Основы системного проектирования

Содержание

1. Понятие проектирования

2. Структура проектирования

3. Методология проектирования

4. Объекты проектирования

5. Управление проектированием

Литература

1. Понятие проектирования

И руководителю предприятия, и всем его сотрудникам в процессе выполнения своей работы приходится решать разного рода задачи. Эти задачи могут быть сложными и ответственными, требовать оригинальное решение. А могут быть простыми, уже имеющими решение в виде инструкций и алгоритмов. Но любая задача, поставленная перед человеком, является творческой, поскольку никогда заранее не известны все ее условия, абсолютно четко не определены цели, что приводит к появлению ряда решений и необходимости выбора одного из них. Поэтому от того, насколько грамотно мы сумеем решать задачи (в т.ч. производственные), будет зависеть эффективность результатов нашей деятельности.

Поиск оригинальных решений и идей в настоящее время ведется посредством применения эвристических методов (методов изобретательного творчества). Однако в случае производственной деятельности решение таких задач также включает подготовительные стадии, оформление и утверждение результатов, оценку эффективности и другие виды работ. Весь этот цикл взаимосвязанных и взаимообусловленных работ составляет проектирование.

Проектирование объединяет с творчеством направленность на создание качественно нового (слово «проектирование» происходит от лат. projectus, что буквально означает брошенный вперед), но это более общее понятие.

Существует много определений термина «проектирование». Но чаще всего под «проектированием» подразумевают практическую деятельность, направленную на удовлетворение новых потребностей людей. Конечным итогом проектной деятельности является проект, т.е. комплект документации, предназначенной для создания определенного объекта, его эксплуатации, ремонта и ликвидации, а также для проверки или воспроизведения промежуточных и конечных решений, на основе которых был разработан данный объект. Объектом проектирования может быть материальный предмет, выполнение работы, оказание услуги.

Слово «проект» еще применяется в значении «программа», «план действий».

Проектирование связано не только с техническими объектами. Так, имеется социальное проектирование, проектирование программного обеспечения и другие. Отличительной особенностью проектирования является его практическая направленность (обязательное наличие практических результатов, иначе это будет «прожект», «маниловщина», творчество ради творчества) и персональная ответственность за полученные и переданные заказчику результаты.

Внутри процесса проектирования, наряду с расчетными этапами и экспериментальными исследованиями, часто выделяют процесс конструирования. Конструирование — деятельность по созданию материального образа разрабатываемого объекта, ему свойственна работа с физическими моделями и их графическими изображениями. Эти модели и изображения, а также некоторые виды изделий называют конструкциями.

Современному уровню развития техники стали присущи не только сложность проектируемых объектов, но и их интенсивное воздействие на общество и окружающую среду, тяжкость последствий аварий из-за ошибок разработки и эксплуатации, высокие требования к качеству и цене, сокращению сроков выпуска новой продукции. При создании подобных объектов их уже необходимо рассматривать в виде систем, т.е. комплекса взаимосвязанных внутренних элементов с определенной структурой, широким набором свойств и разнообразными внутренними и внешними связями. В тоже время, как показывает опыт преуспевающих предприятий, высокая эффективность результатов разработок достигается лишь на основе совместного практического использования знаний фундаментальных, технических и социально-экономических наук, подчинение всей деятельности удовлетворению интересов, прежде всего, человека (покупателя, производителя, разработчика).

Жизненная необходимость учета этих обстоятельств, а также необходимость рассмотрения разрабатываемых объектов в виде систем, постепенно заставляла вносить изменения в традиционный характер и методологию проектной деятельности. К настоящему времени сформировалась новая проектная идеология, получившая название системного проектирования.

Системное проектирование комплексно решает поставленные задачи, принимает во внимание взаимодействие и взаимосвязь отдельных объектов-систем и их частей как между собой, так и с внешней средой, учитывает социально-экономические и экологические последствия их функционирования. Системное проектирование основывается на тщательном совместном рассмотрении объекта проектирования и процесса проектирования, которые в свою очередь включают еще ряд важных частей, показанных на рис.1.

Рис. 1. Основные части проектирования

Очевидно, что в настоящее время проектирование все более и более становится системным. Поэтому словосочетание «системное проектирование» ниже будет использоваться только в случаях, если потребуется подчеркнуть важность системности разработки.

Проектирование — это один из видов работ, результатом которых является комплект проектной документации на материальный объект, или выполнение работы, или оказание услуги. Поэтому участников этих работ можно разделить на потребителей (заказчиков проектных работ) и поставщиков (исполнителей этих работ). Исполнителя-специалиста по разработке проекта обобщенно называют проектировщиком или разработчиком. Если продукция создается для собственного потребления, то возможно соединение в одном лице заказчика и исполнителя.

Поставщиком, как и потребителем продукции, может быть организация (юридическое лицо) или конкретный человек (физическое лицо). Работы по созданию такой продукции в соответствии с Гражданским кодексом относятся к подрядным. В этой ситуации исполнитель называется подрядчиком, т.е. стороной по договору подряда, которая обязуется выполнить по заданию другой стороны (заказчика) определенную работу и сдать ее результат заказчику, а заказчик обязуется принять результат работы и оплатить его. Подрядчик рассматривается как первая сторона в коммерческой деятельности. Субподрядчик — организация, представляющая продукцию поставщику.

Существует еще один участник этих работ — государство, которым создана система мер по защите потребителя посредством контроля, лицензирования, выпуска нормативной документации.

Таким образом, проектирование — сложная многоплановая деятельность, в которой участвует группа людей. Следовательно, достижение эффективных результатов невозможно без учета особенностей человека, умения создать коллектив исполнителей и управлять его деятельностью. Поэтому проектирование, как часть производственного процесса, должно рассматриваться в широком смысле, включающем и поиск оригинального решения, и организацию проектных работ. Т.е. стоит говорить об управлении проектированием.

Управление проектированием — это такая организация процесса разработки нового объекта, которая в рамках условий поставленной задачи наилучшим образом позволяет получить эффективное решение в виде соответствующего комплекта документации. Управление проектированием является составной частью менеджмента.

Менеджмент включает планирование, организацию и контроль людей, денег, материалов и времени для достижения целей проекта. В качестве менеджера может выступать не только специальное должностное лицо, но и руководитель работ или проекта. На менеджере лежит ответственность за принятие окончательных решений на отдельных этапах и по всей работе в целом. Он подбирает и расставляет кадры, ответственен за распределение средств. Общепризнанно, что успех проектной работы в значительной степени зависит от эффективности управления и профессиональных качеств менеджера.

Производственная деятельность требует решения комплекса взаимосвязанных задач. По этой причине в систему менеджмента входят управление проектами, производством, персоналом, финансами, качеством и т.д. Отметим, что управление проектированием, не смотря на схожесть в названии, отличается от управления проектом, которое связано с организацией деятельности по выполнению программы или плана (проекта), прежде всего административными методами, например, управлением людьми, документооборотом.

С целью эффективного использования ресурсов организации и соблюдения договорных обязательств перед заказчиком управление проектированием должно дополняться остальными элементами системы менеджмента. С другой стороны, поскольку задачи проектирования существуют при решении разных задач управления, то знание методологии проектирования является залогом успешной деятельности в этих областях.

Сет Годин, автор книг по маркетингу, в книге «Фиолетовая корова» пишет:

«... дизайнерам и проектировщикам новой продукции принадлежит не просто важная, но главная роль в этом процессе (обсуждение общих концепций будущих автомобилей, а также перспективы их рекламы и возможные доходы).

Человек, который действительно может повлиять на успех своей продукции, должен продумывать все детали еще тогда, когда сеются первые семена его будущего детища.

Если вы профессионально занимаетесь маркетингом, но не умеете создавать, изобретать, ничего не понимаете в дизайне, не можете влиять на свой продукт, изменять его и, в конце концов, отказываться от него, то вам больше нельзя заниматься маркетингом. Вы свое уже отработали».

Ниже приведено систематизированное (рис.1) описание основ проектирования и управления этим процессом с позиции, что должен знать каждый руководитель или инициативный исполнитель, ведущий разработки.

Обращаем внимание, что приводимые сведения не являются исчерпывающе полными и единственно правильными. Они отражают результаты длительных исследований и наблюдений автора, анализа известных ему работ и точек зрения. И более того, они соответствуют определенному этапу развития науки и общества.

2. Структура проектирования

Проектирование, как осознанная целенаправленная деятельность, обладает определенной структурой, т.е. последовательностью и составом стадий и этапов разработки проекта, совокупностью процедур и привлекаемых технических средств, взаимодействием участников процесса.

У каждого из нас на основе личного опыта выработалось свое представление о структуре проектной (творческой) деятельности. Однако за длительный период существования человечества сформировались и общепринятые, проверенные практикой подходы к проектированию и его структура.

В настоящее время существуют два представления структуры проектирования, подобные по форме, но различные по целям и подходам к деятельности. Это — структура в виде стадий разработки проектной документации (стадий проектирования) и структура процесса проектирования.

2.1. Стадии проектирования

Соответствующая им структура регламентирована стандартом (ГОСТ 2.103, 15.201) и используется при официальных взаимоотношениях между заказчиком и исполнителем или между соисполнителями работ.

Данная структура устанавливает стадии разработки конструкторской документации изделий всех отраслей промышленности и этапы выполнения работ. Эта документация необходима для отчета перед заказчиком о проделанной работе, возможности проверки или повторения разработок другими исполнителями, подготовки производства и обслуживания изделия в период эксплуатации. Основные стадии (этапы) структуры представлены на рис.2.

Рис.2. Стадии разработки проектной документации

Техническое задание (ТЗ) устанавливает основное назначение, технические и тактикотехнические характеристики, показатели качества и технико-экономические требования к разрабатываемому объекту, предписание по выполнению необходимых стадий создания документации и ее состав, а также специальные требования к изделию.

Техническое предложение (ПТ) — совокупность документов, содержащих техническое и технико-экономическое обоснование (ТЭО) целесообразности разработки проекта. Такое заключение дается на основании анализа ТЗ заказчика и различных вариантов возможных решений, их сравнительной оценки с учетом особенностей разрабатываемого и существующих изделий, а также патентных материалов.

Согласованное и утвержденное в установленном (на предприятии, в министерстве и т.п.) порядке ПТ является основанием для разработки эскизного проекта.

Эскизный проект (ЭП) — совокупность документов, содержащих принципиальные решения и дающих общее представление об устройстве и принципе работы разрабатываемого объекта, а также данные, определяющие его назначение, основные параметры и габаритные размеры. В случае большой сложности объекта этому этапу может предшествовать аванпроект (предпроектное исследование), обычно содержащий теоретические исследования, предназначенные для обоснования принципиальной возможности и целесообразности создания данного объекта.

При необходимости на стадии ЭП проводят изготовление и испытание макетов разрабатываемого объекта.

Технический проект (ТП) — совокупность документов, которые должны содержать окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве проектируемого объекта, исходные данные для разработки рабочей документации.

На стадии рабочего проекта (РП) сначала разрабатывают подробную документацию для изготовления опытного образца и последующего его испытания. Испытания проводят в ряд этапов (от заводских до приемо-сдаточных), по результатам которых корректируют проектные документы. Далее разрабатывают рабочую документацию для изготовления установочной серии, ее испытания, оснащения производственного процесса основных составных частей изделия. По результатам этого этапа снова корректируют проектные документы и разрабатывают рабочую документацию для изготовления и испытания головной (контрольной) серии. На основе документов окончательно отработанных и проверенных в производстве изделий, изготовленных по зафиксированному и полностью оснащенному технологическому процессу, затем разрабатывается завершающая рабочая документация установившегося производства.

В процессе разработки проектной документации (рис.2) в зависимости от сложности решаемой задачи допускается объединять между собой ряд этапов. Этапы постановки ТЗ и технического проектирования могут входить в цикл научно-исследовательских работ (НИР), а этапы технического предложения и эскизного проектирования — образовывать цикл опытно-конструкторских работ (ОКР).

Завершает цикл работ этап, подводящий итог проектной деятельности — сертификация. Ее назначение — определение уровня качества созданного изделия и подтверждение его соответствия требованиям тех стран, где предполагается его последующая реализация. Необходимость выделения этого этапа в виде самостоятельного вызвана тем, что в настоящее время экспорт продукции или ее реализация внутри страны во многих случаях недопустимы без наличия у нее сертификата качества.

Сертификацию осуществляют специальные организации (органы по сертификации), зарегистрированные в Госстандарте России. На основе анализа протоколов испытаний и состояния производства продукции и других факторов орган по сертификации дает оценку соответствия продукции установленным требованиям, оформляет и регистрирует сертификат. В течение всего срока действия сертификата за сертифицированной продукцией ведется инспекционный контроль.

Сертификация может быть обязательной или добровольной. Обязательной сертификации подлежат товары, на которые законами или стандартами установлены требования, обеспечивающие безопасность жизни и здоровья потребителей, охрану окружающей среды, предотвращение причинения вреда имуществу потребителя. Добровольная сертификация проводится по инициативе предприятий. Обычно это делается с целью официального подтверждения характеристик продукции, изготавливаемой предприятием, и, как следствие, повышения доверия к ней у потребителей.

2.2. Структура управления процессом проектирования

Правильное ведение документации облегчает взаимодействие участников процесса проектирования. Осознанный же подход к проектной деятельности позволяет не только быстро находить эффективные решения, но и управлять этой деятельностью.

В настоящее время, на основе исследований сущности процесса проектирования, разработаны рекомендации по ведению этой деятельности. Предложен ряд структур и алгоритмов проектирования, совпадающих в основных чертах и различающихся только в содержании или названии отдельных этапов. В результате их анализа и обобщения предложена структура, представленная на рис.3.

Рис.3. Структура процесса решения задачи проектирования

Решение любой задачи начинается с ее осмысления и уточнения исходных данных. Те (технические) требования (ТТ), которые выдаются заказчиком, формулируются на языке потребителя-неспециалиста и не всегда бывают технически четкими и исчерпывающими. Перевести требования на язык предметной области, сформулировать задачу максимально полно и грамотно, обосновать необходимость ее решения, т.е. сформулировать техническое задание, — первый и обязательный этап работы. Исполнитель выполняет его в тесном контакте с заказчиком.

В машиностроении этот этап иногда называют внешним проектированием. Этим подчеркивается, что разработка объекта уже начинается с постановки задачи (ТТ) и формирования ТЗ и активно ведется совместно с заказчиком.

Следующие этапы образуют внутреннее проектирование. Они нацелены на поиск решения задачи и выполняются разработчиком. Сюда входят этапы синтеза принципа действия, структуры и параметров проектируемого объекта.

На этапе синтеза принципа действия отыскивают принципиальные положения, физические, социальные и т.п. эффекты, которые составят основу функционирования будущего изделия. Это могут быть основополагающие нормы, фундаментальные законы и правила, их частные случаи или следствия. Работа ведется с принципиальными моделями и их графическим представлением — блок-схемами. Этому этапу соответствует заключительная стадия ТЗ и стадия технического предложения структуры проектирования по ГОСТ 2.103.

На этапе структурного синтеза на основе выбранного принципа действия создаются варианты начального графического представления объекта — структуры, схемы, алгоритмы, упрощенные эскизы. В соответствии с ГОСТ 2.103 этот этап включает стадию эскизного проектирования.

На этапе параметрического синтеза отыскиваются значения параметров объекта, находится численное решение проектной задачи, создается подробная документация или описание объекта, чертежи изделия и его частей. Этот этап соответствует стадиям технического и рабочего проектирования.

В процессе решения задачи появляется потребность в разработке дополнительных частей и узлов. Решение частных проектных задач, дополняющих основное решение, также проводится в соответствии с представленной последовательностью.

Вследствие неполноты начальных знаний процесс проектирования итерационен, что на рис.3 отражается стрелками обратных движений.

На каждом этапе внутреннего проектирования выполняются следующие процедуры:

• выбор модели (т.е. основополагающего принципа, вида блок-схемы и расчетной схемы),
• выбор метода решения,
• решение,
• анализ полученных результатов и принятие решения.

Замечено, что эффективность проектируемого объекта определяется: в первую очередь — выбранным принципом действия, во вторую — предложенной структурой и в третью — соотношением параметров.

Ведение разработки последовательно от общих черт проектируемого объекта к детальным частным называется нисходящим проектированием. Его результатом будут требования к отдельным частям и узлам.

Возможен ход разработки от частного к общему, что образует процесс восходящего проектирования. Такое проектирование встречается, если одна или несколько частей уже являются готовыми (покупными или уже разработанными) изделиями. Результатом проектирования будет частная документация на узлы.

Нисходящее и восходящее проектирование обладают своими достоинствами и недостатками. Так, при нисходящем проектировании возможно появление требований, впоследствии оказывающихся нереализуемыми по технологическим, экологическим или иным соображениям. При восходящем проектировании возможно получение объекта, не соответствующего заданным требованиям. В реальной жизни, вследствие итерационного характера проектирования, оба его вида взаимосвязаны.

Например, разрабатывая при нисходящем проектировании автомобиль (от общей схемы к его частям, например, — к мотору), необходимо увязать общую компоновку с размерами и мощностью уже выпускаемых двигателей. В противном случае придется разрабатывать применительно к данной компоновке новый двигатель, либо изменять первоначальные варианты его расположения или схему компоновки всего автомобиля.

Более подробно содержание перечисленных этапов будет рассмотрено далее.

3. Методология проектирования

Деятельность становится эффективной, когда овладеваешь ее методами, понимаешь принципы и законы, т.е. то, что составляет основу знаний настоящего специалиста.

Принципы, законы и методы имеются в любой деятельности. Есть они и в проектировании. Издавна люди пытаются отыскать их, чтобы не только облегчить «муки творчества», но и создать универсальные «решатели задач». Однако основные открытия были сделаны лишь во второй половине 20 века, когда было провозглашено рождение «общества потребления», цель которого — максимально полное удовлетворение потребностей человека, что возможно только при высокой производительности творческого труда.

Стоит отметить, что приведенные ниже принципы, законы и методы достаточно универсальны и успешно применяются как в проектировании, так и во многих других областях, где используется творческий труд.

3.1. Принципы системного проектирования

Как было отмечено выше, проектирование, если оно нацелено на получение эффективных результатов, должно базироваться на системном подходе. Но мы имеем право говорить о системности подхода, если существуют и выполняются его принципы. В настоящее время еще нельзя утверждать, что известны их полные состав и содержание применительно к проектной деятельности, однако можно сформулировать наиболее важные из них.

1. Практическая полезность. Непрерывный рост потребностей людей вынуждает решать все новые и более сложные задачи. С другой стороны, ведение разработок заметно упирается в ограниченность ресурсов, ощутимее становятся убытки в случае получения неудовлетворительных результатов. Поэтому возрастает важность учета следующих положений:

• деятельность должна быть целенаправленной, устремленной на удовлетворение действительных потребностей человека. При этом подразумевается реальный потребитель или определенная социальная, возрастная или иная группа людей. Потребности должны определять цели проектирования и стимулировать деятельность по их достижению. Однако стоит помнить, что цели бывают как очевидными, так и неявными, кажущимися второстепенными или проявляющимися позднее, спустя некоторое время;
• деятельность должна быть целесообразной. Удовлетворение не всех новых потребностей нуждается в создании новых объектов, следовательно, — в проведении соответствующих разработок. Важно вскрыть причины, препятствующие использованию существующих объектов для удовлетворения новых потребностей. В свою очередь, причины вызываются противоречиями, возникающими как внутри старых объектов, так и вне их, в эксплуатирующем их обществе. Выявление ключевых противоречий позволяет концентрировать усилия на решении главных задач, конкретизирует деятельность, что сокращает затраты на проектирование и сроки проведения разработки;
• деятельность должна быть обоснованной и эффективной. Окружающий нас мир многообразен и, следовательно, удовлетворение потребности возможно разными путями. Разумным будет использование не любого решения задачи, а поиск оптимального варианта, т.е. наилучшего среди допустимых при наличии правила предпочтения одного другому. Такое правило называется критерием оптимальности, а мерой предпочтения будут служить показатели качества.

Обратим внимание на то, что слово «оптимальный» происходит от лат. optimus и означает «наилучший» (самый лучший). Поэтому словосочетание «самое оптимальное решение» (т.е. самое самое лучшее решение) является тавтологией. С другой стороны, можно говорить об оптимальном решении только при удовлетворении двух условий: 1 — наличия хотя бы одного критерия, 2 — наличия не менее двух сравниваемых вариантов (необходимость осуществления выбора).

Каждый выбор лучшего варианта конкретен, поскольку производится на соответствие определенным критериям. Следовательно, говоря об оптимальном решении, всегда нужно указывать эти критерии (т.е. оптимальный по ...). И то, что может быть оптимальным при одном критерии, не обязательно будет таковым при другом. Поэтому недомолвки недопустимы.

Под качеством продукции подразумевается совокупность свойств, обуславливающих ее пригодность удовлетворять определенным потребностям в соответствии с назначением (ГОСТ 15467). К показателям предъявляются следующие требования:

• монотонная связь с качеством при условии постоянства остальных показателей;
• простота определения, измерения и контроля;
• наглядность отображения свойств объекта или процесса;
• соответствие рассматриваемым свойствам;
• хорошая чувствительность к изменению этих свойств;
• устойчивость к случайным помехам.

Качество продукции обычно характеризуется рядом показателей. Например, двигатель автомобиля должен обладать высоким КПД, низкой стоимостью, малыми габаритами и т.д. Состав показателей зависит от назначения проектируемого объекта, условий его функционирования и других факторов. Пытаться учесть как можно больше показателей в стремлении максимально полно охарактеризовать проектируемый объект делает задачу проектирования практически не решаемой. Важно выделять главные показатели, отражающие наиболее существенные потребительские свойства объекта.

