системы.

Важной особенностью этих задач является потенциальная возможность формализации их решения и, следовательно, полной автоматизации. Причиной является отсутствие этапа синтеза структуры, который нельзя выполнить формализовано (действительно, известно, что задача размещения элементов на ПП решается автоматизированного на ЭВМ; см. пример 6).

Задачи проектирования четвертого типа можно условно отнести к задачам рационализаторским, т.е. к тем задачам, где требуется в почти готовом объекте изменить наилучшим, оптимальным образом размеры каких-либо элементов или расстояние между ними. Задачи четвертого типа называют задачами поиска оптимальных значений параметров заданных технических решений, в отличие от задач первых трех типов, которые называют задачами поиска оптимальных структур.

Итак, использование понятия системы дало возможность объективно оценить сложность различных проектных задач и роль человека в процессе проектирования.

Этапы жизни ЭС

Ранее, при обсуждении процесса проектирования ЭС было установлено, что конструирование ЭС является только частным случаем более общего понятия проектирования. А проектирование, в свою очередь, представляет этап (часть) более общего процесса "жизни ЭС". (рис. 2.18.)

 

Рис. 2.18. Этапы жизни ЭС.

Из рис. 2.18. видно, что ЭС проходит различные стадии: проектирование, производство, эксплуатация. На всех стадиях общество оказывает влияние (воздействие) на ЭС. Исходным моментом жизни ЭС t₀  является момент оформление обществом потребности в данном ЭС в виде формулировки технического задания. Далее следует этап проектирования ЭС, который заканчивается подготовкой конструкторской документации на изделие. Затем наступают этапы производства ЭС и ее эксплуатации. Завершается жизнь ЭС ее "смертью". Причем "смерть" может быть физической (полный износ) или моральной (т.е. теряет свою привлекательность для общества). Далее следует утилизация ЭС.

Влияние общества выражается в установлении, во-первых, определенных требований к ЭС на каждой из стадий, во-вторых, определенных ограничений (например, трудовых, материальных, энергетических и т.д.) на процессы проектирования, производства и эксплуатации. И, в третьих, общество, его научно-технический прогресс определяют во многом момент t₃ моральной смерти ЭС (за счет рождения нового, более современного ЭС, например).

Необходимость подобного рассмотрения жизни ЭС определяется требованием правильной оценки получаемого от ЭС эффекта. Т.к. каждый из этапов может быть, и действительно на практике так и происходит, оценен своими показателями, то в общем случае наиболее удачное решение на одном из этапов (оцененное по своим этапным показателям) может не быть лучшим с точки зрения других этапов и всего жизненного пути.

Оценивают жизнь ЭС следующими характеристиками:

1) К - качество ЭС, - способность ЭС удовлетворять потребностям общества по функционированию.

2) З - затраты общества на жизнь ЭС.

                              З = З_пр + З_пр-во + З_э,                                             (4)

где З_пр - затраты на этапе проектирования,

    З_пр-во - затраты на этапе производства,

З_э - затраты на этапе эксплуатации.

3) Т - задержка удовлетворения потребности общества в ЭС.

                                       Т = t₂- t₀,                                                (5)     

где t₂ - момент возникновения потребности в ЭС,

t₀ - момент начала эксплуатации ЭС.

                                       Т = Т_пр + Т_пр-во,                                      (6)

где Т_пр - время проектирования ЭС, Т = t₁ - t₀,

Т_пр-во - время производства ЭС, Т = t₂ - t₁.

Возможны и другие показатели оценки ЭС на всем жизненном пути. Наиболее общей оценкой является эффективность жизни ЭС - Э, которая учитывает сразу затраты З, и время Т, и качество К ЭС и другие свойства. Вопрос только в том, как связать эти показатели. Общего ответа на него сейчас нет. Тем не менее, ясно, что в общем случае необходимо оценивать Э множеством показателей, Э = {К, Т, З, …}.

ПРИМЕР. Одностороннее (неполное, несистемное) понимание эффективности. "Сказка о попе и его работнике Балде", А.С. Пушкин: "… Не гонялся бы ты, поп, за дешевизною …" - Попом в описанной ситуации не учтены другие "затратные" позиции, кроме финансовой.

Оценим последствия факта наличия ряда этапов в жизни каждого ЭС.

Особое состояние объекта на каждом из этапов требует специфических знаний о нем. Так общее, системное знание о ЭС распалось на ряд частных знаний (подсистем радиоэлектроники): - системотехника, - схемотехника, - конструирование, - технология ЭС. Учтем, что вместо ЭС можно с таким же успехом анализировать и совокупность ЭС - некоторую РТС. Следует подчеркнуть, что в указанном явлении есть положительные и отрицательные стороны. Один из отрицательных моментов состоит в ухудшении эффективности Э жизни ЭС. Устранить возникший недостаток можно, в частности, используя системный подход к проектированию ЭС.

Комплексный учет наличия различных этапов жизни ЭС, требований всех этапов - проектирования, изготовления и эксплуатации - является одним из проявлений системного подхода к проектированию ЭС.