Основные принципы методологии проектирования

Под методологией проектирования понимают учение о структуре, логической организации, методах и средствах поиска и принятия решений, о принципе действия и составе еще не функционирующего объекта, составление описания для его создания в заданных условиях.

Основными задачами методологии проектирования следует считать построение логической схемы последовательности действий по организации процесса проектирования, разработку математических моделей, методов и алгоритмов выполнения проектных процедур и операций. Кроме этого важным является выбор стадий разработки объекта проектирования, который должен быть гибким и устанавливаться обоснованно.

Если, например, при проектировании не предусмотреть выполнение работ, относящихся к этапу технического предложения, т.е. технического и технико-экономического обоснования целесообразности проектирования, выбора различных вариантов возможных решений, сравнительной оценки решений, то это может привести к тому, что в основу разработки будет принято не лучшее техническое решение.

С другой стороны, излишняя стадийность приводит к перерасходу времени и трудовых ресурсов.

Проектируемая система на каждом этапе разработки получает описание на языке признаков, составляющее некоторое пространство. Область этого пространства признаков на очередном этапе сужается при конкретизации описания структуры элементов объекта и их параметров. Описание объекта проектирования идет от "компактного" на этапах верхнего уровня процедурной модели до развернутого на нижних - этот процесс называется стратифицированным.

Разработка математической модели объекта проектирования является обязательным условием для использования ЭВМ.

Управляющие воздействия (переменные, выбранные проектировщиком) и параметры рассматриваемой задачи с выходными переменными (зависящими от выбранных управляющих воздействий) связаны между собой множеством соотношений.

Описание объекта проектирования в форме математической модели должно содержать следующие компоненты :

P цель функционирования;

P множество элементов, образующих систему;

P множество моментов времени;

P множество признаков, характеризующих систему на всех этапах функционирования ( жизненного цикла);

P множество признаков, характеризующих элементы на всех этапах жизненного цикла;

P множество состояний элементов в рассматриваемый промежуток времени;

P правило упорядочения смены состояний в ходе достижения цели;

P множество связей между всеми элементами системы;

P математические схемы (правило), описывающие отношения между признаками элементов и признаками систем;

Система будет представлена, если определены все перечисленные множества и правила.

Использование графов системы - один из лучших способов показать множество целей, признаков и элементов. Множество состояний описывает определенный набор значений признаков системы, подсистемы или элементов в момент времени.

Система за рассматриваемый отрезок времени несколько раз переходит из одного состояния в другое.

Из теории вероятности известно, что операция определена, если известны для нее начальное состояние, конечное состояние, порядок изменения состояний системы. Состояния системы могут быть описаны дифференциальными уравнениями, булевыми функциями, функциями предикат, марковскими цепями.

Для достижения общей цели проектирования рассматривают связи взаимодействия элементов, которые соединяют элементы и признаки в целое и в первую очередь определяет те связи, которые по заданным правилам устанавливают процесс взаимодействия между элементами.

Известны следующие аксиомы:

1. Взаимодействие между элементами (подсистемами) осуществляется по отдельным признакам и конкретная связь выполняется только по одноименным признакам.

2. Между средствами ( элементами, подсистемами, системами) имеется связь, если:

а) они обладают хотя бы одним одинаковым признаком;

б) признаки имеют одинаковое значение или изменение признака одного элемента ведет к изменению признака другого.

Математические модели объекта, дающие представление об идее его технического решения называют концептуальным, включают множество целей и признаков, характеризующих объект в целом на всех этапах жизненного цикла.

Математические модели, описывающие функционирование объекта называют функциональными, содержат множество признаков, устанавливающих взаимодействие системы со средой, правило упорядочения смены состояний в ходе достижения цели.

Математические модели, описывающие структуру называют структурными и включает множество элементов, составляющих систем; множество признаков, характеризующих элементы на всех этапах жизненного цикла; множество связей между всеми элементами системы.

Динамическое описание использует математические модели, учитывающие множество признаков, определяющих взаимодействие системы со средой, множество моментов времени и математические схемы, описывающие отношения между признаками элементов и признаками системы.

Рассмотренные модели и описания объекта проектирования для каждого этапа проектирования необходимо конкретизировать (например, для технического задания, технического предложения и т.д.).