Критериальный подход к проектированию позволяет не только отыскивать эффективные решения, максимально удовлетворяющие потребности заказчика, но аргументировано объяснять причины их выбора, обосновывать принятые решения.

2. Единство составных частей. Эффективность решения задачи зависит и от того, насколько полно учтены все связи, как между частями рассматриваемого объекта, так и с взаимодействующими с ним другими объектами.

Целесообразно любой объект, сложный ли он или простой, рассматривать как систему, внутри которой можно выделить логически связанные более простые части — подсистемы, единство частных свойств которых и образует качественно новые свойства объектасистемы. С другой стороны, ряд объектов-систем могут быть взаимосвязанными и образовывать более общую систему, которую называют надсистемой. Например, объект-система «лампочка» включает подсистемы «цоколь», «колба», «нить накаливания», а с другой стороны, является частью, например, такой надсистемы, как «настольная лампа».

Все три понятия — подсистема, система, надсистема,- относительны и их конкретное содержание определяется назначением объекта и условиями его применения. Так, в предыдущем примере система «настольная лампа» в свою очередь является подсистемой для системы «жилая комната».

Разрабатываемые объекты предназначены для людей, ими создаются и эксплуатируются. Поэтому человек также обязан рассматриваться в качестве одной из взаимодействующих систем. При этом должно приниматься во внимание не только физическое взаимодействие, но и духовно-эстетическое воздействие.

Функционирующие объекты активно взаимодействуют с окружающей средой, испытывая влияние внешних нагрузок, изменения температуры, влажности и других факторов. В то же время объекты сами оказывают влияние на эту среду, загрязняя ее продуктами износа и утечками веществ, выделяя тепло и т.п. Внешняя, или как ее еще называют — жизненная среда, также должна рассматриваться в качестве системы, взаимосвязанной с проектируемым объектом. Жизненная среда конкретизирует условия применения и производства объекта проектирования, влияет на выбор показателей качества.

3. Изменяемость во времени. Объекты проектирования существуют не мгновение, а, как и живой организм, последовательно «проживают» ряд этапов:

• постановка цели и планирование работы,
• проведение исследований и проектирование,
• производство,
• эксплуатация,
• утилизация (переработка и захоронение вышедшего из употребления изделия).

Все вместе, т.е. период от возникновения потребности в создании объекта до его ликвидации вследствие исчерпания потребительских качеств, составляет жизненный цикл. Учет этапов жизненного цикла позволяет уменьшить издержки или даже предотвратить возможную катастрофу вследствие действия «непредусмотренных» обстоятельств, рационально спланировать деятельность по созданию и обслуживанию объекта.

С другой стороны, новое изделие возникает не на пустом месте. Важно учитывать историю и предусматривать перспективы развития и применения разрабатываемого объекта, а также областей науки и техники, на достижениях которых базируются соответствующие разработки.

3.2. Законы проектирования

Проектирование как деятельность, направленная на создание реальных предметов, основывается на объективных законах природы. И качество создаваемых объектов зависит от степени познания и следования этим законам. С другой стороны, участие в проектировании человека вызывает потребность в знании законов наук, изучающих мышление человека, принципы его деятельности.

Уже с давних времен обращали внимание на непредсказуемость и индивидуальность результатов творческого труда, возможность появления как выдающихся изделий, так и явных неудач. Это — следствие неспособности человека охватить всю решаемую задачу целиком, во всех ее подробностях, учесть все параметры, внутренние и внешние связи. Велика роль и субъективных факторов, таких как личный опыт, знания, настроение, особенности характера.

По этим причинам всегда представлял большой интерес поиск закономерностей, которые управляют процессом проектирования, и стремление максимально формализовать его (но, если задуматься, познание алгоритмов творческого труда превратит деятельность человека в нетворческую, что обеднит его как личность или, что опаснее, приведет к интеллектуальной деградации).

В работах Г.С.Альтшуллера и А.И.Половинкина приведены результаты исследований и поисков в этом направлении. Они представлены как законы, хотя в действительности указывают пути достижения наиболее эффективного результата, носят рекомендательный характер и, точнее говоря, пока являются лишь закономерностями. Это — следующие законы:

• Закон «энергетической проводимости» системы: необходимым условием принципиальной жизнеспособности системы является сквозной проход энергии (и информации) по всем ее частям.

• Следствие из закона. Чтобы часть системы была управляемой, необходимо обеспечить энергетическую проводимость между этой частью и органами управления.

• Закон увеличения степени идеальности системы: развитие систем идет в направлении увеличения степени идеальности.

Идеальная система — такая, у которой вес, объем или размеры (или другие исследуемые характеристики) стремятся к нулю (наилучшему значению), а функция сохраняется и выполняется.

• Закон стадийного развития: развитие технических систем идет в последовательности:

1. выполнение системой технологических функций, т.е. исходной и основной функцией системы является облегчение человеческого труда или выполнение чисто утилитарной, потребительской функции (количественное изменение характеристик);

2. дополнительное выполнение системой энергетической функции, т.е. не только передача энергии, но и изменение ее вида, введение в систему двигателя;

3. дополнительное выполнение системой функций управления, т.е. изменение режимов работы, саморегулирование в пределах, заданных программой;

4. дополнительное выполнение системой функций планирования, т.е. саморегулирование в непредвиденных условиях, анализ ситуации и способность выбора режима работы.

Последний закон указывает, что совершенствование технических систем идет в направлении их полной автоматизации и независимости от человека.

• Закон соответствия функции и структуры: жизнеспособными оказываются те конструктивные решения, у которых форма объекта подчинена его внутреннему содержанию, содействует реализации предъявляемых к нему требований.

Предполагают, что в основе мотивов, заставляющих вести разработку и совершенствование технических систем, лежат еще и общечеловеческие законы:

• Закон непрерывного возрастания потребностей людей и неугасимого любопытства.

После удовлетворения очередной потребности у каждого человека появляется новое желание, причем получить не только больше, но и лучше. Желание не дает довольствоваться уже достигнутым и заставляет совершенствовать окружающие нас предметы и, как следствие, совершенствоваться нам самим (больше трудиться, обучаться чему-то новому, задумываться). Стоит отметить, что тенденция в развитии потребностей указывает на переход от удовлетворения физиологических потребностей к эмоционально-психологическим, которым и следует уделять больше внимания при создании объектов с высокими потребительскими свойствами.

• Закон действует в условиях, когда физические и иные возможности человека (но не интеллектуальные) ограничены, и чем сложнее обстоятельства, тем эффективнее результат;
• Закон лености (минимизации усилий).

Человек всегда стремился к минимизации усилий на обслуживание своих потребностей (физических усилий, работы органов чувств, мыслительной деятельности и т.п.). Эта своеобразная «лень» так стимулирует человека, что заставляет его напрягать все свои усилия и, прежде всего, интеллектуальные для создания устройств, облегчающих, а в идеале и исключающих его собственный труд. Поэтому, как только у человека возникает какая-либо потребность, он будет искать пути ее удовлетворения наиболее простым способом, а связанные с этой потребностью устройства будут совершенствоваться до их полной автоматизации либо максимально простого обслуживания (обычно стадийно, в соответствии с законом стадийного развития).

3.3. Методы проектирования

Проектирование представляет собой последовательность выполнения взаимообусловленных действий — процедур. В свою очередь, процедуры подразумевают использование определенных методов, основанных на тех или иных законах природы и общества.

Метод — это прием или способ действия с целью достижения желаемого результата. Его выбор зависит не только от вида решаемой задачи, но и индивидуальных черт разработчика (его характера, организации мышления, склонности к риску, способности принимать решения и нести за них ответственность и т.п.), условий его труда и оснащенности средствами оргтехники. Сложность процесса проектирования (как и любой другой творческой деятельности), нестандартность проектных ситуаций вызывают необходимость знания и владения различными методами: эвристическими, экспериментальными, формализованными. Применение метода завершается выбором (принятием) окончательного решения.

Эвристические методы основаны на подсознательном мышлении, не допускают алгоритмизации и характеризуются неосознанным (интуитивным) способом действий для достижения осознанных целей. Понятие «эвристика», что в переводе с греческого означает «отыскиваю», «открываю», впервые встречается в 300 г. н.э. в трудах греческого математика Паппа, хотя и он уже ссылается на своих предшественников. Часто эвристические методы еще называют методами инженерного (изобретательного) творчества.

Эвристические методы и моделирование присущи только человеку и отличают его от искусственных интеллектуальных (мыслящих) систем. В настоящее время к сфере человеческой деятельности относят:

• постановку задачи;
• выбор методов ее решений и построение (разработка) моделей и алгоритмов, выдвижение гипотез и предположений;
• осмысление результатов и принятие решений.

Стоит отметить, что важной особенностью именно человеческой деятельности является наличие в ней элемента случайности: необъяснимые поступки и сумасбродные решения часто лежат в основе оригинальных и неожиданных идей.

Однако с развитием вычислительной техники выполнение все большего числа функций берут на себя автоматические системы, при этом выполняя работу быстрее и эффективнее человека. Задача человека как homo sapience — прежде всего, совершенствоваться в эвристических процедурах, а не в выполнении алгоритмизированных операций, чтобы впоследствии не оказаться вытесненным «разумной» техникой.

Экспериментальные методы основаны на использовании реальных объектов и физических (химических, социальных и т.д.) моделей. Несмотря на сложность, только они позволяют получить наиболее достоверные и надежные исходные данные и результаты решений, служат основой для разработки других методов и моделей. Однако следует помнить, что степень объективности результатов исследований зависит от грамотности постановки и проведения эксперимента и обработки его результатов.

Знание законов, лежащих в основе работы исследуемых объектов и процессов, позволяет использовать формализованные методы. Такие методы строятся на основе четких указаний посредством языка схем, математических формул, формально-логических отношений и алгоритмов. Главной их чертой является независимость получаемых результатов от индивидуальных черт человека.

Обычно задачи с полностью формализованным решением перестают интересовать человека, их относят к разряду рутинных.

Поскольку экспериментальные и формализованные методы используются человеком, то в них в той или иной степени присутствует элемент эвристики. Человек может как усиливать эффективность решения благодаря творческому началу, так и вносить ошибки и искажать результаты (осознанно или неосознанно) в силу субъективности. Совместное использование в процессе проектирования формализованных и эвристических методов называют эвроритмом.

Эвристические методы оперируют понятиями и категориями (абстрактными, отвлеченными, конкретными). Формализованные — конкретными параметрами или их группами. Экспериментальные — физическими (и иными) объектами и их характеристиками.

Применение метода позволяет найти то или иное решения. Те из них, которые будут обладать отличными характеристиками и высокой эффективностью, часто называют сильными решениями.

Применение метода завершается выбором окончательного варианта, т.е. принятием решения.

3.3.1. Эвристические методы

Долгое время в основе творчества лежали методы проб и ошибок, перебора возможных вариантов, ожидание озарения и работа по аналогии. Так, Эдисон провел около 50 тысяч опытов, пока разрабатывал устройство щелочного аккумулятора. А об изобретателе вулканизированной резины Чарльзе Гудиер (Goodyear) писали, что он смешивал сырую резину (каучук) с любым попадавшимся ему под руку веществом: солью, перцем, сахаром, песком, касторовым маслом, даже с супом. Он следовал логическому заключению, что рано или поздно перепробует все, что есть на земле и, наконец, наткнется на удачное сочетание.

Однако со временем такие методы начали приходить в противоречие с темпами создания и масштабами современных объектов. Стали вырабатываться рекомендации, позволявшие более осознанно подходить к проектированию как творческой деятельности. Наиболее интенсивно поиском новых методов занялись со второй половины 20 века, причем не только посредством изучения приемов и последовательности действий инженеров и других творческих работников, но и на основе достижений психологии и физиологии мозга.

Сейчас практически во всех преуспевающих фирмах, занятых созданием материальной и нематериальной (программы, методики) продукции, поиск новых идей и решений ведется с помощью тех или иных эвристических методов. А для современного инженера знание этих методов становится столь же необходимым, как и умение писать и читать. Даже журналисты, художники, бизнесмены и представители других профессий, кто остро нуждается в оригинальных идеях, активно используют такие методы.

3.3.1.1. Результаты творческой деятельности

В науке и технике выделяют следующие результаты творческой деятельности:

• открытие, т.е. установление ранее неизвестных объективных закономерностей, свойств и явлений материального мира с обязательным экспериментальным подтверждением. Открытие, в основном, является продуктом научной деятельности, но решающим и революционным образом определяет развитие техники. На открытие существует приоритет (право первенства), но нет права собственности на использование;
• изобретение, т.е. новое и обладающее существенными отличиями техническое решение задачи, которое не является очевидным следствием известных решений. Изобретение относится к объектам интеллектуальной собственности и на него распространяется авторское право (монопольное право собственности на использование). Содержание изобретения публикуется. Изобретателю выдается патент, свидетельствующий о его праве и приоритете на изобретение (ранее в нашей стране вместо патента выдавали авторское свидетельство). Авторское право может быть уступлено (продано). Изобретение может быть использовано в коммерческих целях только с разрешения патентообладателя на основе лицензионного договора;
• рационализаторское предложение, т.е. предложение по улучшению конструкции реального изделия или процесса его изготовления, не содержащее существенно новых решений (с недостаточно существенными отличиями) и с незначительной эффективностью. Часто в качестве рацпредложения оформляют применение решения, неизвестного на данном предприятии, но известного в других местах (но следует быть осторожным с возможным нарушением авторских прав). Понятие рацпредложения существует всего в нескольких странах как способ поощрения изобретательства и вовлечения в него широкого круга работников предприятия;
• ноу-хау (know-how, «знаю, как <сделать>»). Под этим термином обычно подразумевают техническую, организационную или коммерческую информацию, составляющую секрет производства (любого) и имеющую коммерческую ценность (ноу-хау не относится к государственным секретам). В отличие от патента на изобретение, на ноу-хау существует только право на защиту имущественных интересов в случае их незаконного получения и использования.

3.3.1.2. Психологические факторы творческой деятельности

На творческие способности влияют наследственность, окружающая естественная и социальная среда, научно-техническая подготовка, степень развития воображения, способность мыслить образно и другие факторы. При этом образность мышления сильно развивают практический опыт и искусства: в первую очередь — пластические: живопись, графика, скульптура.

Однако в творческом процессе важны не только способности, но и знание факторов, которые могут помешать успешному достижению цели. Г.Я. Буш выделяет ряд неэффективных стратегий решения задач проектирования и синдромов, порождающих барьеры творчеству.

Неэффективные стратегии применительно к человеку с европейским складом характера:

• стратегия осла Буридана — предпочтение существующего положения всяким изменениям;
• стратегия Одиссея — ожидание случайного осенения творческой идеей;
• стратегия Обломова — равнодушие к общественно значимым целям;
• стратегия Антисфена — не изменять внешний мир, а внутренне приспосабливаться к нему.

Синдромы (сочетание признаков с общим механизмом возникновения), порождающие препятствия проявлению или развитию творчества:

• ситуативные барьеры — географические, ведомственные, режимные, бюрократические, получения и понимания информации, разобщения творческого коллектива в пространстве, вредного воздействия внешней и социальной среды, ситуационный антагонизм в творческом коллективе:
• контрсуггестативные барьеры — предубеждения, неверие в свои силы, недоверие к коллегам, эгоцентризм, нигилизм, замкнутый образ жизни, отсутствие юмора, апатия;
• тезаурусные барьеры — низкий уровень интеллектуального развития, отсутствие навыков общественной и творческой деятельности, неясное осознание собственных целей, отсутствие личного фонда собственных эвристических методов;
• барьеры коммуникабельности — неумение планировать и организовывать коллективное воздействие, творческое взаимодействие и дружеское соревнование, отсутствие контактов с информационными и патентными службами, неиспользование возможностей обмена опытом и консультаций специалистов.

Барьеры не всегда легко преодолимы, но обычно имеется возможность уменьшить накладываемые ими ограничения.

Успех также зависит и от личных качеств инженера. Наиболее важны следующие черты характера:

• уверенность в необходимости и возможности решения задачи;
• свобода от предрассудков;
• способность принимать решения и нести за них ответственность.

В настоящее время разработано и эффективно используется несколько десятков эвристических методов. Универсальных среди них нет, и в каждой конкретной ситуации следует пробовать применить ряд методов — основное их предназначение заключается в активизации творческой деятельности. Это достигается следующими мерами:

• преодоление психологической инерции, обусловленной привычными образом мышления и типовыми методами решения задач определенного класса. Замечено, что около 80% нововведений вначале специалистами отрицается как нереальные. Инерцию развивают и усиливают:

  - рецептурное обучение и проектирование по аналогии;

  - подсознательная вера в то, что каждая вещь и явление служат строго определенной цели;

  - устоявшаяся терминология. Ф. Энгельс писал: «В науке каждая новая точка зрения влечет за собою революцию в технических терминах»;

• мобилизация подсознания. Человек осознает только те процессы, которые протекают в коре головного мозга, содержащей около 10% нервных клеток. Остальная часть клеток относится к подсознанию. Но обе эти части мозга связаны между собой, что и можно использовать как резерв человеческих возможностей. Однако следует быть осторожным, так как замечено, что длительное активно-принудительное задействование подсознания приводит к психическим отклонениям;
• расширение перспектив видения, чему препятствует чрезмерная специализация образования и узкопрактический подход. Необходимо применение разнообразных методов, расширение области поиска новых идей и увеличение их количества.

Человеческая мысль не стоит на месте — эвристические методы все дальше совершенствуются и развиваются: от общих рекомендаций — к последовательности действий, далее к алгоритмизованным методам и, наконец, к созданию искусственного интеллекта.

Приведем краткое описание и характеристику основных методов, знание которых минимально необходимо как в собственной деятельности, так и для понимания принципов работы интеллектуальных систем.

3.3.1.3. Метод итераций (последовательного приближения)

Процесс проектирования ведется в условиях информационного дефицита, который проявляется в следующем:

• невозможность заранее точно указать условия работы проектируемого объекта, не зная его конкретного вида и устройства (исходные данные зависят от вида конечного решения);
• выявление в процессе проектирования противоречивых исходных данных, т.е. невозможность достижения технического решения при первоначально предложенных данных, оказавшихся взаимоисключающими;
• появление в процессе проектирования необходимости учета дополнительных условий и ограничений, которые ранее считались несущественными;
• перераспределение по степени важности показателей качества, так как может выясниться, что показатель, ранее считавшийся второстепенным, очень важен (и наоборот).

Такая неопределенность устраняется посредством выполнения итерационных процедур. Первоначально задача решается при предположительных значениях исходных данных и ограниченном числе учитываемых факторов (первый цикл итераций, так называемое «первое приближение»). Далее возвращаемся в начало задачи и повторяем ее решение, но уже с уточненными значениями исходных данных и перечнем факторов, найденными на предыдущем этапе (второй цикл итераций, «второе приближение»). И т.д. Число циклов итераций зависит от степени неопределенности начальной постановки задачи, ее сложности, опыта и квалификации проектировщика, требуемой точности решения. В процессе приближений возможно не только уточнение, но и отказ от первоначальных предположений.

Если хотят подчеркнуть, что первоначальное решение задачи выполнялось в условиях полной или большой неопределенности, первый цикл итераций называют «нулевым приближением».

Не надо бояться итераций в своей работе, поскольку еще ни один технический объект (а также законопроект, книга и т.д.) не был создан с первого раза. С другой стороны, желательно не увлекаться итерациями при выполнении дорогих или продолжительных проектных работ.

В частном случае, когда нет никаких предположений по решению задачи, метод последовательных приближений можно сформулировать в виде совета:

- если не известно, что и как делать (нет идей, данных, определенности и т.п.), возьмите в качестве исходного решения любое известное (идею, схему, данные,...) или предположите какое-нибудь (но желательно разумное) решение задачи. Проанализировав выбранное решение на соответствие условиям задачи, станет видно, что вас в нем не устраивает и в каком направлении его надо улучшать.

3.3.1.4. Метод декомпозиции

Любой объект-систему можно рассматривать как сложный, состоящий из отдельных взаимосвязанных подсистем, которые, в свою очередь, также могут быть расчленены на части. Такой процесс расчленения системы называется декомпозицией. В качестве систем могут выступать не только материальные объекты, но и процессы, явления и понятия. Декомпозиция позволяет разложить сложную задачу на ряд простых, пусть и взаимосвязанных задач.

При декомпозиции руководствуются определенными правилами.

1. Каждое расчленение образует свой уровень. Исходная система располагается на нулевом уровне. После ее расчленения получаются подсистемы первого уровня. Расчленение этих подсистем или некоторых из них, приводит к появлению подсистем второго уровня и т.д.

Упрощенное графическое представление декомпозированной системы называется ее иерархической структурой.

Иерархическая структура может быть изображена в виде ветвящейся блок-схемы, на подобие представленной на рис.4. Здесь на нулевом уровне располагается исходный объект-система С₁, на следующих уровнях — его подсистемы (число уровней и количество подсистем, показанных на рисунке, выбрано произвольно). С целью получения более полного представления о системе и ее связях в структуру включают надсистему и составляющие ее части (системы нулевого уровня, например, вторая система С ₂).

Рис.4. Пример иерархической структуры (блок схема)

Для анализа иерархической структуры могут применять теорию графов. Это позволяет перейти от графической модели к математической, в которой описание ведется по уравнениям, аналогичным законам Кирхгофа в электротехнике или уравнениям гидравлики.

Граф — это совокупность вершин и ребер (ветвей). Вершины — элементы структур, а ребра — связи между ними, изображаемые линиями. Если ребрам поставить в соответствие некоторые структурные параметры (веса'), то такой граф называется взвешенным. Граф называется направленным, если для его ребер указаны определенные направления.

Рис.5. Граф структуры системы (И-дерево)

Граф, представленный на рис.5, соответствует И-дереву: вершины, которые расположены на одинаковых уровнях, являются обязательными элементами вышерасположенных систем (так, для вершины 0.1 обязательные элементы — 1.1, 1.2, а для вершины 2.2 — 3.1, 3.2 и 3.3. Например, автомобиль состоит из двигателя, И кузова, И шасси).

Наряду с И-деревом используют ИЛИ-дерево, в котором на одинаковых уровнях располагаются вершины возможных элементов структур, их варианты. Например, автомобиль может иметь двигатель ИЛИ внутреннего сгорания, ИЛИ газотурбинный, ИЛИ электрический.

Часто применяют И-ИЛИ-дерево, которое соединяет уровни с обязательными элементами структуры с уровнями вариантов всех или части этих элементов (рис.6). Сочетание И и ИЛИ уровней может быть произвольным и не обязательно они должны чередоваться.

Рис.6. Пример И-ИЛИ-дерева

Иерархическая структура объектов-систем часто изображается в виде дерева, т.е. графа без замкнутых маршрутов, с расположением вершин по определенным уровням, например, как показано на рис.5. Вершина верхнего уровня (на рисунке — 0) называется корнем.

2. Объект-система расчленяется только по одному, постоянному для всех уровней, признаку. В качестве такого признака может быть:

• функциональное назначение частей,
• конструктивное устройство (вид материалов, формы поверхностей и др.),
• структурные признаки (вид схемы, способы и др.).

Так, в приведенном выше примере выделение в составе автомобиля мотора, шасси и кузова проводилось в соответствии с функциональным признаком. При построении И-ИЛИ деревьев возможно сочетание нескольких признаков: одного — постоянного для И структуры, и одного или различных на каждом уровне — для ИЛИ структуры.

3. Вычленяемые подсистемы в сумме должны полностью характеризовать систему, но при этом взаимно исключать друг друга (особенно это касается ИЛИ-деревьев).

Например, если при перечислении частей автомобиля опустить, допустим, мотор, то функциональное взаимодействие остальных подсистем не обеспечит нормальное функционирование всей системы (автомобиля) в целом. В другом примере, перечисляя возможные виды двигателей, используемые в автомобиле, необходимо охватить всю известную область (декомпозиция — по принципу действия). Если это сложно сделать, допускается неупомянутые (или неизвестные) элементы объединить в одну группу (подсистему) и назвать ее «другие», либо «прочие», либо провести деление двигателей, например, на «тепловые» и «нетепловые». К неоднозначности может привести использование на одном уровне взаимно пересекающихся подсистем, например, «двигатели электрические» и «двигатели переменного тока», так как неясно куда же нужно в таком случае отнести асинхронный двигатель.

Для обозримости рекомендуют выделять на каждом уровне не более 7 подсистем. Недопустимо, чтобы одной из подсистем являлась сама система.

4. Глубина декомпозиции (степень подробности описания) и количество уровней определяются требованиями обозримости и удобства восприятия получаемой иерархической структуры, ее соответствия уровням знаний работающему с ней специалиста.

Обычно в качестве нижнего (элементарного) уровня подсистем берут такой, на котором располагаются подсистемы, описание или понимание устройства которых доступно исполнителю (руководителя группы людей или отдельного человека). Таким образом, иерархическая структура всегда субъективно ориентирована: для более квалифицированного специалиста она будет менее подробна.

Число уровней иерархии влияет на обозримость структуры: много уровней — задача труднообозримая, мало уровней — возрастает число находящихся на одном уровне подсистем и сложно установить между ними связи. Обычно, в зависимости от сложности системы и требуемой глубины проработки, выделяют 3...6 уровней.

Например, разрабатывая механический привод, в качестве элементарного уровня можно взять колеса, валы, подшипники, двигатель в целом. Хотя подшипники и двигатель являются сложными по устройству элементами и трудоемкими в проектировании, но как готовые покупные изделия для разработчика они выступают в виде элементарных частей. Если бы двигатель пришлось бы разрабатывать, то его, как сложную систему, было бы целесообразно декомпозировать.

Эвристический характер построения иерархической структуры проявляется, прежде всего, в выборе числа уровней и перечня составляющих их подсистем. Наиболее сильна субъективность в ИЛИ-деревьях, когда вид системы еще не известен и возможно различное их представление.

В процессе проектирования декомпозиция неразрывно связана с последующей композицией, т.е. сборкой и увязкой отдельных частей (подсистем) в единый объект (систему) с проверкой на реализуемость в целом, совместимость (особенно подсистем, принадлежащих разным ветвям) и согласованность параметров (восходящее проектирование). В процессе согласования может возникать потребность в новой, корректирующей декомпозиции.

Методы декомпозиции и последовательных приближений очень распространены, причем часто те, кто применяет их, даже не воспринимают их как методы. Очень эффективным является совместное использование этих методов.

3.3.1.5. Метод контрольных вопросов

Суть метода заключается в ответе на специально подобранные по содержанию и определенным образом расставленные наводящие вопросы. Вдумчиво и, по возможности, полно отвечая на них, фиксируя основные положения ответов, например, на бумаге в виде ключевых слов, схем и эскизов, удается всесторонне представить решаемую задачу, отыскать новые пути ее решения. Контрольные вопросы, с одной стороны, подобны консультанту, в ненавязчивой форме предлагающему попробовать те или иные подходы и пути решения проблемы, а с другой стороны, позволяют спокойно и не спеша поразмышлять в одиночестве. В составлении и группировании вопросов участвуют и психологи.

Метод контрольных вопросов широко применяется в процессе обучения как способ развития мышления. В последнее время этот метод служит основой для ведения диалога с ЭВМ при работе с интеллектуальными, «думающими» программными комплексами — здесь сочетается использование обширной информационной базы и иерархического представления множества вопросов.

Например, при анализе известного решения с целью его улучшения рекомендуют задавать себе следующие вопросы:

- Почему так или такое? А как еще иначе? (применительно к назначению узлов и деталей, их частей и форм, к последовательности выполнения действий и т.д.).

- Зачем это нужно?

- Что произойдет, если этого не будет?

Применительно к проектированию варианты метода были предложены А. Осборном (1964г., США) и Т. Эйлоартом (1969г., США).

3.3.1.6. Метод мозговой атаки

Многие согласятся с тем, что легче выбрать хорошее решение из нескольких вариантов, чем сразу предложить требуемое решение. Естественно, чем больше вариантов, тем лучшее решение можно найти. Для отыскания большого количества идей в сжатые сроки и предназначен метод мозговой атаки (или, как его еще называют, мозгового штурма).

Метод основан на коллективном обсуждении проблемы в психологически комфортной обстановке. Он направлен на преодоление психологической инерции. Отличается простотой и эффективностью.

Коллективное обсуждение как способ решения задач было известно с древности. Но в виде самостоятельного метода со своими правилами и структурой он был предложен А. Осборном (США) в 1957 году, в развитие своих идей, появившихся в годы 2-й мировой войны.

Решение задачи включает ряд этапов.

1. Постановка задачи. Заказчик выдает руководителю будущей творческой группы задание. Руководитель анализирует проблему и четко формулирует задачу (желаемые свойства, действия, последствия и т.д.).

2. Формирование творческой группы. Замечено, что по своим способностям решать задачи большинство людей можно разделить на две группы — генераторы идей (люди с большим воображением) и аналитики (люди практического склада мышления, способные трезво осмыслить и конкретизировать идею). Творческую группу формируют из генераторов.

Численность группы — 3...10 человек: при большем числе трудно обеспечить свободное высказывание мнений каждому члену, а при меньшем — сложнее развивать предлагаемые идеи и взгляды. Как правило, основу группы составляют неспециалисты в области решаемой задачи. Чем шире и разнообразнее интересы и профессиональная подготовка членов группы, тем продуктивнее будет работа. Уровень образования, специальность не имеют значения, чтобы изначально преодолеть психологическую инерцию, свойственную специалистам или вызванную должностными обязанностями. Главное требование к кандидату в члены группы — богатство фантазии. Члены группы должны быть знакомы друг с другом и психологически совместимы, во время сеанса находиться в хорошем настроении и соблюдать правила игры.

3. Правила поведения во время сеанса мозговой атаки:

• главное — высказать идею, а не задумываться о ее содержании и аргументации (это — дело аналитиков, количество предпочтительнее качества). Мысли должны выражаться кратко, в течение не более полминуты, поскольку длительное высказывание снижает активность и притупляет внимание остальных участников, а возникающие в головах идеи могут забываться;
• запрещена любая критика идей, а также осуждающие реплики, усмешки, одергивания и т.п., что порождает психологические барьеры. Задача каждого — поддержание атмосферы доброжелательности, что высвобождает мысль;
• желательно развитие идей, высказанных другими.

4. Проведение сеанса мозговой атаки. Перед началом сеанса или накануне руководитель излагает членам группы суть задачи (в случае, когда участники предпочитают настроиться на проблему заранее). Во время сеанса своими вопросами и замечаниями руководитель управляет ходом обсуждения, следит за соблюдением правил и регламента, поддерживает атмосферу доброжелательности и творчества, удерживает от сужения области поиска (зацикливания на какой-то одной идее или направлении поиска).

Продолжительность сеанса обычно составляет один-два часа. Возможны перерывы. Высказываемые идеи должны фиксироваться, но так чтобы участники сеанса не отвлекались (например, записывая разговоры на магнитофон).

После сеанса возможно коллективное редактирование высказанных идей с их развитием и дополнением.

Окончательный список идей затем передается группе аналитиков для детальной оценки. При этом перед ними ставится задача не отметать сходу внешне абсурдные предложения, а пытаться найти способ их реализации, применения или улучшения.

Генерация идей возможна следующими способами:

• прямой аналогии, по сходству с аналогичным процессом или объектом из живой природы или области, знакомой члену группы (для чего и подбирают людей с широкой областью интересов). Например, требуется найти способ перебраться с одного берега на другой. — Построим мост, ... ;
• фантастической аналогии, использование гипотетичных, фантастических, вымышленных и сказочных средств и персонажей. Например, ... попробовать использовать коверсамолет, сдвинуть берега;
• личностной аналогии (эмпатия), отождествление себя с деталями или изделием, попытка изнутри прочувствовать и увидеть, что можно улучшить или изменить (вжиться в образ). Например, ... сделать огромный шаг, представить себя в виде моста;
• символической аналогии, в парадоксальной форме кратко сформулировать суть проблемы. Например, ... перейти по твердой воде или воздуху.

Метод мозговой атаки применяется не только для поиска путей решения задачи, но и уточнения ее формулировки, выявления возможных недостатков или побочных эффектов (так называемый метод обратной мозговой атаки). Например, какими недостатками обладает освещение в комнате? — Мигает, создает тень,... .

На основе метода мозговой атаки разработан ряд других методов, среди которых наиболее известен метод синектики. Его существенной чертой является значительное задействование возможностей подсознания.

Метод мозговой атаки совместно с методом контрольных вопросов лежит в основе некоторых «думающих» программ: компьютер выступает в качестве собеседника, активизирующего мышление, предоставляющего огромное количество сведений и быстро обрабатывающего информацию.

3.3.1.7. Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ)

На основе анализа собственного опыта и многочисленных патентов Г.С. Альтшуллер предложил метод под названием «алгоритм решения изобретательских задач» (АРИЗ, в котором слово «алгоритм» означало «четкая программа действий»). Позднее на его основе был создан более совершенный метод — ТРИЗ.

Этот метод предназначен для выявления истинных причин (противоречий), мешающих совершенствованию исследуемого объекта, и выбора эффективного средства для их преодоления.

Предлагается 4 способа устранения противоречий:

1. Переход от рассматриваемого объекта к объекту с идеальными характеристиками (показателями качества) посредством формирования идеального конечного результата (ИКР). Способ служит для уточнения целей решаемой задачи, поскольку в такой формулировке ярче проявляются главные противоречия в виде барьеров на пути совершенствования объекта, отсеиваются второстепенные факторы, проясняются необходимые свойства.

ИКР можно формировать по следующим направлениям:

• масса, размеры, время действия стремятся к нулю, т.е. потребная функция выполняется мгновенно, а самого объекта как материального тела нет. Например, необходимо устройство для нагрева воды, используемой для питья. ИКР — нагревать прямо в чашке, не используя дополнительного устройства, либо нагревать воду в чайнике мгновенно. Далее нужно посмотреть, что этому мешает, в чем заключается противоречие;
• объект обладает идеальными характеристиками, такими как автономность (часы, не нуждающиеся в подзаводе; доска, с которой записи исчезают через заданное время сами, ...), независимость от окружающих условий, самонастраиваемость (очки, которые обеспечивают глазам постоянную освещенность, независящую от интенсивности внешнего освещения, ...);
• в функционирующем объекте полностью отсутствуют недостатки. Например, устройство для нагрева воды без потерь.

2. Замена одного типа противоречия на другое, для которого решение уже известно или легче достижимо. Так, например, задачу нагрева воды без потерь энергии можно сформулировать в другой постановке — нагревать только воду.

3. Применение вепольных преобразований для устранения противоречий. Веполь (ВЕщество-ПОЛе) — система из трех элементов В₁, В₂, П, которая лежит в основе каждого технического процесса и является его простейшим устойчивым элементом. Так, процесс наворачивания гайки (В₁) на винт (В₂) будет записан в виде П->В₁->В₂ , где П — механическое движение (как разновидность поля).

4. Применение системы операторов: ИКР, РВС, ММЧ.

Оператор РВС (размер, время, стоимость) — это серия мысленных экспериментов по преодолению привычного представления об объекте и исследование его поведения при изменении составляющих оператора (замедление-ускорение времени, увеличение-уменьшение размеров, ...).

Оператор ММЧ (метод маленьких человечков) связан с мысленным населением объекта маленькими человечками, которые связывают между собой отдельные элементы, выполняют действия, необходимые для получения требуемого результата. Далее мысленно или графически изучают их поведение (что изменить в расположении объекта, какие у человечков возникают проблемы, ...).

ТРИЗ предлагает систему типовых приемов для устранения противоречий. Их количество колеблется в зависимости от модификации метода и для АРИЗ-77 включает 40 видов.

В процессе решения задачи последовательно просматривают все приемы, пытаясь реализовать предлагаемый совет либо на его основе развить решение. Эффективно использовать данные приемы во время сеанса мозговой атаки.

3.3.1.8. Метод морфологического анализа

Метод предназначен для существенного расширения области поиска возможных решений задачи. Он основан на предложении возможных решений для отдельных частей задачи (так называемых морфологических признаков, т.е. признаков, характеризующих устройство) и последующем систематизированном получении их сочетаний (комбинировании). Это — первый метод, специально созданный для решения эвристических задач. Он был разработан Ф. Цвикки (Швейцария) в 30-х годах 20-го века, но практическое применение получил с 1942 г., во время работы Цвикки в США в авиастроительной фирме. Употребляются также другие названия этого метода: метод морфологического ящика, метод морфологических карт.

Содержание метода:

1. Выясняется цель задачи — поиск вариантов функциональных схем, либо принципов действия, либо структурных схем, либо конструктивных разновидностей разрабатываемого объекта. Возможен поиск одновременно по нескольким признакам.

2. Выделяют узловые точки (оси, отдельные части задачи), которые характеризуют разрабатываемый объект с позиции ранее сформулированной цели. Это могут быть частные функции подсистем, их принципы работы, их форма, расположение, характеристики и свойства (состояние вещества и энергии, вид совершаемого движения, физические, химические, биологические, психологические, потребительские свойства и т.д.). Удобно предварительно (допустим, из анализа аналогичного объекта) построить соответствующую блок-схему (функционирования, принципа действия, структурную схему), элементы которой и образуют узлы.

Количество узлов обычно выбирается из условия обозримости и реальности анализа получаемых впоследствии вариантов: при ручной обработке — 4...7 узлов, при работе на компьютере — в пределах физической возможности вычислительной техники и отведенного на решение задачи времени. Удобно задачу решать в ряд этапов: сначала по ограниченному числу наиболее важных узловых точек, а затем — для дополнительных, второстепенных или выявленных в ходе анализа и представляющих интерес новых узлов.

3. Для каждой узловой точки предлагаются варианты решений: либо исходя из личного опыта (зависит от эрудиции), либо беря их из справочников и банков (баз) данных (т.е. на каждую ось нанизываются возможные решения, по аналогии со счетами).

Варианты должны охватывать всю область возможных решений для данной узловой точки. Но чтобы задача была обозримой, рекомендуется сначала выделять укрупненнообобщенные группы вариантов, которые при необходимости впоследствии конкретизируются. Варианты могут быть не только реальные, но и фантастические.

4. Проводят полный перебор всех вариантов решений (каждый раз берут по одному варианту для каждой оси) с проверкой комбинаций на соответствие условиям задачи, на несовместимость отдельных вариантов в предлагаемой их общей группе, на реализуемость и иные условия.

При необходимости для выбранных решений можно повторить морфологический анализ, конкретизируя узлы (оси) и варианты.

Морфологический анализ удобнее и нагляднее проводить с применением морфологических таблиц.

Формальное комбинирование вариантов создает впечатление автоматизма в применении метода. Однако его эвристическая природа весьма существенна и зависит от следующих субъективных факторов:

• интуитивное выделение узлов и их признаков, состава вариантов. Отсутствие уверенности, что учтены все (и особенно, перспективные) узлы и варианты;
• конкретное решение является следствием анализа просматриваемых комбинаций, возникновения продуктивных ассоциаций и образов.

Метод морфологического анализа служит основой большинства интеллектуальных программ.

Приведем пример поиска принципов действия транспортного средства. В качестве узловых точек приняты основные элементы его принципа действия: получение энергии обеспечение перемещения — способ управления, а также структурный признак — расположение источника энергии. Эти узлы и возможные варианты для каждой узловой точки приведены в таблице.

Полное число возможных комбинаций определяется перемножением количества вариантов по каждому узлу. В данном, хотя и простом примере оно равно 3 × 4 × 3 × 2 = 72, т.е. достаточно велико (число вариантов преимущественно зависит от числа узлов).

Далее просматриваем все комбинации. Так, набор 1.3–2.1–3.2–4.1 соответствует привычному для нас автомобилю с тепловым двигателем, управление движением посредством поворота колес. Для конкретизации этой схемы введем узел — вид теплового двигателя: внутреннего сгорания, паровой, газовая турбина, что позволит уточнить исходную схему. Другой набор, 1.2–2.1–3.3–4.2 соответствует трамваю.

3.3.1.9. Функционально-стоимостной анализ

Основное назначение функционально-стоимостного анализа (ФСА) — добиться максимального снижения стоимости изделия за счет совершенствования его конструкции и технологии изготовления. Его принципы применительно к совершенствованию производства были сформулированы Ю.М.Соколовым в 1943 г., но как самостоятельный метод ФСА был введен в широкую практику Майлзом (США) в 1961 г.

Метод применяется к уже известным объектам — подлежащим улучшению изделию, технологическому процессу. Известно, что потребитель изделия оплачивает (с его точки зрения) стоимость удовлетворения своих потребностей, т.е. выполнения потребных функций. ФСА, основываясь на выявлении всех функций Ф_i исследуемого объекта и соотнесении их с его элементами (деталями, узлами, сборочными единицами), нацелен на минимизацию полной стоимости С выполнения этих функций, например, минимизацию С= Σ С_i · Ф_i . Для этого необходимо знать функциональную структуру объекта, стоимость отдельных функций С_i и их значимость Ф_i.

Стоимость функций С_j включает затраты на материалы, изготовление, сборку, транспортировку и последующие обслуживание и утилизацию и т.п. (этот круг определяется целями задачи и жизненным циклом). Эффективны действия, направленные на совмещение выполнения одной частью изделия нескольких функций и на максимальную реализацию принципа ИКР (функция выполняется, а ее носителя нет). На практике этому соответствует то, если стоимость нового объекта, совмещающего ряд функций, будет меньше суммарной стоимости объектов, выполнявших эти функции поврозь. Стоит отметить, что важнее искать ненужные и неэффективно работающие части изделия и отказываться от них, а не снижать их стоимость.

Для проведения анализа необходимо знание не только стоимости функций, выполняемых исследуемым изделием, но и стоимость выполнения аналогичных функций другими доступными деталями или узлами. Возможно назначение стоимости в виде сравнительных оценок — отталкиваться от стоимости исходной функции, принимаемой за единицу.

В первую очередь минимизируют стоимость выполнения главных функций. При этом качество функционирования изделия стремятся сохранить на прежнем уровне. Однако не следует упускать из внимания и вспомогательные функции, часто решающим образом определяющие спрос на выпускаемое изделие (например, внешняя привлекательность, удобство эксплуатации и т.п.). Это указывает на важность знания не только стоимости каждой функции, но и ее ценности (значимости).

На стоимость функции влияют:

• стоимость реализации принципа действия: энергетические затраты, доступность и стоимость материалов, последствия от побочных эффектов и т.д.;
• структурные признаки: простота (технологичность) форм деталей, их взаимное расположение и количество (разнообразие) и т.д.;
• параметрические характеристики: материалоемкость деталей, их размеры и качество поверхностей, точность изготовления и сборки и т.д.