Технический объект целесообразно проектировать в том случае, когда затраты на проектирование, подготовку производства и изготовление окупаются в установленный срок и приносят положительный народнохозяйственный эффект.

Проектируемый объект должен учитывать так называемые факторы окружения: окружающую среду, научно - техническую, экономическую и социальную ситуации.

Рассматривая каждый фактор как объект прогнозирования необходимо использовать для него наиболее приемлемый метод прогнозирования.

В зависимости от классификационных признаков объекта подбирается соответствующий метод прогнозирования.

Классификация осуществляется по шести признакам:

1. По природе объекта прогнозирования:

а) научно-технические;

б) технико-экономические;

в) социально-экономические;

г) естественно-природные.

2.По масштабности объекта, зависящей от числа переменных, составляющих полное описание объекта:

а) сублокальные - число переменных от 1 до 3 (рабочее место);

б) локальные - число переменных от 4 до 14 (несложное техническое устройство);

в) субглобальные - число переменных составляет 15...... 5 (цех и т.д.);

г) глобальные - число переменных от 36 до 100 (например, техническая система и т.д.);

д) суперглобальные - с числом переменных свыше 100 (крупное предприятие, например, комплекс сельскохозяйственного назначения, отрасль).

3.По степени взаимозаменяемости значащих переменных в их описании:

а) сверхпростые (объекты с отсутствием взаимосвязей между переменными);

б) простые (имеются парные связи в описании объектов);

в) сложные (помимо парных связей имеются и множественные связи);

г) сверхсложные (учитываются взаимосвязи всех значащих переменных);

4.По степени детерминированности:

а) детерминированные (при описании объектов случайная составляющая несущественна);

б) стохастические (необходим учет случайных величин);

в) случайные (наличие как детерминированных, так и стохастических характеристик);

5.Развитие во времени:

а) дискретные ( изменение характеристик скачкообразно);

б) апериодические ( изменение характеристик в виде апериодической непрерывной функции);

в) циклические ( изменение характеристик в виде периодической непрерывной функции);

6.Информационная обеспеченность:

а) объекты с достаточной информацией;

б) объекты с недостаточной количественной информацией;

в) объекты только с качественной информацией;

г) объекты без информации;

В настоящее время в нашей стране и за рубежом существует более ста методов прогнозирования при проектировании систем, однозначного предложения по использованию какого-то метода не имеется.

При прогнозировании рекомендуется сначала определить позиции, относящиеся к объекту по всем классификационным признакам, потом уже подобрать метод, охватывающий по возможности наибольшее число характеризующих объект позиций.

Среди множества методов прогнозирования определенную часть объединяет инженерное прогнозирование. Оно использует информацию, имеющуюся в законченных проектных и научно-исследовательских разработках.

Инженерное прогнозирование - это научно-обоснованная информация, отражающая в вероятностной форме потенциальные возможности развития техники. С его помощью можно ответить на следующие вопросы: какие направления станут лидирующими в области техники; каковы возможные пропорции среди конкурирующих направлений; и др.

При инженерном прогнозировании используются наиболее универсальные методы, например, коллективный экспертный опрос, экстраполяция, морфологический анализ.

Экспертные методы основаны на обработке мнений специалистов.

Экстраполяционные методы прогнозирования используются для ситуаций, медленно изменяющихся во времени и основаны на переносе событий и состояний из прошлого в будущее.

Морфологический метод дает возможность предсказать преимущественное развитие объекта или целого технического направления, применим как для медленно изменяющихся ситуаций ( эволюционное развитие), так и к качественным изменениям.

При экстраполяционном методе встречаются две задачи - статическая и динамическая. Прогнозирование изменения главного признака (параметра) с учетом изменения факторов исследуемого объекта достигается решением статической задачи.

При морфологическом анализе в инженерном прогнозировании сравнение конкурирующих объектов (систем) производится по ряду характеристик, имеющих определенный вес. Для точности прогнозирования весьма важным является определение веса характеристик, который может быть установлен, например, на основе опроса экспертов. Эксперты рассматривают перечень характеристик и определяют их вес, а для обработки полученных данных используют статические методы. Вычисляется степень совпадения мнений прогнозиста и каждого эксперта.

Это дает возможность установить некоторые показатели, по которым принимаются решения о перспективности объекта (системы).