Следует помнить, решение задачи методом ФСА конкретно и зависит от условий производства и применения исследуемого изделия. Например, на стоимость изделия влияют отличия в цене на электроэнергию в разных районах, имеющееся на данном заводе оборудование.

ФСА можно вести бессистемно с целью решения какой-то частной задачи. Например, рассматривается шероховатость некоторой поверхности. Почему здесь нужно такое качество поверхности? Нельзя ли его понизить (а, следовательно, заменить, допустим, шлифование точением) и что для этого нужно сделать или изменить?

Эффективное проведение ФСА включает выполнение следующих этапов:

1. Планирование и подготовка: уточняется объект и цели (минимизация стоимости или повышение качества выполнения функции при сохранении прежней стоимости), формируется рабочая группа.

2. Информационный: сбор сведений по условиям применения и изготовления изделия, требованиям к его качеству, возможным проектным решениям, недостаткам.

3. Аналитический: составление функциональной структуры, определение стоимости и ценности отдельных функций, выбор направления работы.

4. Поисковый: улучшение решения на основе привлечения эвристических, математических и экспериментальных методов, выбор лучших вариантов.

5. Рекомендательный: оформление протоколов и рекомендаций по реализации предложений.

ФСА широко применяется для повышения конкурентоспособности выпускаемых изделий, «вылизывания конструкций», т.е. такого снижения стоимости изделия и улучшения его конструкции, чтобы не допустить (сделать экономически нецелесообразным) выпуск подобного по функциям и их качеству изделия конкурирующими фирмами. Так, в Японии 100% экспортируемых промышленных изделий подвергается ФСА.

Обычно на несовершенство конструкции и неосознанное применение ФСА указывают подаваемые в процессе выпуска продукции рацпредложения.

Более подробно с содержанием приведенных и других эвристических методов можно познакомиться в книге Дж.Джонса.

3.3.1.10. Методы конструирования

Приведенные выше эвристические методы позволяют найти оригинальные или неожиданные идею, техническое решение, образ объекта. Однако на практике такое требуется примерно в 10% решаемых задач, когда важны существенные прорыв в новое или отрыв от конкурентов. Чаще необходимо усовершенствовать уже известное решение. Это объясняется тем, что инженерное решение всегда должно увязываться с его практической реализуемостью, с возможностью «воплощения в металле», т.е. быть, прежде всего, технологичным, экономичным и не требовать длительных по времени работ. Известна следующая поговорка практиков: «Кончай дедукцию, давай продукцию». А потому новое решение обычно получают путем постепенного внесения малых изменений в прежнюю, уже существующую конструкцию, используя разные методы и подходы, условно называемые методами конструирования.

К методам конструирования относятся методы на основе преемственности, унификации, агрегатирования, модификации, стандартизации, инверсии и другие /Орлов П.И./. По своему характеру эти методы являются эвристическими.

Конструктивная преемственность — это постепенное совершенствование конструкции путем введения в нее отдельных новых или дополнительных деталей, узлов, агрегатов взамен морально устаревших и неудовлетворяющих современным требованиям, либо с целью изменения прежних характеристик изделия. Метод основан на совершенствовании уже существующей конструкции. Он включает следующие этапы:

• составление списка новых требований к конструкции и его анализ,
• выявление в конструкции частей, препятствующих удовлетворению этих требований,
• поиск путей по усовершенствованию данных частей или поиск вариантов для их замены.

Метод широко использует основные эвристические методы. Так, для поиска слабых мест в конструкции эффективно применять метод иерархической декомпозиции, расчленяя изделие на как можно более простые или элементарные части и отыскивая те, с которыми связана неудовлетворительная работа всего изделия. Чем элементарнее будет заменяемая часть, тем проще и быстрее будет создана более совершенная конструкция: меньше времени уйдет на разработку, не понадобится существенно переналаживать технологический процесс. При этом необходимо выполнять проверку на состыковку новой части с остальными частями изделия (по геометрическим размерам и формам сопрягаемых поверхностей, усилиям взаимодействия и передаваемой мощности и другим входным и выходным параметрам) и обращать внимание на то, чтобы согласование размеров, создание специальных условий и т.д. не усложняло технологию изготовления и сборки соседних взаимодействующих частей.

Метод базового агрегата — выпуск разнообразных изделий, объединенных наличием у них общей, базовой части (агрегата). Обычно таким агрегатом является наиболее сложная часть будущих изделий. Разработка базового агрегата ведется с таким учетом, чтобы, присоединяя к нему дополнительные части, можно было достаточно просто и быстро создавать изделия с измененными внешним видом, числом выполняемых функций, характеристиками. Метод базируется на унификации форм и параметров состыковочных поверхностей, согласованности величин мощности и основных входных и выходных параметров.

Метод агрегатирования — создание изделия путем сочленения унифицированных агрегатов, устанавливаемых в различном сочетании на общем основании. Для удобства сочленения комбинируемые агрегаты обладают полной взаимозаменяемостью по эксплуатационным показателям и присоединительным размерам.

Метод модификации — переделка изделия с целью его приспособления к новым требования, условиям работы, технологическому процессу (способу изготовления и сборки) без изменения в нем наиболее дорогих и ответственных частей. Часто основывается на замене материалов или изменении их механических или химических свойств, либо замене одних частей на другие.

Метод стандартизации — создание конструкции и ее последующее совершенствование на основе применения стандартных деталей и узлов, элементов со стандартными параметрами. Это позволяет, несмотря на сложность стандартных элементов, использовать уже разработанную техническую документацию и, возможно, покупные части (например, асинхронный электродвигатель, подшипник качения), применять типовые технологические операции и оборудование, упрощает обслуживание и ремонт.

Метод инверсии — создание новой конструкции на основе изменения функций, форм или положения частей существующего изделия. Например, пружину растяжения заменить пружиной сжатия, выпуклую поверхность сделать вогнутой.

3.3.2. Экспериментальные методы

3.3.2.1. Цели и виды экспериментальных методов

Экспериментальные исследования, в основном, ведутся с двумя целями:

• определение закономерностей и характеристик, присущих исследуемому объекту (например, зависимость удлинения детали при ее нагреве), и определение действительных значений его параметров (например, физико-механические свойства используемого материала, степень коррозиоустойчивости и т.п.). Эта деятельность связана с экспериментальными исследованиями, поиском нового и неизвестного;
• сбор данных, которые будут содержать достаточные сведения для подтверждения правильности гипотез или ранее принятых решений (определение фактических характеристик, их соответствие заданным показателям качества, проверка технологических решений и т.д.). Такие работы связаны с проведением испытаний, т.е. практической проверкой теорий и предположений. Испытания разработанного объекта обязательны для подтверждения возможности его запуска в производство. Порядок таких испытаний регламентируется ГОСТ 15.201.

Экспериментальные данные получают посредством измерений, анализов, диагностирования, органолептических методов (вкус, запах и т.п.), фиксации событий (отказы, повреждения) и другими способами. Исследуемые характеристики изделий либо экспериментально оцениваются (задача — получение качественных или количественных оценок), либо контролируются (задача — установление соответствия реальных характеристик требуемым). Характеристики могут замеряться в процессе работы или на нефункционирующем изделии, до либо после приложения воздействия.

Испытания проводятся в естественных или искусственно созданных (моделируемых) условиях, или же в условиях, обусловленных функционированием самого изделия (например, внутренний нагрев вследствие трения). Для имитации условий используют следующие виды воздействий:

• механические (внешние нагрузки, вибрации, удар и т.п.);
• климатические (атмосферное давление, температура, влажность, пыль и т.п.);
• термические (нагрев или охлаждение);
• радиационные;
• электрические (напряжение, ток, поле);
• электромагнитные;
• магнитные;
• химические (специальные среды);
• биологические.

Испытывается единичное изделие или партия, подвергаемая сплошному или выборочному контролю. Объектом испытаний может быть макет или модель изделия, но принимаемое тогда решение относится к этим объектам. В процессе испытаний некоторого изделия возможна замена части его элементов моделями или на моделях замеряются отдельные характеристики.

В зависимости от целей возможно проведение следующих видов испытаний:

• определительные. Уточняют значения характеристик изделия;
• контрольные. Уточнят качество изделия;
• сравнительные. Проводят в идентичных условиях для сравнения характеристик аналогичных или одинаковых объектов;
• исследовательские. Изучают и уточняют свойства изделия. Этот вид испытаний может проводиться и на промежуточных этапах проектирования: исследуются показатели качества, выбирается наилучший режим эксплуатации или наилучшие характеристики (поисковые исследования), сравниваются проектные варианты изделия и его узлов, оцениваются параметры и вид математических моделей, выявляются существенно влияющие на показатели качества факторы.

В процессе нормальных испытаний информация об изделии собирается постепенно, в тот же интервал времени, который соответствует обычным условиям эксплуатации. Эту же информацию можно получить в более сжатые сроки в результате ускоренных испытаний. При ограниченности времени и материальных ресурсов проводят неполные, сокращенные испытания.

Необходимо учитывать, что при повторных испытаниях результаты в той или иной степени отклоняются от ранее полученных. Воспроизводимость результатов зависит от непостоянства характеристик испытываемых изделий и разброса их параметров, воспроизводимости самих испытаний, квалификации персонала.

В зависимости от степени соответствия реальным условиям испытания подразделяются на следующие:

• лабораторные. Это — в основном исследовательские испытания. В лабораторных условиях изучается поведение отдельных узлов и деталей, макетов и образцов. Часть внешних параметров имитируется;
• стендовые (заводские). На испытательном оборудовании (стендах) в работе проверяется взаимодействие механизмов и отдельных узлов, выявляются дефекты, замеряются основные характеристики. Здесь исследуются экспериментальные образцы изделий, и часть внешних воздействий имитируется;
• полигонные. Исследования опытных образцов изделий ведется в условиях, наиболее приближенных к реальным, в две стадии: обкатка и опробование. Проверяется надежность изделия и соответствие его характеристик. Время обкатки устанавливается нормативными документами. Изделие последовательно обкатывается на холостом ходу и под частичной нагрузкой. Опробование изделия с целью уточнения фактических характеристик проводится в рабочих условиях, под полной нагрузкой и предусматривает различные варианты условий и режимов работы;
• натурные. Испытывается реальное изделие в условиях его прямого назначения с непосредственной оценкой реальных свойств;
• эксплуатационные. Проводятся в условиях непосредственной эксплуатации серийно (промышленно) выпускаемого изделия. Собираются статистические данные об изделии, выявляются скрытые дефекты и дополнительные возможности.

В зависимости от ответственности назначения изделия экспериментальные исследования могут включать часть или полную систему этих испытаний. На выбор влияет и то, что затраты на проведение испытаний, при переходе от лабораторных к эксплуатационным, резко возрастают.

Порядок испытаний зависит от вида исследуемого объекта и регламентируется соответствующими стандартами и разработанными на их основе рекомендациями. Обычно для проведения испытаний привлекаются специализированные организации или подразделения предприятий. Результаты работ принимаются (официально подтверждаются) приемносдаточными (ведомственной или государственной) комиссиями.

3.3.2.2. Планирование эксперимента и обработка экспериментальных данных

При проведении экспериментальных исследований всегда стремятся к сокращению их сроков и затрат, а также — к получению результатов с требуемой точностью. Для этих целей разработаны и широко применяются (а в некоторых случаях — в обязательном порядке) математические методы планирования эксперимента и обработки экспериментальных данных.

Методы планирования эксперимента позволяют минимизировать число необходимых испытаний, установить рациональный порядок и условия проведения исследований в зависимости от их вида и требуемой точности результатов. Если же по каким-либо причинам число испытаний уже ограничено, то методы дают оценку точности, с которой в этом случае будут получены результаты. Методы учитывают случайный характер рассеяния свойств испытываемых объектов и характеристик используемого оборудования. Они базируются на методах теории вероятности и математической статистики.

Планирование эксперимента включает ряд этапов.

1. Установление цели эксперимента (определение характеристик, свойств и т.п.) и его вида (определительные, контрольные, сравнительные, исследовательские).

2. Уточнение условий проведения эксперимента (имеющееся или доступное оборудование, сроки работ, финансовые ресурсы, численность и кадровый состав работников и т.п.). Выбор вида испытаний (нормальные, ускоренные, сокращенные в условиях лаборатории, на стенде, полигонные, натурные или эксплуатационные).

3. Выявление и выбор входных и выходных параметров на основе сбора и анализа предварительной (априорной) информации. Входные параметры (факторы) могут быть детерминированными, т.е. регистрируемыми и управляемыми (зависимыми от наблюдателя), и случайными, т.е. регистрируемыми, но неуправляемыми. Наряду с ними на состояние исследуемого объекта могут оказывать влияние нерегистрируемые и неуправляемые параметры, которые вносят систематическую или случайную погрешность в результаты измерений. Это — ошибки измерительного оборудования, изменение свойств исследуемого объекта в период эксперимента, например, из-за старения материала или его износа, воздействие персонала и т.д.

4. Установление потребной точности результатов измерений (выходных параметров), области возможного изменения входных параметров, уточнение видов воздействий. Выбирается вид образцов или исследуемых объектов, учитывая степень их соответствия реальному изделию по состоянию, устройству, форме, размерам и другим характеристикам.

На назначение степени точности влияют условия изготовления и эксплуатации объекта, при создании которого будут использоваться эти экспериментальные данные. Условия изготовления, т.е. возможности производства, ограничивают наивысшую реально достижимую точность. Условия эксплуатации, т.е. условия обеспечения нормальной работы объекта, определяют минимальные требования к точности.

Точность экспериментальных данных также существенно зависит от объема (числа) испытаний — чем испытаний больше, тем (при тех же условиях) выше достоверность результатов.

Для ряда случаев (при небольшом числе факторов и известном законе их распределения) можно заранее рассчитать минимально необходимое число испытаний, проведение которых позволит получить результаты с требуемой точностью.

5. Составление плана и проведение эксперимента — количество и порядок испытаний, способ сбора, хранения и документирования данных.

Порядок проведения испытаний важен, если входные параметры (факторы) при исследовании одного и того же объекта в течение одного опыта принимают разные значения. Например, при испытании на усталость при ступенчатом изменении уровня нагрузки предел выносливости зависит от последовательности нагружения, так как по-разному идет накопление повреждений, и, следовательно, будет разная величина предела выносливости.

В ряде случаев, когда систематически действующие параметры сложно учесть и проконтролировать, их преобразуют в случайные, специально предусматривая случайный порядок проведения испытаний (рандомизация эксперимента). Это позволяет применять к анализу результатов методы математической теории статистики.

Порядок испытаний также важен в процессе поисковых исследований: в зависимости от выбранной последовательности действий при экспериментальном поиске оптимального соотношения параметров объекта или какого-то процесса может потребоваться больше или меньше опытов. Эти экспериментальные задачи подобны математическим задачам численного поиска оптимальных решений. Наиболее хорошо разработаны методы одномерного поиска (однофакторные однокритериальные задачи), такие как метод Фибоначчи, метод золотого сечения.

6. Статистическая обработка результатов эксперимента, построение математической модели поведения исследуемых характеристик.

Необходимость обработки вызвана тем, что выборочный анализ отдельных данных, вне связи с остальными результатами, или же некорректная их обработка могут не только снизить ценность практических рекомендаций, но и привести к ошибочным выводам. Обработка результатов включает:

• определение доверительного интервала среднего значения и дисперсии (или среднего квадратичного отклонения) величин выходных параметров (экспериментальных данных) для заданной статистической надежности P;
• проверка на отсутствие ошибочных значений (выбросов), с целью исключения сомнительных результатов из дальнейшего анализа. Проводится на соответствие одному из специальных критериев, выбор которого зависит от закона распределения случайной величины и вида выброса;
• проверка соответствия опытных данных ранее априорно введенному закону распределения. В зависимости от этого подтверждаются выбранный план эксперимента и методы обработки результатов, уточняется выбор математической модели.

Построение математической модели выполняется в случаях, когда должны быть получены количественные характеристики взаимосвязанных входных и выходных исследуемых параметров. Это — задачи апроксимации, т.е. выбора математической зависимости, наилучшим образом соответствующей экспериментальным данным. Для этих целей применяют регрессионные модели, которые основаны на разложении искомой функции в ряд с удержанием одного (линейная зависимость, линия регрессии) или нескольких (нелинейные зависимости) членов разложения (ряды Фурье, Тейлора). Одним из методов подбора линии регрессии является широко распространенный метод наименьших квадратов.

Для оценки степени взаимосвязанности факторов или выходных параметров проводят корреляционный анализ результатов испытаний. В качестве меры взаимосвязанности используют коэффициент корреляции: для независимых или нелинейно зависимых случайных величин он равен или близок к нулю, а его близость к единице свидетельствует о полной взаимосвязанности величин и наличии между ними линейной зависимости.

При обработке или использовании экспериментальных данных, представленных в табличном виде, возникает потребность получения промежуточных значений. Для этого применяют методы линейной и нелинейной (полиноминальной) интерполяции (определение промежуточных значений) и экстраполяции (определение значений, лежащих вне интервала изменения данных).

7. Объяснение полученных результатов и формулирование рекомендаций по их использованию, уточнению методики проведения эксперимента.

Снижение трудоемкости и сокращение сроков испытаний достигается применением автоматизированных экспериментальных комплексов. Такой комплекс включает испытательные стенды с автоматизированной установкой режимов (позволяет имитировать реальные режимы работы), автоматически обрабатывает результаты, ведет статистический анализ и документирует исследования. Но велика и ответственность инженера в этих исследованиях: четкое поставленные цели испытаний и правильно принятое решение позволяют точно найти слабое место изделия, сократить затраты на доводку и итерационность процесса проектирования.

В настоящее время существует много программ, предназначенных для обработки экспериментальных данных. Их выбор зависит от целей и условий исследований, вида решаемых задач.

3.3.2.3. Машинный эксперимент

Использование математических моделей дает возможность заменить реальный эксперимент работой с компьютерными моделями. Такое исследование часто называют машинным экспериментом (это исторически сложившийся термин, появление которого связано с первоначальным названием компьютеров — ЭВМ). Работа с компьютерной моделью, когда для пользователя скрыты зависимости между параметрами, исходные принципы и допущения, подобна исследованию «черного ящика», а поиск взаимосвязей между входными и выходными параметрами — подобно экспериментированию с физическими моделями. Эта схожесть позволяет применять методы экспериментальных исследований к работе с программными комплексами. Следует также учитывать следующее:

• получаемые в процессе машинного эксперимента результаты могут иметь случайный разброс, вызываемый не только неустойчивой работой вычислительной системы, но и особенностями используемых численных методов (необходимость получения высокоточных результатов с числом значащих цифр, сопоставимых с длиной числа, обрабатываемого процессором, расчет вблизи особых точек при малой разности больших чисел, делении на число, близкое к нулю, и т.п.). Убедиться в достоверности результатов расчетов можно проверкой их на соответствие физическому смыслу или повторением расчетов на более совершенном компьютере;
• результаты расчета, несмотря на свою однозначность, в действительности имеют разброс, обусловленный случайным характером физических величин, используемых в качестве исходных данных. Так, если вводимые параметры известны с погрешностью 5...10% (например, модуль упругости материала, его предел прочности), то и погрешность результатов расчетов (например, величин прогибов, напряжения) будет не меньше и не зависит от увеличения количества цифр в ответе.

3.3.2.4. Мысленный эксперимент

Это одна из разновидностей экспериментальных исследований, но проводимых мысленно. Задача мысленного эксперимента — быстрое получение качественного или оценочного результата. Достоверность получаемых таким образом суждений, прежде всего, зависит от практического опыта исследователя, его фантазии и аналитических способностей мышления.

3.3.3. Формализованные методы

Область применения формализованных методов постоянно расширяется. Это объясняется их следующими достоинствами:

• позволяют построить прогноз поведения изделия или процесса во времени и в пространстве;
• позволяют сравнительно быстро и дешево найти (рассчитать) несколько вариантов решений, что служит основой для выбора лучшего и, следовательно, конкурентоспособного изделия;
• позволяют определять параметры на ранних этапах проектных работ, когда вид создаваемых объектов или их макетов еще точно не известен;
• позволяют поставить «чистый» эксперимент, т.е. исследовать свойства и характеристики в зависимости от заданных параметров при отсутствии влияния (постоянстве) других параметров;
• обеспечивают психологический комфорт и снимают неопределенность и неуверенность в процессе решения задачи благодаря опыту и знаниям специалистов, создавших эти расчетные зависимости;
• позволяют автоматизировать деятельность.

С другой стороны, «объективность» формализованных методов еще не гарантирует их полного соответствия действительности, поскольку точность результатов зависит от следующих факторов:

• присутствие в расчетах ошибок как субъективных, допускаемых человеком, так и являющихся результатом некачественной работы или сбоя в работе используемого устройства (компьютеров, измерительно-управляющих систем и т.п.);
• правильность выбора модели и метода, их адекватность и точность (субъективный фактор);
• полнота и достоверность исходной информации, корректность (точность) формулировок решаемой задачи.

Стоит также подчеркнуть, что при решении задачи возможны два случая:

• известна точность, с которой должны быть получены результаты. Тогда точность исходных данных и используемых методов должна соответствовать данной точности и обеспечить ее получение;
• известна точность исходных данных и используемого метода. Тогда точность результатов зависит от их точности и, как правило, не превысит наименьшей из их значений.

При расчете по инженерным зависимостям следует помнить о правиле «n%»:

• исходным данным всегда присуща погрешность. Перед проведением исследований или расчетов необходимо оценить максимальную погрешность данных, допустим, составляющую n%. Результаты расчетов и экспериментальных исследований, лежащие в пределах ± n% считаются тождественными.

В машиностроении по умолчанию принимают погрешность, равной 5%. Снижение погрешности является сложной задачей и требует, в первую очередь, повышения точности знания свойств материалов (технологическая задача) и характеристик внешних нагрузок (экспериментальная задача).

Интересен в этой связи случай, рассказанный ученым и кораблестроителем академиком А.Н. Крыловым (1863–1945).

Сотрудник его института выполнил расчеты одной из конструкций корабля с очень высокой точностью. Крылов, узнав об этом, вместо благодарности велел посадить его, в назидание другим, на несколько суток под домашний арест за бесцельное разбазаривание рабочего времени на нахождение ничего не значащих цифр.

Поиск различных вариантов решений является одной из важнейших задач проектирования: чем больше вариантов, тем лучше окончательное решение. Чаще всего конкретные варианты находят для различных допустимых сочетаний параметров (аналитически или численно). Универсальным является метод полного перебора. Его применяют в ответственных случаях и если позволяют возможности (наличие вычислительной техники, достаточность времени). При ограниченности ресурсов пользуются упрощенными методами:

• методы частичного (выборочного) перебора. Они подразделяются на детерминированные методы (выбор параметров в соответствии с некоторым законом) и методы случайного поиска. Важное требование – равномерное покрытие точками области допустимых параметров. В последнее время получили распространение псевдослучайные распределения, обладающие хорошей равномерностью распределения и удобством хранения в памяти компьютеров результатов вычислений;
• методы сокращения области поиска посредством анализа дополнительной информации, получаемой при расчете предыдущих вариантов – анализ тенденций изменения результатов (градиентные методы), выявление областей нерекомендуемых значений параметров.

Анализ решений, найденных методом случайного или псевдослучайного поиска, позволяет получить дополнительную информацию: можно установить степень взаимосвязанности параметров, рассчитав коэффициент корреляции. Если для рассматриваемой пары, например, показателей качества этот коэффициент близок к единице, то показатели линейно зависимы и отображают разными словами одно и то же качество. В таком случае один из них можно отбросить, не потеряв общности задачи, но понизив её размерность.

Формализованные методы – наиболее исследованная область человеческой деятельности. Они – основа создаваемых программ и автоматизации процедур.

Автоматизация процедур проектирования. До 60-х годов орудиями труда проектировщика служили кульман, циркуль, логарифмическая линейка и другие подобные устройства. Проектирование велось по аналогии с использованием оригинальных решений, а ускорение работ достигалось преемственностью технических решений. Нередко возникали ситуации, когда период проектирования сложных объектов был соизмерим со временем их морального износа. Длительность сроков вызывалась, прежде всего, большим объемом рутинных, ручных работ. Так, по данным американских специалистов объемы работ в проектировании в 70-е годы распределялись следующим образом: 20% — творческие работы, 5% — выполнение расчетов, 75% — вспомогательные работы, из которых 30% приходилось на чертежно-графические работы и 45% — на составление и утверждение документации.

Наличие в проектной деятельности формализованных процедур и широкое распространение компьютеров позволили разрешить противоречие между возрастающей сложностью технических объектов и требованием к эффективности проектирования. Автоматизация охватила все этапы жизненного цикла: автоматизированная система планирования (АСП), автоматизированная система научных исследований (АСНИ), система автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированный экспериментальный комплекс (АЭК), гибкое автоматизированное производство (ГАП) и автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП), автоматизированная система управления эксплуатацией (АСУ).

Основная тенденция развития таких систем идет в направлении создания автоматических систем, которые способны выполнять заданные функции или процедуры без участия человека. Роль человека заключается в подготовке исходных данных, выборе алгоритма (метода решения) и анализе полученных результатов. Однако присутствие в решаемых задачах эвристических или сложно программируемых процедур объясняет широкое распространение автоматизированных систем. Здесь человек участвует в процессе решения, например, управляя им, вводя промежуточные данные. На степень автоматизации влияют и продолжительность времени, отведенного на решение задачи, и ее вид — типовая или нет. Так, при срочном поиске решения нестандартной задачи следует полагаться только на самого себя.

Применение автоматизированных и автоматических процедур порождает и новую проблему — достоверность получаемых результатов: ошибки могут быть следствием как неверных действий при вводе данных и управлении работой компьютера, так и сбоя в его работе. Для повышения чувства уверенности следует пользоваться правилом: еще до решения любой по сложности задачи инженер должен представлять порядок получаемого результата или возможный вид решения.

3.3.4. Методы принятия решений

3.3.4.1. Задачи оптимального проектирования

В процессе решения задачи всегда появляется несколько вариантов. Это происходит и случайно, в силу неоднозначности и неопределенности процесса решения, и целенаправленно, как основа поиска лучшего результата. Но задача, и особенно техническая, считается решенной тогда, когда будет сделан выбор окончательного, единственного варианта. Только такая деятельность считается продуктивной.

Рекомендуемые к исполнению решения должны быть:

• обоснованными,
• своевременными,
• директивными (обязательными к исполнению),
• правомочными,
• непротиворечивыми (согласованными с другими, в том числе и ранее принятыми).

Выбираемое решение всегда взаимосвязано с конкретной личностью (индивидуальное решение) или группой людей (коллективное решение). Человек, который

- имеет право выбирать окончательное решение,

- несет за него ответственность,

- заинтересован в решении проблемы,

называется лицом, принимающим решение (ЛИР). Принятие решения в значительной степени носит социальный характер, поскольку нацелено на удовлетворение общественных потребностей.

Выбор возможен одним из следующих способов:

• случайным образом (способом необъяснимым и независящим от условий задачи),
• волевым образом (выбор не обосновывается и индивидуален, определяется чертами характера ЛИР),
• критериальным образом (выбор имеет обоснование, доступное пониманию другими людьми).

В проектировании предпочтителен критериальный выбор: разработчик должен уметь аргументировано доказать верность и эффективность полученных результатов.

Ранее критериальный подход больше базировался на опыте (экспертных оценках), на обосновывающих верность рассуждениях и умозаключениях (логических построениях). В последнее время к выводам стали предъявлять требования четкости и точности. Появилась новая наука, теория исследования операций, изучающая проблемы, связанные с принятием решений (см. работы Е.С. Вентцель). А задачи, решаемые на основе ее принципов, стали называть задачами оптимального проектирования.

Как уже отмечалось ранее, реальный объект характеризуется огромным числом параметров, и для упрощения его описания выделяют принцип действия, структурный и параметрический уровни. Аналогично, задачи оптимального проектирования подразделяют на задачи выбора оптимального принципа действия, структурной и параметрической оптимизации.

Разработка методов выбора оптимального принципа действия пока относится к задачам перспективных исследований: еще не известны такие методы и критерии, которые бы позволили на основе ограниченного числа данных, которое соответствует этому уровню описания объекта, дать полную и точную картину его поведения в реальных условиях и позволить выбрать предпочтительный принцип действия.

Решение задачи структурной оптимизации более реально. В ее основе могут лежать представление структуры в виде графов, сравнительный анализ структур на основе ограниченного числа структурных параметров, объединение исследуемых структур в одну, обобщенную. Но неполнота учитываемых данных не позволяет однозначно указать на лучший вариант, и выводы носят рекомендательно-оценочный характер.

Наиболее разработаны математические методы параметрической оптимизации, т.е. методы поиска оптимальных параметров объекта в рамках заданных его принципа действия и структуры.

Основой для поиска оптимального варианта служат правила (критерии) оптимальности, а мерой предпочтения — показатели качества. Показатели могут иметь либо количественную оценку (формализованные показатели), либо качественную характеристику (неформализованные показатели). В задачах параметрической оптимизации используют формализованные показатели, которые также называют критериями оптимизации (критериями эффективности объекта). Но стоит помнить, что назначение количества и типов критериев осуществляется человеком, что придает им эвристический характер. А с другой стороны, критерии определяют конечный вид проектируемого объекта, и, следовательно, случайный их выбор ведет к случайным и неэффективным результатам (хотя эти результаты могут быть получены на основе многократно проверенных и общепринятых методик).

Для удобства и однозначности восприятия критерии К_i (где i=1,..., m и m — число критериев) нормируют, т.е. обычно приводят к следующему виду:

• К_i ≥ 0;
• критерии К_i убывают с улучшением решения, с ростом качества проектируемого объекта (встречается и обратное требование);
• предпочтительно критерии приводить к безразмерному виду;
• наилучшее значение критерия равно нулю. Решения, у которого все критерии нулевые (К_i = 0), соответствует ИКР.

Диапазон изменения параметров {х} объекта всегда ограничен их физическим смыслом, материальными ресурсами, условиями задачи (например, положительность величин геометрических размеров, изменение КПД от 0 до 1, стандартные значения шага резьбы и т.п.). Поэтому реальные варианты решений P_j (где j=1,..., n и n — число возможных решений) занимают некоторую конечную допустимую область в пространстве их параметров Мд(х). Однако огромное число параметров, которое характеризует любой объект, делает сложной для восприятия и ненаглядной работу в таком пространстве. Чаще анализ и принятие решений ведут в пространстве критериев Мд(к), являющемся частным случаем пространства параметров.

На рис. 7а показан пример множества из пяти допустимых решений Мд(к)= { P_A, P_B, P_C, P_D, Pe }= {P_j} в пространстве двух критериев {К₁ , К₂} (вектора решений, за исключением P_B , на рисунке не показаны). Каждому решению P_j соответствует свой набор критериев, т.е. P_j={К_ij}. Множество допустимых решений может быть дискретным (рис. 7а), либо непрерывным (рис. 7б).

Рис.7. Множество допустимых решений Мд (к) в пространстве критериев: а — дискретное, б — непрерывное

Характеризуя объект, сложно выбрать такой один критерий, который бы обеспечил всю полноту требований. А стремление к всеобъемлющему решению и назначение большого числа критериев сильно усложняет задачу. Поэтому в разных задачах количество критериев может быть различным. Задачи однокритериальной оптимизации называют скалярными, а многокритериальной — векторной оптимизации. Последнее название объясняется тем, что решение можно изобразить как бы вектором P в пространстве критериев.

Распространен принцип сведения решения задачи оптимального проектирования объекта-системы к оптимизации его подсистем. Однако наличие нелинейных связей между подсистемами не гарантирует оптимальности всей системы.

Рассмотрим основные методы принятия решений в задачах параметрической оптимизации.

3.3.4.2. Однокритериальные задачи

Поиск решений в однокритериальных задачах (задачах скалярной оптимизации) зависит от вида математической модели и описывающих ее выражений. Это могут быть задачи:

• поиска экстремума алгебраической функции-зависимости критерия от параметров объекта К = f(х). Для задачи с плавным изменением функции экстремум находится дифференцированием. Решение — конкретное численное значение;
• вариационного исчисления, если критерий описывается функционалом, т.е. интегралом от выражения, зависящего от параметров, их функции и производных. Решение имеет вид функциональной зависимости (аналитического уравнения), например, уравнения формы поверхности равнопрочного вала, закона нагружения;
• линейного программирования, когда критерий и условия, накладываемые на решение задачи, являются линейными функциями параметров (равенства или неравенства). Решение — численное значение;
• нелинейного программирования;
• полного или частичного перебора.

Поведение параметров реального объекта достаточно сложно: часть может принимать только целые (например, число зубьев) или дискретные (например, стандартные величины шага резьбы) значения, связи между параметрами выражаться нелинейными или кусочно-нелинейными зависимостями, оптимизируемые функции иметь один или несколько экстремумом или вид террасных функций (например, при плавном увеличении нагрузки, растягивающей болт, величина его диаметра, определяемая из условия прочности, возрастает скачками, от одного стандартного значения к другому) и т.п. В таких случаях используют компьютерные модели, и решение выбирают на основе сравнения величин критерия, полученных для вариантов, рассчитанных с учетом всех или части возможных значений параметров.

3.3.4.3. Задачи многокритериальной оптимизации

В большинстве случаев абсолютно лучшее решение выбрать невозможно, так как при переходе от одного варианта к другому (например, от P_A к P_B ) улучшаются одни критерии (на рис.7а — К₂), но ухудшаются другие (К₁). Состав таких критериев называется противоречивым, и окончательно выбранное решение всегда будет компромиссным.

Компромисс разрешается введением тех или иных дополнительных ограничений или субъективных предположений. Поэтому невозможно говорить об объективном единственном решении такой задачи.

В задачах многокритериальной оптимизации поиск решений возможен рядом способов.

Выделение области компромиссов и отбрасывание заведомо неудовлетворительных решений.

Множество допустимых решений М_д(к) разделяется на множество худших М_х(к) и множество нехудших М_нх(к) решений. Худшим считается такое решение, если можно найти другое решение, значения критериев у которого не хуже (такие же) или лучше, чем у рассматриваемого. Решение, для которого из множества допустимых решений нельзя найти ни одного лучшего по всем критериям, называется нехудшим. Так, для множества, представленного на рис. 7а: множество худших решений М_х(к)={ P_D, P_E } и множество нехудших решений М_нх(к)={P_A, P_B, P_C }, поскольку, например, у решения P_B ={К_1В , К_2в} значения всех критериев лучше, чем у решения P_D ={К_1D, К_2D}. С другой стороны, решение P_А по сравнению с решением P_В лучше по критерию К₁, но хуже по критерию К₂ .

Пусть К₁ — стоимость изделия в рублях, К₂ — масса этого же изделия в килограммах.

Имеется три варианта решений: P ₁={4, 4}, P₂={8, 1}, P ₃={7, 6}. Очевидно, что решение

P₁ лучше решения P₃ по всем критериям и без ущерба решение P₃ можно отбросить.

Выбрать лучшее из решений P₁ и P₂ затруднительно: по стоимости выгоднее первое решение, а по массе — второе.

Графически множество нехудших решений соответствует части граничных точек множества допустимых решений, которые находятся между точками касания линий, параллельных осям координат (при условии, что критерии убывают с улучшением решения). На рис.7б — это точки отрезка АВСБ границы области Мд(к). В пространстве параметров множество нехудших решений уже не обязательно будет лежать на границе множества допустимых решений М_х(к), а распределяется по всему пространству.

Множество нехудших решений еще называют неулучшаемым: замена одного решения из этого множества на другое ведет к улучшению одних критериев и обязательному ухудшению других.

Математический алгоритм выбора нехудших решений основан на использовании бинарных отношений предпочтения теории принятия решений. Смысл бинарных отношений заключается в последовательном попарном сравнении элементов в соответствии с установленным правилом предпочтения. Так, предпочтительность решения P_D по отношению к решению P_E (рис.7а) условно записывается как P_D R P_E или P_D > P_E. Обычно для поиска множества нехудших решений используют отношения предпочтения Слейтера или Парето, последние — чаще. Математическая запись отношений предпочтения Парето (фамилия итальянского ученого-экономиста, введшего в начале 20-х годов 20-го века это понятие) имеет вид: P_D P P_E , т.е. решение P_D ={К_1D,..., К_mD} лучше решения P_E ={К_1Е,..., К_mЕ} только тогда, когда К_iD ≤ К_iЕ (i=1,...,m), причем хотя бы для одной сравниваемой пары критериев (например, при i=l) имеет место строгое неравенство К_1D < К_1Е. Множеству Слейтера (области Слейтера) графически соответствует отрезок ABCD на рис.7б, в состав которого входит горизонтальный участок BC, а множеству Парето (области Парето) — участки AB и CD.

Область Парето — это область компромиссов: все решения здесь равнозначны, а окончательный выбор решения связан с введением дополнительного условия, часто — субъективного характера. Поиск решений, оптимальных по Парето, позволяет объективно сократить область возможного выбора, причем наибольшее усечение области допустимых решений достигается при назначении двух критериев. При увеличении числа критериев эффективность этого метода падает. Целесообразен одновременный учет 2...5 критериев.

Замена критериев ограничениями и последующий поиск решений в области, задаваемой этими и ранее заданными ограничениями.

Например, задачу минимизации массы и потерь энергии изделия можно свести к задаче проектирования изделия, у которого потери не превысят, допустим, 5% , а масса — 10 кг. Если в полученной области будет находиться несколько решений, то ограничения можно ужесточить (скажем, ограничить предельную массу 6 кг). Если же решений нет, то ограничения смягчают.

Сложность такой задачи — в удачной ее постановке, т.е. в быстром усечении области до одного решения при минимальном влиянии субъективных факторов, связанном с выбором ограничений. Введение ограничений (например, К₁¹ и К₂¹ в пространстве двух показателей качества, рис.7а) соответствует выделению прямоугольной области, и очевидно, что лучшим решением будет оказываться одно из нехудших (из области Парето).

Сведение задачи к однокритериальной и последующее ее решение методами скалярной оптимизации.

Такое сведение осуществляется на основе введения дополнительных предположений о взаимосвязи и взаимозависимости учитываемых в задаче показателей качества. Выбор конкретного способа сведения зависит от многих обстоятельств, таких как квалификация специалистов, объем и достоверность имеющейся в их распоряжении информации, срочность решения, степень ответственности за получаемый результат. При этом следует учитывать, что характер решения меняется и со временем (то, что выгодно сегодня, может быть разорительным завтра).

Сведение задачи к однокритериальной проводится посредством выбора одного критерия из нескольких, введения общей единицы измерения для всех критериев, свертки нескольких критериев в один и другими методами.

- Выбор из рассматриваемого перечня критериев одного, главного, который отражает наиболее существенные свойства исследуемого объекта. Выбор основывается на опыте разработчика или на мнении экспертов. С оставшимися критериями поступают следующими способами:

• заменяют их ограничениями, которые при необходимости ужесточают или смягчают;
• ранжируют критерии, т.е. упорядочено располагают по степени важности характеризуемых свойств. Например, К₁> К₃ >(К₂, К₅) > K₄ ... , что означает, что критерий К₁ важнее всех остальных (главный), из которых более важный — К₃, из оставшихся критериев более важны К₂ , К₅ , в свою очередь, равноценные друг другу, и т.д. Далее выбирают решение при главном критерии, вводя пороговые ограничения на остальные или же вообще их не учитывая. Если решений оказывается несколько, то лучшее из них выбирают на основе второго по важности критерия из ранжированного ряда, и т.д.

- Введение общей единицы измерения критериев. В качестве такой меры часто выбирают стоимость достижения того или иного уровня качества, будь то снижение массы и потерь энергии, современный дизайн и т.д. Т.е. для каждого варианта объекта, характеризуемого своим уровнем качества, подсчитывают (или оценивают), с одной стороны, расходы на производство, эксплуатацию и утилизацию, а с другой стороны — доходы от использования. По величине экономической эффективности (разности доходов и расходов) делают вывод о предпочтительности вариантов.

- Свертка векторного критерия, т.е. замена рассматриваемых критериев одним новым, называемым функцией полезности или целевой функцией. Выбор целевой функции сложная задача:

• нужно числено оценить, а не только ранжировать каждый критерий;
• нужно объединить критерии, которые имеют, как правило, разную размерность (например, рубли, килограммы, проценты и т.д.);
• нужно объединить критерии, величины и диапазоны изменения которых могут существенно разниться (например, потери измеряются сотыми долями, что несравнимо меньше величины, допустим, массы, измеряемой десятками и сотнями килограммов);
• сложно, а иногда и невозможно найти численную меру показателя качества. Например, такие неформализуемые показатели, как степень красоты, удобство работы;
• величины разных критериев могут определяться с различной достоверностью. Так, например, если масса изделия оценивается достаточно точно, то надежность задается заметно грубее.

Грамотное выполнение свертки с получением максимально достоверного результата достигается тщательным проведением предварительных исследований, привлечением знаний и опыта специалистов-экспертов. Методы постановки задач векторной оптимизации подробно изложены в книге Кини Р. Л. и Райфа Х.

В качестве целевой функции f часто используют:

• аддитивную функцию, т.е. функцию, подсчитываемую для каждого варианта (j = 1, ... , n) решения как сумму отдельных критериев (i = 1 , ... , m) с учетом их относительной важности λ_i, т.е. fj = Σλ_i·К_ij . Коэффициент &lambda_i называется весовым. Обычно принимают Σλ_i = 1;
• мультипликативную функцию, т.е. функцию, подсчитываемую как произведение отдельных критериев с соответствующими степенями λ_i , т.е. f_j = П(К_ij) ^λi.

В пределах решения одной задачи должен соблюдаться единый подход к подсчету целевой функции.

Рассмотрим такой показатель качества как компактность. Под ним обычно понимается совокупность минимизируемых критериев — габаритных размеров, допустим x,y,z . Тогда целевой функции компактности в аддитивной формулировке f_a=x+y+z будет соответствовать периметр, а в мультипликативной — f_м=xyz, т.е. объем.

Чаще используется аддитивная целевая функция, поскольку ее применение позволяет применять более простой и хорошо разработанный математический аппарат линейного программирования.

Входящие в целевую функцию отдельные критерии обязательно нормируют, т.е. приводят к безразмерному виду и устанавливают интервалы изменения от 0 до 1. Назначение величин весовых коэффициентов обычно проводят методом экспертных оценок. Для этого суммируют (с учетом опыта и квалификации) индивидуальные оценки каждого из группы экспертов. Учет многих мнений позволяет снизить влияние эвристичности решений и волевого подхода отдельных экспертов.

Применение различных подходов (что видно из примера) может приводить к разным результатам. Это еще раз подчеркивает важность в задачах многокритериальной оптимизации тщательности формулировок и подготовки данных, строгого обоснования вводимых предположений.

Графически в пространстве показателей качества применение целевой функции означает поиск точки касания N границы множества допустимых решений с линией, задаваемой этой функцией, при параллельном ее смещении от начала координат (если функция цели минимизируется) или из бесконечности к началу координат (если функция максимизируется). На рис. 8 сказанное поясняется на примере двухкритериальной задачи с непрерывным множеством допустимых решений М_д(к).

Рис. 8. Положение оптимального решения N при свертке векторного критерия

Аддитивной целевой функции соответствует прямая линия (рис. 8а), угол наклона которой определяется соотношением величин весовых коэффициентов и способом нормирования критериев. Оптимальному решению соответствует точка касания N, если функция цели минимизируется, и точка N' — если максимизируется. Положение точки касания при изменении угла наклона может меняться в пределах дуги АD множества Парето, т.е. оптимальное решение является одним из решений из множества Парето.

Мультипликативной целевой функции соответствует кривая линия (рис.8б, принято, что функция цели минимизируется), форма которой определяется соотношением величин весовых коэффициентов и способом нормирования критериев.

Решения, соответствующие точкам A и D, получаются в случае ранжирования критериев и последующего рассмотрения только одного из них.

В некоторых случаях, если область нехудших решений ограничена извилистой линией, поиск с помощью функции цели может дать нескольких оптимальных решений (рис.8в).

Недопустима свертка показателей безопасности или их отбрасывание при ранжировании.

3.3.4.4. Принятие решений в условиях неопределенности

Условия неопределенности могут быть следствием недостаточности сведений о задаче (например, на начальном этапе проектирования) или качественного представления показателей, т.е. когда неизвестно их точное значение. При принятии решения в таких ситуациях применяют следующие методы приближенной оценки вариантов с последующим выбором лучшего (на примере четырех изделий Р₁ ... Р₄ по показателям качества стоимость, масса, потери энергии и надежность).

1. Оценка вариантов решений в случае отсутствия численных значений критериев (качественное представление показателей). Составляют таблицу и по каждому показателю качества (в столбце) «плюсом» отмечают решения, имеющие явные достоинства. Ячейки непомеченных решений остаются свободными или же в них заносится «минус». При колебаниях, сомнениях или нерешительности при оценке какого-либо решения в соответствующей ячейке можно поставить «плюс-минус». Далее, по каждому варианту (строке) суммируются все плюсы, и по их количеству дается заключение о его качестве. Для данных, приведенных в таблице, лучшим будет признан третий вариант.

2. Уточненная оценка вариантов решений (численные значения критериев отсутствуют). По каждому показателю (в столбце) всем вариантам проставляются баллы, начисляемые, например, по пятибалльной системе:

• 0 баллов ставится, если вариант совершенно неудовлетворительный,
• 1 балл, если вариант допустим,
• 2 балла, если вариант обычный, удовлетворительный,
• 3 балла, если вариант хороший,
• 4 балла, если вариант отличный.

Для учета дополнительных оттенков можно ввести систему с увеличенным числом баллов. Далее, по каждому варианту (строке) баллы суммируются. Лучшим принимается тот, у которого сумма баллов будет наибольшей. В следующем примере таким является третий и четвертый варианты.

Возможен учет степени значимости каждого показателя качества: к таблице снизу добавляется строка, куда заносятся их весовые коэффициенты X _i , а при суммировании баллы учитываются со своими весами (способ оценки весовых коэффициентов показан в п.4). Результаты соответствующего подхода представлены в таблице. Здесь лучший — второй вариант.

3. Оценка вариантов решений на основе их ранжирования. В таблице по столбцам указывают места, которые варианты занимают в ранжированном ряду при рассмотрении по каждому показателю отдельно (первое место — наилучшее). Если варианты равнозначны, то места назначают одинаковыми. Далее, по каждому варианту (строке) суммируют занимаемые ими места. Лучшим принимается тот, у которого сумма мест будет наименьшей. В следующем примере таким является третий вариант.

4. Формализация качественных показателей или оценок. С целью повышения достоверности субъективных выводов предлагают различные методы, в большинстве основанные на использовании экспертных оценок. Приведем описание одного из них, достаточно простого и распространенного, — метода бинарных сравнений. Метод основан на том, что сравнить между собой два варианта и выбрать из них предпочтительный проще, чем одновременно сравнивать три и более варианта.

4.1. Оценка вариантов решений. Составляется матрица сравнений, своя для каждого свойства или показателя качества. Названия сравниваемых вариантов Р₇ — располагаются в левом столбце и верхней строке таблицы. Затем заполняются ячейки таблицы, пользуясь следующим правилом: если вариант, расположенный в строке, предпочтительнее варианта, расположенного в столбце, то в соответствующей ячейке (пересечении строки и столбца) записывается 2 (например, если вариант-строка Р₂ предпочтительнее варианта-столбца Р₁). Если же наоборот, вариант, расположенный в столбце, предпочтительнее варианта, расположенного в строке, — записывается 0. Для равноценных вариантов в ячейку вносят 1.

Очевидно, что главную диагональ матрицы будут составлять единицы, поскольку это ячейки сравнения вариантов самих с собой (Р₁ и Р₁, Р₂ и Р₂ и т.д.). Также достаточно заполнить только одну из частей матрицы, отделенной главной диагональю: решения в симметричных ячейках (12–21, 13–31 и т.д.) противоположны (2–0 либо 0–2).

После заполнения всех ячеек проводят суммирование баллов:

• по строкам, если лучшему варианту должно соответствовать максимальное значение (как в приведенной таблице, где добавлен столбец результатов Σ);
• по столбцам, если лучшему варианту должно соответствовать минимальное значение.

Итоговые баллы позволяют дать количественную оценку каждого варианта в рассматриваемой группе по выбранному показателю качества. Эти баллы используют непосредственно или же нормируют (приводят к безразмерному виду, например, делением на максимальное или среднее значение баллов).

В приведенном примере применялась трехбалльная система (0–1-2). Для учета нюансов возможно введение многобалльной системы, например: значительно хуже (0), хуже (1), равно (2), лучше (3), значительно лучше (4).

4.2. Если вместо вариантов решений в матрице сравнений расположить показатели качества, то полученные в итоге баллы после нормирования будут соответствовать весовым коэффициентам этих показателей.

4. Объекты проектирования

Всю жизнь нам постоянно приходится соприкасаться с различными объектами. Это физические, биологические, социальные, технические и иные объекты-системы, а также комбинированные системы. Свойства системы не сводятся к сумме свойств отдельных ее элементов и частей. И поэтому, проектирование и эксплуатация этих систем требует знания и составляющих их элементов, и особенностей всей системы в целом, ее вида и назначения.

Дадим характеристику объектов проектирования на примере технических систем.

Техническая система — целостная, обладающая определенной структурой совокупность взаимосвязанных средств и предметов труда (элементов). Она включает такие виды продукции, как изделия (от небольшой гайки до огромных турбин) и сооружения (от мелких построек до крупных транспортных сетей, технических комплексов, промышленных комбинатов). Вне людей технические системы не существуют — людьми разрабатываются, изготовляются и эксплуатируются, и уже изначально фактически являются частью комбинированных, человеко-технических систем (их еще называют человеко-машинными системами). С техническими системами, их разработкой, производством и эксплуатацией, связана деятельность инженера (название происходит от латинского слова ingenium и переводится как «способность, изобретательность»).

4.1. Назначение и характеристики разрабатываемых объектов

Технические системы (как и другие объекты) предназначены для удовлетворения разнообразных потребностей людей, причем не только сугубо материальных (физиологических и психофизических), но и духовных. Эти потребности реализуются посредством выполнения системами определенных действий — функций, которые заранее заложены как в саму систему, так и в каждый ее элемент. Наряду со словом «функция» часто используется слово «назначение», особенно при рассмотрении не технических объектов.

Выполнение требуемой функции — главная цель и основа разработки технической системы. В тоже время, сама система служит лишь ее материальным носителем, т.е. функция — первична, система — вторична и создается по причине невозможности иными, нематериальными средствами удовлетворить потребности людей. Так, автомобиль нужен для перевозки грузов и людей (функция — перемещать в пространстве, создан вследствие нереальности перемещения предметов только усилием мысли), назначение ручки — писать, а книги — хранить информацию и т.д.

Функция, которая отражает назначение системы и ради которой эта система создается, называется главной функцией. Функция, без выполнения которой невозможно выполнение главной функции, называется основной функцией.

Технические системы, создаваясь людьми, должны впоследствии содействовать совершенствованию и самих людей, и, следовательно, обладать гуманистической направленностью, нести наряду с физической не менее важную социально-духовную функцию. Такое воздействие ведет, в свою очередь, к росту технической культуры и, как результат, к дальнейшему прогрессу техники. Техническая система как элемент человеческой культуры, способствующий духовному, нравственному и эстетическому развитию, — в настоящее время определяющий признак степени совершенства этой системы и уровня развития создавшего ее общества. Показателен девиз одной японской фирмы — «Мы не создаем технику, мы создаем человека». А по внешнему виду и удобству эксплуатации, скажем, автомобиля, ручки или книги можно уверенно судить не только об уровне научно-технического развития общества, где они были изготовлены, но и уровне его культуры и нравственных ценностях.

С целью повышения эффективности и качества реализации главной функции может возникнуть потребность в дополнительных функциях, выполнение которых будет осуществляться этой же системой или введенной в нее новой частью. Такие функции называют вспомогательными или сервисными.

Любая техническая система, прежде всего, является физическим объектом. И правильный выбор принципиальных, т.е. физических, основ функционирования предопределит ее жизнеспособность и эффективность. Так, сколько бы ни совершенствовали конструкцию самолета с винтомоторным двигателем, он никогда не разовьет сверхзвуковую скорость, не говоря уже о полетах на больших высотах. Только использование другого физического принципа, например, реактивного движения и созданного на его основе реактивного двигателя, позволит преодолеть звуковой барьер.

Принцип действия технической системы — это последовательность выполнения определенных действий, базирующихся на определенных физических явлениях (эффектах), которые обеспечивают требуемое функционирование этой системы.

Понятие принципа действия используется не только в технике (для физических объектов), но и в других областях — фундаментальных и прикладных науках (например, принцип построения модели, исходные принципы решения задачи), в общественной жизни (например, принципы отбора кандидатов, оказания помощи), экономике (например, принципы налогообложения, исчисления прибыли), культуре (например, художественные принципы). В основе любой деятельности или работы лежат принципиальные исходные положения (методы, способы, направления).

Характеристикой геометрического образа технической системы, ее зримого представления служит структура объекта (технической системы), т.е. форма, количество и взаимное положение элементов, частей и тел, составляющих или представляющих рассматриваемую систему-объект. Примерами структуры также являются план литературного произведения и законопроекта, алгоритм, схема и т.д.

Понятие структуры объекта отличается от понятия структуры процесса, характеризующего последовательность и состав стадий и этапов работы, совокупность процедур и привлекаемых технических средств, взаимодействие участников процесса.

Общепринятой основной элементарной характеристикой системы служит параметр, т.е. величина, представляющая определенное физическое, геометрическое или иное свойство объекта и имеющая количественную оценку. В зависимости от назначения параметры можно подразделить на функциональные, объектные и вспомогательные.

Функциональные параметры характеризуют выполняемую функцию. Эти параметры в процессе проектирования известны, и создание технической системы заключается в разработке объекта с требуемыми значениями функциональных параметров.

Объектные параметры характеризуют материальный носитель функции (объект, устройство, изделие). К ним относятся его геометрические характеристики (размер, форма, взаимное положение, количество), марка и состояние использованных материалов. При этом марка (название) материала выступает как обобщенный параметр, объединяющий в себе данные о составе, условиях изготовления и иных свойствах материала. Обобщенные параметры используются, когда излишняя конкретизация при решении задачи не требуется, либо вызывает потребность в дополнительных специальных знаниях. Однако должна быть ссылка на документ, однозначно раскрывающий содержание обобщенного параметра (например, сталь 45 ГОСТ1050). По этой причине марка материала является элементарным параметром, скажем, для проектировщика, но не для материаловеда или металлурга.

Отыскание величин объектных параметров является целью проектирования.

Остальные параметры относятся к группе вспомогательных параметров. Они необходимы для обоснования принимаемых решений, характеристики свойств системы и т.п.

Состав параметров, и особенно — вспомогательных, для каждой конкретной системы различен. Это связано с отличиями не только в устройстве отдельных систем, но и в предъявляемых к ним требованиях, условиях применения.

Например, в качестве функциональных параметров лифта (функция — поднимать груз) будут выступать высота подъема и масса груза, объектных — размеры и форма лифта и марки материалов, из которых он изготовлен. Вспомогательными параметрами могут стать скорость подъема, срок службы, запас прочности и т.д., т.е. все то, что использовалось при обосновании принимаемых решений и дополнительно характеризует технические, экономические, социальные и иные свойства изделия.

Технические системы различаются по назначению и устройству и, как объекты исследований и разработки, могут описываться теми или иными моделями. Рассмотрим состав и виды представлений технических систем.

4.2. Виды технических систем

В процессе работы технические системы преобразуют энергию и информацию, свойство и состояние вещества. В зависимости от назначения и принципа действия системы подразделяют на машины, аппараты и приборы. В тех случаях, когда трудно определить принадлежность системы, употребляют понятие устройства или комплекса, как, например, регулирующее устройство, космический комплекс и т.д.

Технические системы, предназначенные для получения или преобразования механической энергии, относят к машинам. Их основу составляют механизмы, т.е. системы подвижно связанных между собой контактирующих твердых тел-звеньев, совершающих определенные механические движения. Так, к машинам относятся автомобиль (колесная машина), вертолет (лопастная машина) и т.п. Внешне разные машины могут содержать подобные или схожие механизмы. Основные функциональные части машины показаны на рис. 9.

Рис. 9. Машина и ее основные функциональные части

Технические системы, предназначенные для получения или преобразования иных видов энергии, относят к аппаратам. Их примерами могут служить телевизор (телевизионный аппарат, преобразует электромагнитные сигналы в визуально-звуковую информацию), телефон (телефонный аппарат, осуществляет взаимное преобразование звуковых и электрических сигналов), фотоаппарат, ракета (космический аппарат), реактор (ядерный или химический реактор, изменяющий посредством реакций свойство и/или состояние вещества) и т.д.

Технические системы вспомогательного назначения (контроль, управление, измерение, регулирование) относят к приборам. В зависимости от принципа действия их подразделяют на механические (гироскоп и т.п.), электрические (вольтметр и т.п.), оптические (микроскоп и т.п.) и т.д., а также на приборы комбинированного действия (оптико-электронные приборы и т.п.).

Выполнение машинами вспомогательных функций может вызывать необходимость введения в их состав электрических, оптических и иных устройств, а в состав аппаратов машинные агрегаты и механические конструкции, как, например, дисковод компьютера, стержневая конструкция опоры линии электропередачи. Отличия во вспомогательных функциях у одинаковых по назначению систем придают им индивидуальность.

Как промышленная продукция, технические системы и их элементы в зависимости от характера изготовления по ГОСТ 2.101 подразделяют на следующие виды:

• комплекс — два или более специфицированных (являющихся частями одной, общей системы и входящие в единую спецификацию) изделия, не соединенные на предприятииизготовителе сборочными операциями, но предназначенные для выполнения взаимосвязанных функций;
• сборочная единица — изделие, которое состоит из отдельных частей, собирается на предприятии-изготовителе и может рассматриваться как самостоятельная конечная продукция;
• деталь — изделие, изготовленное из однородного по наименованию или марке материала без применения сборочных операций.

Часто используют понятие сборочного узла, занимающего промежуточное положение между деталью и сборочной единицей. Если сборочная единица выступает как конечный вид продукции какого-то производства, то сборочный узел является условной частью изделия, временно формируемой в процессе его сборки (например, дверь автомобиля, если в дальнейшем она поступает на завершающую сборку изделия).

Машины, аппараты и приборы могут входить в состав более сложных технических систем, но, с другой стороны, также могут состоять из отдельных взаимосвязанных частей. Набор часто применяющихся частей образует элементную базу предметной области — машиностроения, аппаратостроения, приборостроения. Элементы такой базы обычно характеризуются узким функциональным назначением, их целиком в состоянии разработать один специалист, либо он использует их в проектируемой системе в виде готовых изделий (сборочных единиц).

Элементы могут различаться по устройству, но иметь схожее назначение. Принято элементы с одинаковым назначением объединять в группы — резисторы, резьбовые соединения и т.п. Среди элементов выделяют типовые, т.е. общие и часто встречающиеся в разных устройствах (рассматриваются в общетехнических курсах), и специальные, имеющие специфическое применение (изучаются в спецкурсах, как, например, роторы, рельсы, лопатки и т.п.). Количество типовых элементов ограничено, однако все многообразие машин, аппаратов и приборов построено главным образом на применении этих элементов.

Элементная база машиностроения имеет ряд особенностей:

• достаточно большая часть ее элементов также входит в состав элементных баз аппаратои приборостроения, как, например, детали резьбовых соединений;
• на характеристики машин существенно влияют не только типы и расположение элементов, но и их размеры и технология изготовления. Изменением параметров одного и того же элемента возможно изменение его функционального назначения, как, например, колесо и маховик.

4.3. Модели разрабатываемых объектов

В практической деятельности возможно решение двух видов задач:

• разработка объекта (задача синтеза). Здесь конечный вид объекта еще неизвестен и приходится иметь дело с его приближенными представлениями;
• исследование реального объекта (задача анализа). Удобство проведения такого исследования людьми с разным уровнем квалификации требуют упрощения изучаемого объекта и исключения из рассмотрения второстепенных факторов.

Упрощенное представление реального объекта и/или протекающих в нем процессов называется моделью. Построение моделей — моделирование, облегчает изучение имеющихся в объекте объективных свойств и закономерностей. Моделирование является обязательной частью исследований и разработок, поскольку сложность любого материального объекта бесконечна вследствие неисчерпаемости материи и форм ее взаимодействия внутри себя и с окружающей средой.

Проектирование тесно связано с моделированием, так как не только включает в себя обе эти задачи, но и основывается на умении выбора и применения тех или иных видов моделей. Поэтому напомним основные понятия, используемые в моделировании.

4.3.1. Требования к моделям

Моделирование всегда предполагает принятие допущений той или иной степени важности. При этом должны удовлетворяться следующие требования:

• адекватность, т.е. соответствие модели исходному объекту и учет, прежде всего, наиболее важных качеств, связей и характеристик. Оценить адекватность выбранной модели, особенно на начальной стадии проектирования, когда вид создаваемого объекта еще неизвестен, очень сложно. Здесь полагаются на опыт предшествующих разработок или применяют определенные методы, например, метод последовательных приближений;
• точность, т.е. степень совпадения полученных в процессе моделирования результатов с заранее установленными, желаемыми. Важной задачей здесь является оценка потребной точности результатов и точности исходных данных, согласование их, как между собой, так и с точностью используемой модели;
• универсальность, т.е. применимость модели к анализу ряда однотипных объектов в одном или нескольких режимах функционирования. Это позволяет расширить область поиска решений;
• целесообразная экономичность, т.е. точность получаемых результатов и общность решения задачи должны увязываться с затратами на моделирование. И удачный выбор модели, как показывает практика, — результат компромисса между отпущенными ресурсами и особенностями используемой модели.

Выбор модели и обеспечение точности моделирования считается одной из самых важных задач моделирования.

Погрешности моделирования вызываются как объективными причинами, связанными с упрощением реальных объектов и процессов, так и субъективными, обусловленными недостатком знаний и навыков, особенностями характера того или иного человека. Погрешности можно предотвратить, компенсировать или учесть. И всегда обязательна оценка правильности получаемых результатов. Быструю оценку часто проводят следующими способами:

• проверяют соответствие результатов физическому (здравому) смыслу. Удобно это делать для частного случая модели, когда решение очевидно. Иногда даже говорят, что еще перед решением задачи инженер уже должен представлять характер и порядок ожидаемого результата. Правда, точность такого представления зависит от развитости физического воображения и опыта работы с подобными объектами;
• проверяют выполнение частных очевидных условий задачи, что также позволяет отсечь неприемлемые решения;
• проверяют соблюдение тенденции изменения величин и знаков результатов (монотонность, цикличность, плавность и т.п.);
• проверяют правильность размерности полученного результата (если работа ведется с аналитическими зависимостями).

Известно, что посредством грубых измерений, использования приборов с низкой точностью или приближенных исходных данных невозможно получить точные результаты. С другой стороны, бессмысленно вести, например, расчет с точностью до грамма, если результат потом нужно округлять (скажем, указывать в формуляре) с точностью до килограмма, или же определять среднюю величину точнее составляющих ее значений, и т.д. Поэтому важно помнить о следующем:

• точность результатов расчетов и экспериментальных исследований не может превысить точности исходных данных, используемых приборов, измерительных инструментов и т.п.;
• вид выбираемой модели должен согласовываться с точностью исходных данных и потребной точностью результатов;
• желаемая точность результатов должна соответствовать нуждам и реалиям практики.

4.3.2. Виды моделей

По способу отображения действительности различают три основных вида моделей эвристические, физические и математические.

Эвристические модели, как правило, представляют собой образы, рисуемые в воображении человека. Их описание ведется словами естественного языка и, обычно, неоднозначно и субъективно. Эти модели неформализуемы, т.е. не описываются формальнологическими и математическими выражениями, хотя и рождаются на основе представления реальных процессов и явлений. Эвристическое моделирование — основное средство вырваться за рамки обыденного и устоявшегося. Но способность к такому моделированию зависит, прежде всего, от богатства фантазии человека, его опыта и эрудиции. Эвристические модели используются на начальных этапах проектирования (или других видов деятельности), когда сведения о разрабатываемом объекте еще скудны. На последующих этапах проектирования эти модели заменяются на более конкретные и точные.

Физические модели — материальны, но могут отличаться от реального объекта или его части размерами, числом и материалом элементов. Выбор размеров ведется с соблюдением теории подобия. К физическим моделям относятся реальные изделия, образцы, экспериментальные и натурные модели.

Физические модели подразделяются на объемные (модели и макеты) и плоские (тремплеты).

В данном случае под (физической) моделью понимают изделие или устройство, являющееся упрощенным подобием исследуемого объекта или позволяющее воссоздать исследуемый процесс или явление.

Под тремплетом понимают изделие, являющееся плоским масштабным отображением объекта в виде упрощенной ортогональной проекции или его контурным очертанием. Тремплеты вырезают из пленки, картона и т.п. и применяют при исследовании и проектировании зданий, установок, сооружений.

Под макетом понимают изделие, собранное из моделей и/или тремплетов.

Физическое моделирование — основа наших знаний и средство проверки наших гипотез и результатов расчетов. Физическая модель позволяет охватить явление или процесс во всем их многообразии, наиболее адекватна и точна, но достаточно дорога, трудоемка и менее универсальна. В том или ином виде с физическими моделями работают на всех этапах проектирования.

Математические модели — формализуемые, т.е. представляют собой совокупность взаимосвязанных математических и формально-логических выражений, как правило, отображающих реальные процессы и явления (физические, психические, социальные и т.д.). По форме представления бывают:

• аналитические модели, их решения ищутся в замкнутом виде, в виде функциональных зависимостей. Удобны при анализе сущности описываемого явления или процесса, использовании в других математических моделях, но отыскание их решений бывает весьма затруднено;
• численные модели, их решения — дискретный ряд чисел (таблицы). Модели универсальны, удобны для решения сложных задач, но не наглядны и трудоемки при анализе и установлении взаимосвязей между параметрами. В настоящее время такие модели реализуют в виде программных комплексов — пакетов программ для расчета на компьютере. Программные комплексы бывают прикладные, привязанные к предметной области и конкретному объекту, явлению, процессу, и общие, реализующие универсальные математические соотношения (например, расчет системы алгебраических уравнений).

Построение математических моделей возможно следующими способами:

• аналитическим путем, т.е. выводом из физических законов, математических аксиом или теорем;
• экспериментальным путем, т.е. посредством обработки результатов эксперимента и подбора аппроксимирующих (приближенно совпадающих) зависимостей.

Математические модели более универсальны и дешевы, позволяют поставить «чистый» эксперимент (т.е. в пределах точности модели исследовать влияние какого-то отдельного фактора при постоянстве других), прогнозировать развитие явления или процесса, отыскать способы управления ими. Математические модели — основа построения компьютерных моделей и применения вычислительной техники. Результаты математического моделирования нуждаются в обязательном сопоставлении с данными физического моделирования — с целью проверки получаемых данных и для уточнения самой модели.

К промежуточным между эвристическими и математическими моделями можно отнести графические модели, представляющие различные изображения — схемы, графики, чертежи. Так, эскизу (упрощенному изображению) некоторого объекта в значительной степени присущи эвристические черты, а в чертеже уже конкретизируются внутренние и внешние связи моделируемого объекта.

Промежуточными также являются и аналоговые модели. Они позволяют исследовать одни физические явления или математические выражения посредством изучения других физических явлений, имеющих аналогичные математические модели.

Выбор типа модели зависит от объема и характера исходной информации о рассматриваемом объекте и возможностей проектировщика, исследователя. По возрастанию степени соответствия реальности модели можно расположить в следующий ряд: эвристические (образные) — математические — физические (экспериментальные).

Технические объекты различаются по назначению, устройству и условиям функционирования. Следовательно, можно и нужно вносить соответствующие различия и в их модели.

В зависимости от целей исследования выделяют следующие модели:

• функциональные, предназначенные для изучения функционального назначения элементов объекта, внутренних и внешних связей;
• функционально-физические, предназначенные для изучения физических явлений, используемых для реализации заложенных в объект функций;
• модели процессов и явлений, таких как кинематические, прочностные, динамические и другие, предназначенные для исследования тех или иных характеристик объекта, обеспечивающих его эффективное функционирование.

Модели также подразделяют на простые и сложные, однородные и неоднородные, открытые и закрытые, статические и динамические, вероятностные и детерминированные и т.д. Стоит отметить, что когда говорят о техническом объекте как простом или сложном, закрытом или открытом и т.п., в действительности подразумевают не сам объект, а возможный вид его модели, подчеркивая особенность устройства или условий работы.

Четкого правила разделения объектов (т.е. моделей) на сложные и простые не существует. Обычно признаком сложных объектов служит многообразие выполняемых функций, большое число составных частей, разветвленный характер связей, тесная взаимосвязь с внешней средой, наличие элементов случайности, изменчивость во времени и другие. Понятие сложности объекта — субъективно и определяется необходимыми для его исследования затратами времени и средств, потребным уровнем квалификации, т.е. зависит от конкретного случая и конкретного специалиста.

Разделение объектов на однородные и неоднородные проводится в соответствии с заранее выбранным признаком: используемые физические явления, материалы, формы и т.д. При этом один и тот же объект при разных подходах может быть и однородным, и неоднородным. Так, велосипед — однородная механическая система, поскольку использует механические способы передачи движения, но неоднородная по типам материалов, из которых изготовлены отдельные части (резиновая шина, стальная рама, пластиковое седло).

Все объекты-системы взаимодействуют с внешней средой, обмениваются с нею сигналами, энергией, веществом. Системы относят к открытым, если их влиянием на окружающую среду или воздействием внешних условий на их состояние и качество функционирования пренебречь нельзя. В противном случае системы рассматривают как закрытые, изолированные.

Динамические системы, в отличие от статических, находятся в постоянном развитии, их состояние и характеристики изменяются в процессе работы и с течением времени.

Характеристики вероятностных (иными словами, стохастических) систем случайным образом распределяются в пространстве или меняются во времени. Это является следствием как случайного распределения свойств материалов, геометрических размеров и форм объекта, так и случайного характера воздействия на нее внешних нагрузок и условий. Характеристики детерминированных систем заранее известны и точно предсказуемы.

Знание этих особенностей облегчает процесс моделирования, так как позволяет выбрать вид модели, наилучшим образом соответствующей заданным условиям. Этот выбор основывается на выделении в объекте существенных и отбрасывании второстепенных факторов и должен подтверждаться исследованиями или предшествующим опытом. Наиболее часто в процессе моделирования ориентируются на создание простой модели, поскольку это позволяет сэкономить время и средства на ее разработку. Однако повышение точности модели, как правило, связано с ростом ее сложности, так как необходимо учитывать большое число факторов и связей. Разумное сочетание простоты и потребной точности и указывает на предпочтительный вид модели.

Количество параметров, характеризующих поведение не только объекта, но и его модели, очень велико. Для упрощения процесса изучения реальных объектов выделяют три уровня их моделей, различающиеся количеством и степенью важности учитываемых свойств и параметров. Это — принципиальная, структурная и параметрическая модели.

Принципиальная модель (модель принципа действия) объекта отображает его самые существенные (принципиальные) связи и свойства. Это — основополагающие физические явления, обеспечивающие функционирование объекта, или любые другие принципиальные положения, на которых базируется планируемая деятельность или исследуемый процесс. Стремятся к тому, чтобы количество учитываемых свойств и характеризующих их параметров было небольшим (оставляют наиболее важные), а обозримость модели — максимальной, так чтобы трудоемкость работы с моделью не отвлекала внимание от сущности исследуемых явлений. Как правило, описывающие подобные модели параметры — функциональные, а также физические характеристики процессов и явлений.

Работа с моделями принципа действия позволяет определить перспективные направления разработки (механика, электротехника и т.п.) и требования к возможным материалам (твердые или жидкие, металлические или неметаллические, магнитные или немагнитные и т.д.).

Графическим представлением этих моделей служат блок-схемы. Они отражают порядок действий, направленных на достижение заданных целей (функциональная схема), либо процесс преобразования вещества, как материальной основы объекта, посредством определенных энергетических воздействий с целью реализации потребных функций (функционально-физическая схема). На схеме виды и направления воздействия изображаются стрелками, а объекты воздействия — прямоугольниками.

Четкого определения структурной модели не существует. Обычно под ней подразумевают упрощенное графическое изображение объекта, дающее общее представление о форме, расположении и числе наиболее важных его частей и их взаимных связях. Степень упрощения может быть различной и зависит от полноты исходных данных об исследуемом объекте и потребной точности результатов. На практике виды структурных схем могут варьироваться от несложных небольших схем (минимальное число частей, простота форм их поверхностей) до близких к чертежу изображений (высокая степень подробности описания, сложность используемых форм поверхностей).

Для повышения полноты восприятия на структурных схемах в символьном (буквенном, условными знаками) виде указываются параметры, характеризующие свойства отображаемого объекта. Исследование схемы позволяет установить соотношения (функциональные, геометрические и т.п.) между этими параметрами, т.е. представить их взаимосвязь в виде равенств f(x₁, х₂, ...) = 0, неравенств f(x₁, х₂, ...) > 0 и в иных выражениях. Здесь через x обозначен возможный параметр.

Под параметрической моделью понимается математическая модель, позволяющая установить количественную связь между функциональными, объектными и/или вспомогательными параметрами. Графической интерпретацией такой модели служит чертеж объекта или его частей с указанием численных значений параметров.

Возможно изображение структурной схемы в масштабе. Такую модель относят к структурно-параметрической. Ее примером служит кинематическая схема механизма, на которой размеры упрощенно изображенных звеньев (длины линий-стержней, радиусы колес-окружностей и т.д.) нанесены в масштабе, что позволяет дать численную оценку некоторым исследуемым характеристикам.

4.4. Параметры разрабатываемых объектов

Параметры подразделяются на входные, внутренние и выходные.

Входные (внешние) параметры отражают внешние требования к объекту, их величины или характер изменения с той или иной точностью известны. Часть этих параметров, существенно влияющих на состояние и характеристики объекта, называют управляющими.

Внутренние параметры характеризуют состояние и свойства самого объекта. Их значения вначале неизвестны и определяются в процессе исследований модели.

Часть входных параметров и рассчитанных внутренних параметров объекта может использоваться в качестве исходных данных для другого, взаимосвязанного, объекта или его модели. Такие параметры называются выходными параметрами для рассмотренного объекта и входными — для вновь рассматриваемого.

Например, для объекта «лифт» входными параметрами будут, например, высота подъема и масса груза, срок службы (они задаются, приходят извне), а внутренними, например, диаметр и материал троса, размеры кабины лифта (они определяются, характеризуют объект и вначале неизвестны). Для объекта «шахта лифта» размеры кабины лифта будут входными параметрами и, следовательно, — выходными параметрами для объекта «лифт».

В зависимости от того, что характеризуют параметры — реальный объект или его модель, параметры подразделяют на нормированные и действительные.

Нормированный параметр (или более правильно — нормированное значение параметра) — это теоретическое значение, которое характеризует признаки модели. Выражается предельными допустимыми значениями параметра. Изделие, параметры которого будут находиться внутри интервала, образованного этими предельно-допустимыми значениями, считается работоспособным и может использоваться по назначению. Например, длина стержня, указанная на чертеже, составляет 98...104 мм. Это — нормированное значение параметра, а 98 и 104 — предельно допустимые его значения.

Если одно из предельных значений равно нулю или бесконечности, то оно не указывается, а подразумевается. Например, твердость поверхности детали не менее НВ180, что означает 180...∞». Или, например, предельная величина поднимаемого груза — до 200кг, что соответствует 0...200.

Действительный параметр (или более правильно — действительное значение параметра) характеризует признаки конкретного реального изделия. Его определяют путем испытаний или измерительного эксперимента с точностью, достаточной для контроля этого параметра. Обычно каждое замеренное действительное значение уникально, т.к. его величина зависит от внешних условий, условий изготовления, способа и точности измерения и многих других факторов. С целью повышения достоверности знания значения параметра проводят ряд измерений, результаты которых будут иметь разброс внутри какого-то интервала. Поэтому действительное значение параметра задают диапазоном. Совпадение действительных значений одних и тех же параметров изделий из их партии возможно только в пределах точности измерения или для целочисленных величин. Например, измерениями была установлена длина стержня 97.98 мм. Это — действительное значение параметра, истинное значение которого лежит внутри диапазона, заданного суммарной погрешностью измерения. Повышение точности измерений сужает данный диапазон, например, до 97,6.98,1 мм.

Для удобства записи используют номинальный параметр (номинальное значение параметра), т.е. такое его значение, которое служит возможным началом отсчета действительных и предельно допустимых отклонений. Субъективно назначается человеком либо является результатом операций с такими же номинальными параметрами. Например, длину стержня, указанную на чертеже, можно записать как 101±3 мм. Здесь 101 — номинальное значение, ±3 — отклонения, задающие предельные значения параметра (98.104). В приведенном примере номинальное значение выбрано из середины интервала и, как следствие, отклонения будут симметричными. Если в качестве номинального значения принять «круглую» величину 100, то форма записи данного нормированного параметра примет, например, следующий вид 100⁺⁴_-2 , где +4 — величина верхнего предельного отклонения (100+4), -2 — нижнего (100+(-2)).

Слово «номинальный» происходит от латинского слова «nominalis» (переводится как «именной») и имеет значение «таковой по одному названью», «только называющийся, но не выполняющий своего назначения, фиктивный».

Часто, хотя это и не корректно, оперируют только с номинальными значениями параметров, например, указывая длину стержня как 100 мм. Очевидно, что решать уравнения с параметрами, заданными в таком виде, удобнее, хотя теряется ощущение точности не только исходных данных, но и результата вычислений.

Разброс действительных значений параметров неизбежен. Но изделие считается годным, если действительные значения его параметров попадают в интервал, задаваемый предельными значениями нормируемого параметра. Если величина интервала равна нулю, т.е. указано только номинальное значение нормируемого параметра, то попасть в такой интервал практически невозможно и каждое изделие по этому параметру будет бракованным.

Поэтому в документации (особенно предназначенной для других пользователей — заказчика, исполнителя, покупателя, других специалистов) принято приводить нормированные значения параметров, а не указывать только их номинальные значения.

Параметр — это обобщенное название определенного физического, геометрического или иного свойства объекта. В конкретном случае это могут быть размер (действительный размер, номинальный размер, допустимый размер), скорость (действительная, номинальная, допустимая) и т.д.

Изучением видов параметров, измерений, методов и средств обеспечения их единства и способов достижения требуемой точности занимается метрология.

4.5. Требования, предъявляемые к проектируемым объектам

Процесс проектирования всегда подчинен необходимости удовлетворения интересов двух групп людей: производителей и потребителей продукции (товаров, работ, услуг). Каждый производитель стремится получить максимум выгоды от выпуска и реализации своей продукции. Однако реализация возможна только при условии существования спроса на такую продукцию, т.е. наличия ее потребителя. В свою очередь, каждый потребитель желает с минимальными хлопотами и затратами получить нужный ему товар с максимальными потребительскими свойствами.

Основы удовлетворения обоюдных интересов производителя и потребителя закладываются на этапе проектирования. Здесь окончательно формируется перечень требований к разрабатываемому объекту, которые во многом будут определять направления и особенности ведения разработки и должны учитывать свойства будущей продукции во всем их многообразии и взаимосвязи, на всех этапах жизненного цикла, с учетом перспектив развития науки, техники и общества.

К типовым требованиям к научно-технической продукции относят требования функциональные (показатели назначения), надежности, технологичности, стандартизации и унификации, ограничения вредных воздействий (эргономичность и экологичность), эстетичность, экономичность, патентно-правовые. Требования к другим видам продукции во многом совпадают с перечисленными.

Особо стоит отметить, что если продукция предназначается для реализации отдельным гражданам или каким-то образом может быть им продана, то такая продукция должна удовлетворять дополнительным требованиям, устанавливаемым Законом Российской Федерации «О защите прав потребителей».

Систематизированный перечень требований представлен на рис.10. При этом существует еще две группы требований, явно не выделяемые, но способные сильно повлиять на принимаемое решение и ход работ. Это — политические цели и морально-этические принципы и устои. Они связаны с общественным сознанием и изучаются соответствующими науками. Часто их учитывают косвенно, предусматривая социальные последствия от внедрения результатов разработки на ближнюю и дальнюю перспективы.

Рис.10. Состав возможных требований, предъявляемых к проектируемым объектам

4.5.1. Экономические требования

4.5.1.1. Требования производителя

В большинстве случаев под выгодой производителя подразумевается доход (иными словами, масса прибыли, т.е. суммарное ее количество), полученный за всю реализованную продукцию. Выгода может быть нематериальной, например, в виде общественного признания и уважения.

С другой стороны, результативность реализации (востребованность) продукции — это та обратная связь, которая подтверждает правильность поставленной задачи проектирования и эффективность полученного результата. По результатам реализации подводят итог всей проектно-производственной деятельности, принимают окончательные решения о внесении уточнений в проектно-технологическую документацию.

Прибыль производителя продукции определяется как разность между ее продажной ценой и полной себестоимостью. Прибыль зависит от многих факторов, ее стремятся максимизировать. Более точно прибыль можно охарактеризовать нормой прибыли и степенью рентабельности производства и реализации. Рентабельность характеризует эффективность использования ресурсов предприятия и равна отношению прибыли к общей стоимости основных и оборотных фондов (оборудование, материалы, денежные средства и другая собственность предприятия, имеющая отношение к выпуску продукции). В торговле рентабельность исчисляется как отношение прибыли к объему товарооборота. Норма прибыли по своему содержанию близка к понятию степени рентабельности.

Цена продукции различается на оптовую и розничную, отличающиеся величиной и видом торговых скидок. Для увеличения прибыли цена должна быть как можно больше. Будем рассматривать только технические способы ее повышения, не касаясь вопросов монополизации рынка, введения правовых, таможенных, протекционистских, силовых и других мер. Эти меры не требуют напряженной работы научно-технической мысли, дают временный успех и ведут к снижению профессионализма и оскудению интеллектуальных ресурсов.

Цена и ценность продукции повышается с ростом ее потребительских свойств. Но уровень их привлекательности определяется не абсолютными показателями, а в сравнении с показателями аналогичной продукции. Поэтому возможность первым выйти на рынок с новым изделием (при условии, что товар, обладающий новыми свойствами или повышенными показателями, нужен потребителям) означает получение конкурентного преимущества.

Создание новых видов продукции может быть результатом собственных научных исследований (НИР) и опытно-конструкторских работ (ОКР), либо результатом приобретения патента (получение монопольного права собственности) или лицензии (получение права на коммерческое использование). И то, и другое нуждаются в проведении патентных исследований. Их цель:

• подтверждение новизны и степени конкурентоспособности технического решения, которое будет использоваться в новой продукции;
• определение возможности патентования собственного технического решения с целью его защиты от копирования конкурентами (повышение конкурентоспособности), либо поиск возможности такого видоизменения или улучшения чужого запатентованного решения, чтобы в итоге получить свой патент на подобное решение;
• предупредить несанкционированное (по незнанию) использование чужого запатентованного решения.

Использование запатентованного технического решения без согласия его собственника допустимо, если выпуск продукции не преследует коммерческие цели (например, для себя), либо предполагается ее реализация в стране, где патент на данное изобретение еще не зарегистрирован, либо закончился срок его действия.

Эффект, подобный от создания новых видов продукции, также достигается благодаря сокращению периода времени ее разработки и производства.

Период разработки. Он соответствует отрезку времени от получения задания до момента запуска разработанного объекта в отлаженное производство. Период может минимизироваться (закончить работу как можно быстрее) или выступать в виде определенного рубежа-ограничения (когда необходимо успеть к определенному сроку).

С периодом разработки тесно связаны сроки морального и физического устаревания продукции, вызываемые соответственно моральным и физическим износом.

Моральному износу подвержены как уже эксплуатируемые изделия, так и еще разрабатываемая продукция. Данный износ вызывается снижением потребительской стоимости ниже уровня рентабельности производства (невыгодно производить). Это происходит при появлении на рынке аналогичных по функциям, но более дешевых изделий, либо новых изделий, более эффективных, надежных, красивых и т.д., способных выполнять прежние задачи. Моральный износ — следствие научных открытий и изобретений, новых технологий, изменения моды и т.п. Каждому типу изделий соответствует свой срок морального износа. Так, в последнее время новое техническое решение устаревает за 3...8 лет. Например, вычислительная техника — за 3...4 года, металлорежущие станки типа обрабатывающего центра — 5...6 лет, боевой самолет — около 15 лет, пассажирский самолет — порядка 25 лет.

Физический износ связан с ростом затрат на поддержание работоспособности изделия и определяется сроком, после которого последующая эксплуатация изделия становится экономически невыгодна (изделие нерентабельно в эксплуатации).

Физический и моральный износ не распространяется на произведения искусства, исторические памятники и т.п. В странах с наполненным рынком и материально обеспеченным населением не допускают, чтобы срок физического износа превышал срок морального износа.

Сокращение времени разработки позволяет также отодвинуть срок морального устаревания продукции, что увеличивает массу прибыли благодаря возможности выпустить и реализовать большее количество этой продукции.

Ускорение разработки возможно привлечением дополнительных ресурсов (финансовых, материально-технических, людских, но следует быть осторожным, так чтобы затраты на увеличение ресурсов окупились последующими доходами) и максимальным внедрением стандартизации, унификации и преемственности.

Себестоимость продукции характеризует все затраты производителя, связанные с ее выпуском, реализацией и последующим обслуживанием. Правильнее рассматривать себестоимость, отнесенную к единице продукции. Это позволяет проводить сравнение эффективности выпуска аналогичных видов продукции разными производителями. Снижение себестоимости — основной путь увеличения доходов. Себестоимость может быть охарактеризована с двух сторон — социально-технической и экономической. Состав социальнотехнических требований рассмотрим в следующем разделе.

Себестоимость включает следующие затраты:

• на персонал. Затраты зависят от количества и квалификации людей, привлекаемых к работе, что определяется предстоящей ее сложностью, умением управлять персоналом (подбор и расстановка кадров, распределение обязанностей и работ);
• на материалы, сырье и комплектующие. Целесообразность их выбора может оцениваться как по исходной стоимости (затратам на приобретение), так (и это точнее) — по положительному эффекту от их применения. Например, применение дешевых материалов может привести к созданию массивных изделий и, в итоге, к большим затратам на приобретение материала. Удобны относительные показатели, например, удельная прочность и удельная стоимость материала;
• на энергию. Характеризуют энергопотребление производственного оборудования и энергоэффективность производственного процесса. Применение энергоемких производств (термообработка, электромеханические методы, литье и т.п.) должно оправдываться получением высоких характеристик изделия и свойств его частей (высокотвердые поверхности, сложные по форме детали и т.д.);
• на изготовление и сборку. Включают затраты на аренду или приобретение и содержание производственного помещения и оборудования, уплату соответствующих налогов (например, на имущество предприятий). Чем дороже используемое оборудование, тем эффективнее должна быть его работа (увеличение коэффициента загрузки за счет повышения серийности);
• на реализацию. Связаны с затратами на транспортировку и хранение, предпродажную подготовку и другие. Важное место в формировании цены и спроса отводится рекламе. Следует помнить, что реклама поддерживается реальными и достаточно высокими экономическими и социально-техническими характеристиками выпускаемой продукции.

4.5.1.2. Требования потребителя

Потребительские свойства товара обобщенно характеризуются двумя показателями, часто условно называемые «Цена» (учитывает все расходы потребителя) и «Качество» (учитывает социально-техническую эффективность приобретенного товара. Характеризующие ее технические требования рассмотрим в следующем разделе). Для более детального анализа данные показатели конкретизируют.

Экономические характеристики товара, прежде всего, включают начальные затраты (цена изделия Ц) и текущие эксплуатационные расходы Р. Кроме этого необходимо учитывать полезную отдачу (выгоду) П от приобретенного товара. Отдача может быть явной (в случае непосредственного использования товара в коммерческих целях) или косвенной, если связана с такими потребительскими свойствами как улучшение настроения, здоровья, проведение досуга и т.п., что в итоге повышает работоспособность и производительность труда человека, владельца товара, снижает его расходы на лечение и т.п. Определенную выгоду также можно получить за счет правильно спланированной системы утилизации использования вторичных ресурсов или запасных частей.

Цена изделия закладывается на этапе его проектирования и изготовления и от покупателя практически не зависит (если не принимать во внимание его умение торговаться или воздействовать на соотношение спрос-предложение).

Эксплуатационные расходы в общем случае складываются из следующего:

• стоимость потребляемой энергии, количество и эффективность ее использования (зависят, например, от КПД изделия, энергосберегающих принципов действия, лежащих в основе его функционирования);
• стоимость расходуемых материалов (например, смазка, элементы питания), запасных деталей и инструмента;
• стоимость обслуживания — плата за обучение правилам эксплуатации изделия, обслуживающему персоналу, охране и т.п.;
• стоимость ремонта и утилизации (затраты на содержание специалистов-ремонтников и гарантийных мастерских, демонтаж изделия и его вывоз на свалку или перерабатывающий завод);
• различные отчисления — страховые, оплата налогов, плата за вредные выбросы, накладные расходы, амортизационные отчисления и другие.

• Эффективность применения изделия может характеризоваться:

• абсолютной экономической эффективностью. Подсчитывается как разность между доходом от использования изделия и суммарными расходами, т.е. как П- (Ц+Р);
• рентабельностью эксплуатации изделия. Определяется как отношение полезной отдачи к сумме начальных затрат и текущих расходов, т.е. как П/(Ц+Р). Если изделие предполагается использовать в качестве средства производства, то это отношение должно быть больше единицы (не приносить убыток);
• коэффициентом эксплуатационных расходов. Определяется как отношение текущих расходов к стоимости изделия, т.е. Р/Ц . Величина, обратная этому коэффициенту, называется коэффициентом стоимости изделия;
• коэффициентом полезной отдачи. Определяется как отношение функционального параметра Ф (развиваемая мощность, масса изделия, его грузоподъемность и т.п.) к сумме начальных затрат и текущих расходов, т.е. Ф/(Ц+Р), либо только к цене изделия, т.е. Ф/Ц ;
• периодом окупаемости. Определяется как отношение суммы всех расходов к полезной отдаче в течение года.

Оценка эффективности на этапе проектирования позволяет спрогнозировать конкурентоспособность, определить направления ее повышения и, в итоге, обосновать необходимость выпуска продукции. Для получения такой оценки часто приглашают экспертов и проводят анализ аналогичной продукции.

4.5.2. Проектные и производственные требования

4.5.2.1. Стандартизация, унификация, преемственность

В различных видах деятельности существуют документы, которые с позиции правовых норм регламентируют общие принципы, правила или характеристики. Это — нормативные документы, охватывающие такие понятия, как стандарты, нормы, правила, своды правил, регламенты и другие подобные документы.

Закон РФ «О техническом регулировании» определяет стандартизацию как деятельность по установлению правил и характеристик в целях их добровольного многократного использования, направленную на достижение упорядоченности в сферах производства и обращения и повышение конкурентоспособности продукции, работ, услуг.

Комитет ИСО по изучению научных принципов стандартизации (СТАКО) определяет стандартизацию как установление и применение правил с целью упорядочения деятельности в определенной области на пользу и при участии всех заинтересованных сторон для достижения оптимальной экономии при соблюдении норм безопасности.

Стандартизацию проводят органы стандартизации, наделенные законным правом руководить разработкой и утверждать нормативные документы и другие правила, придавая им статус стандартов. В России компетентными органами в области стандартизации являются ГОССТАНДАРТ России и ГосСтрой. Основополагающим нормативным документом по стандартизации ГОССТАНДАРТа России установлена «Государственная система стандартизации» (ГСС).

Комплекс стандартов ГСС РФ (ГОСТ Р1.0, ГОСТ Р1.1, ГОСТ Р1.2 и др.) представляет собой систему взаимоувязанных правил и положений, определяющих цели и задачи стандартизации, организацию и методику проведения работ по стандартизации во всех производственных отраслях России. ГСС устанавливает порядок разработки, оформления, согласования, утверждения, издания, обращения стандартов разных уровней стандартизации и других нормативных документов, а также контроля за их внедрением и соблюдением.

Стандарт имеет распространение в пределах компетенции органа стандартизации, и соответственно этим пределам различают следующие уровни стандартизации:

1. Международная стандартизация. Органом по стандартизации является ИСО (ISO). Нормативным документом ИСО являются стандарты ИСО.

2. Межрегиональная стандартизация. Охватывает ряд независимых государств (СНГ, ЕЭС). Нормативным документом стран СНГ является межрегиональный стандарт.

3. Национальная стандартизация. Это — стандартизация в пределах одного государства. Нормативным документом по национальной стандартизации в России установлен государственный стандарт России — ГОСТ Р, в ФРГ — DIN, в Великобритании — BS, и т.д.

4. Правила, нормы и рекомендации в области стандартизации, общероссийские классификаторы технико-экономической и социальной информации.

5. Стандарты организаций — отраслевые стандарты (ОСТ), стандарты предприятий (СТП), стандарты обществ и т.п. Это — низший уровень стандартизации.

Государства стремятся к согласованию национальных стандартов и выпуску международных стандартов (например, стандарт ИСО на допуски и посадки), что упрощает обслуживание и ремонт экспортной продукции, облегчает продвижение товара на внешние рынки.

ОСТы имеют применение в выпустивших их отраслях промышленности. Обычно в виде ОСТов оформляются типовые ситуации, которые после дальнейшей практической проверки и подтверждения своей важности служат основой для выпуска соответствующего ГОСТа.

СТП имеют применение только на выпустившем их предприятии. Часто оформляются в виде нормалей, которые устанавливают ограничения на применяемую номенклатуру (перечень) деталей, материалов, норм и т.п., что вызывается особенностями снабжения и производства. Требования стандартов предприятий могут быть обязательными и для других предприятий, если между ними существуют договорные отношения, в том числе устанавливающие обязательность исполнений определенного круга стандартов одного из предприятий.

Наряду со стандартами другими нормативными документами, регулирующими отношения в области установления, применения и исполнения требований к продукции, процессам производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, являются технические регламенты.

Технический регламент — документ, который принят международным договором РФ, ратифицирован и устанавливает обязательные для применения и использования минимально необходимые требования к объектам технического регулирования, обеспечивающие безопасность (химическую, биологическую, пожарную, механическую и т.д.) и единство измерений.

На переходный период, до принятия необходимых технических регламентов, с указанными целями должны применяться соответствующие требования ранее принятых ГОСТ, санитарных и строительных норм и правил (СанПиН, СНиП).

Объектами стандартизации являются продукция, работа (процесс создания продукции) и услуга (процесс создания нематериальной продукции), подлежащие или подвергшиеся стандартизации. Стандарты разрабатывают на наиболее распространенные и типовые ситуации. В частности, объектом стандартизации может быть конкретное изделие, параметрические ряды однотипных изделий, отдельные свойства изделия, меры и единицы измерения, нормы, правила, требования, условия, термины и определения, обозначения и т.д., имеющие перспективу многократного применения в различных сферах деятельности человека. Все правила до оформления их в стандарты проходят длительную проверку на практике, и поэтому заключают в себе богатый опыт предшествующих поколений инженеров и ученых.

Стандартизация ведет к снижению себестоимости продукции, поскольку:

• позволяет экономить время и средства за счет применения уже разработанных типовых ситуаций и объектов;
• повышает надежность изделия или результатов расчетов, поскольку применяемые технические решения уже неоднократно проверены на практике;
• упрощает ремонт и обслуживание изделий, так как стандартные узлы и детали — взаимозаменяемые (при условии, что сборка осуществлялась без пригоночных операций).

Эффективность стандартизации может быть незначительной или же вообще отрицательной в случае, когда основной целью разработки изделия является достижение очень высоких функциональных характеристик. Это также заметно в процессе оптимального проектирования, когда наилучшие значения параметров могут не соответствовать стандартным значениям.

Различают стандартизацию конструктивную и технологическую. Конструктивная стандартизация подразумевает использование стандартных конструктивных решений параметров, деталей и узлов. Технологическая стандартизация основана на применении стандартного инструмента и оборудования, технологического процесса.

Стандартизации конструктивная и технологическая взаимосвязаны. На этапе проектирования уровень технологической стандартизации можно повысить следующими способами:

• номинальные размеры деталей должны соответствовать размерам, получаемым при использовании стандартного инструмента (диаметры и шаги резьбы, модули зацепления, радиусы галтелей и т.д.), либо величинам из ряда предпочтительных чисел (поскольку, например, диаметры сверл тоже соответствуют таким значениям);
• посадки и отклонения размеров деталей должны быть стандартными. Это особенно касается сопряжений стандартных деталей (например, подшипников качения) и назначения допусков на отверстия (в целях применения стандартных сверл);
• назначать материалы со стандартными значениями параметров (состав, физикохимические свойства);
• применять стандартные формы и параметры технологических элементов — фасок, галтелей, проточек, — получаемые типовым инструментом.

Уровень конструктивной стандартизации изделия можно выразить коэффициентом, равным отношению числа стандартных узлов и деталей к общему их количеству, определяемому по спецификации. Возможна оценка этого коэффициента по отношению массы или стоимости стандартных деталей к общей массе или стоимости всего изделия.

Унификация — это устранение излишнего многообразия посредством сокращения перечня допустимых элементов и решений. Унификация в процессе конструирования изделия — это многократное применение в конструкции одних и тех же деталей, узлов, форм поверхностей. Унификация в технологическом процессе — это сокращение номенклатуры используемого при изготовлении изделия инструмента и оборудования (например, все отверстия одного или ограниченного значений диаметров, все обрабатывается только на токарном станке, применение одной марки материала). Унификация позволяет повысить серийность операций и выпуска изделий и, как следствие, удешевить производство, сократить время на его подготовку. С другой стороны, унификация ведет к увеличению габаритов, массы, снижению КПД и т.п. вследствие не всегда оптимальных значений используемых параметров и изделий. Поэтому целесообразность повышения степени унификации должна подтверждаться, например, на основе сравнения разных вариантов технических решений и соответствующего им соотношения затрат и выгод.

Уровень унификации изделия можно выразить коэффициентом, равным отношению числа унифицированных (одинаковых) элементов к общему их количеству. Если в конструкции имеется несколько групп унифицированных элементов, то общий коэффициент обычно получается сверткой. Возможна оценка степени унификации по отношению массы или стоимости унифицированных деталей к общей массе или стоимости всего изделия.

Заранее заложенная в конструкцию унификация упрощает последующее совершенствование таких изделий и их приспособление к новым условиям. Существуют следующие направления создания унифицированных конструкций:

• метод базового агрегата. Разнообразие получаемых изделий основывается на наличии у них общей, базовой части (агрегата) и дополнительных частей, создающих это разнообразие. Например, разные по виду салона модели легковых автомобилей могут обладать одним и тем же двигателем и шасси (это — базовый агрегат);
• компаундирование. Увеличение производительности изделия достигается параллельным присоединением и одновременной работой ряда однотипных изделий. Например, подключение дополнительных насосов, установка второго двигателя (а не увеличение мощности прежнего);
• модифицирование. Это — приспособление уже выпускаемого изделия к новым условиям без изменения в них наиболее дорогих и ответственных частей. Например, замена материала корпуса асинхронного двигателя на другой с целью обеспечения возможности эксплуатации его в новых климатических условиях;
• агрегатирование (принцип модульности). Новое изделие создается на основе комбинации уже имеющихся унифицированных агрегатов, которые обладают полной взаимозаменяемостью (совместимостью) по эксплуатационным показателям и присоединительным размерам.

Крупнейший менеджер в области автомобилестроения Ли Якокка писал: «Разработка нового автомобиля («Мустанга» фирмы «Форд») с нуля обошлась бы нам в 300–400 миллионов долларов (в ценах начала 60-х годов). Эту проблему можно было решить, используя компоненты, содержащиеся в уже выпускаемых автомобилях. Двигатели, трансмиссии и оси для «Фэлкона» уже существовали, и если бы нам удалось приспособить их, то не пришлось бы начинать с пустого места. В этом случае разработка обошлась бы нам всего в 75 миллионов долларов.

В конечном итоге пришли к выводу, что кузов и весь дизайн в целом должны быть полностью оригинальными. Можно было взять шасси и двигатель».

Преемственность — это продолжение использования в новом изделии элементов еще выпускающегося или уже выпускавшегося изделия с сохранением прежней технологии их производства. Преемственность значительно сокращает сроки и затраты на технологическую подготовку производства и проведение испытаний новой конструкции, повышает ее надежность (благодаря применению уже проверенных в эксплуатации частей). Она особенно эффективна при выпуске продукции, требующей специальной технологической подготовки, т.е. изготовления специального инструмента и приспособлений, наладки оборудования (это обычно связано с поточным производством). Преемственность позволяет постепенно, без больших затрат перейти на выпуск новой сложной продукции.

Степень преемственности характеризуется коэффициентом, равным отношению числа наименований используемых в изделии уже выпускающихся элементов, к общему числу наименований элементов. Коэффициент определяется по таблице составных частей, входящей в комплект чертежа общего вида. Для нового изделия обычно он составляет 0,7...0,9.

Разновидностью преемственности является использование готовых покупных элементов в разрабатываемом изделии. Это сильно снижает требования к необходимым производственным ресурсам (применяется при слабой производственной базе, для ускорения выпуска продукции на рынок, но усиливает зависимость от производителя этих элементов). Целесообразность применения готовых элементов подтверждается сравнением затрат на покупку нужных элементов с затратами на организацию их производства собственными силами.

4.5.2.2. Технологичность

Возможность изготовления изделия — обязательное условие реализуемости конструктивного решения. Технологичность же заключается в возможности выпуска изделия (изготовления и сборки с заданным уровнем качества) с наименьшими производственными затратами и в кратчайшие сроки. Технологичность закладывается в конструкцию при соответствующем назначении параметров деталей (материала, размеров и их отклонений, шероховатости и т.п.), форм и взаимного расположения поверхностей их элементов. Технологичность базируется на стандартизации, унификации и преемственности. Во многих случаях только возможности технологии (воплощающей в себе достижения науки и техники) позволяют достичь уникальных результатов и высоких потребительских свойств.

Ли Якокка писал: «Простота изготовления и сборки — это ключ к качеству. «Моя конструкция превосходна» — это утверждение мне приходилось неоднократно слышать на протяжении многих лет. А я при этом думаю: «Да, она замечательная, только я этого не смогу изготовить».

Технологичность — понятие относительное, на нее влияют место изготовления, серийность, доступное оборудование, привлекаемый персонал, развитость межхозяйственных связей и многое другое.

4.5.2.3. Транспортабельность

Транспортабельность — это свойство изделия, позволяющее с минимальными затратами перемещать его в пространстве (внутри производственных цехов, от производителя к продавцу и, далее, к потребителю). Сложности с транспортировкой возникают у изделий громоздких и тяжелых, чувствительных к перемещению (хрупких, высокоточных и т.п.).

Для тяжелых изделий предусматривают возможность такелажирования, т.е. наличия приспособлений для подъема и перемещения груза. При этом конструкция изделия должна быть прочной и жесткой, допускающей его подъем и перенос, а такелажные приспособления — не увеличивать размеры изделия и не ухудшать его вид. Транспортировка изделий, чувствительных к перемещению, требует применения специальных приспособлений и тары.

Размеры и формы изделия должны проектироваться, в том числе, под возможный способ его доставки на место назначения, что подразумевает:

• ориентацию на определенный вид транспорта;
• если габариты уменьшить нельзя, то конструкцию выполняют составной с последующей сборкой на месте эксплуатации посредством простых монтажных операций (принцип агрегатности) и с минимумом затрат на регулировку;
• обеспечение жесткости и виброустойчивости;
• введение специальных частей для стопорения изделия и осуществления погрузочноразгрузочных (такелажных) работ;
• защиту полостей и выступающих частей, предохранение от коррозии;
• создание соответствующей упаковки.

Ли Якокка писал: «Мы экономили деньги, где только могли. Когда мы начали проектировать автомобили серии «К», то сознательно ограничили длину 447 сантиметрами, чтобы как можно больше машин уместить на стандартной железнодорожной платформе».

4.5.2.4. Сохраняемость

Сохраняемость — это способность изделия не зависеть (быть защищенной) от неблагоприятных воздействий внешней среды (климатических, случайных или преднамеренных). Достигается нанесением покрытий или использованием упаковки (тары). Форма изделия должна обеспечивать минимальные габариты и простоту формы тары, возможность легкого удаления защитных покрытий, необходимую степень герметичности и использования объема внутри тары.

4.5.3. Эксплуатационные требования

4.5.3.1. Функциональные требования

Функциональные требования (показатели назначения) характеризуют наиболее важные свойства товара, способность использовать его по назначению. Эти требования можно разделить на следующие группы:

• требования производительности. Включают показатели необходимой мощности, грузоподъемности, развиваемой скорости и другие, которые характеризуют выполняемую функцию;
• требования эффективности. Характеризуют степень эффективности использования изделия по назначению, например, показатели энергетические (КПД, потери), кинематические (точность перемещения), силовые (стабильность нагрузки) и т.п.;
• конструктивные требования. Характеризуют достоинства выбранной конструкции, например, масса и габариты.

Функциональные требования обязательно должны присутствовать в ТЗ. Часто их приводят в виде относительных величин (например, удельный момент T/m редуктора, равный отношению крутящего момента на выходе редуктора к его массе).

4.5.3.2. Надежность

Надежность — это свойство изделия сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, которые характеризуют способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. Степень надежности закладывается на этапах проектирования, изготовления и сборки.

С течением времени значения параметров изменяются. Если изменения некоторых параметров превышают допустимые пределы, то первоначально исправное изделие, состояние которого соответствовало всем требованиям проектной документации, становится неисправным. При этом, если показатели назначения остались в установленных пределах (изделие и дальше способно выполнять заданные функции), то состояние оценивается как работоспособное. Событие, которое вызвало нарушение исправного состояния изделия при сохранении его работоспособности, называется повреждением. Так, например, изделие может быть работоспособным, но неисправным при ухудшении внешнего вида, не препятствующем его дальнейшему применению по назначению.

В случае наступления отказа изделие переходит в неработоспособное состояние. Примерами отказов могут служить значительное падение КПД изношенной машины, поломка зуба шестерни, недопустимое ослабление затяжки резьбовых соединений, повреждение сосуда коррозией. Возможно восстановление работоспособности изделия.

Состояние изделия, которое влечет за собой временное или окончательное прекращение его применения по назначению, называется предельным. Такое состояние возникает изза нарушения требований техники безопасности, недопустимого снижения эффективности эксплуатации, морального старения и других причин. Временное прекращение применения изделия вызывается отправкой его в капитальный или средний ремонт.

В машинах отказы в основном имеют механическое и физико-химическое (коррозия, эрозия, адсорбция) происхождение. Отказы могут возникать случайно или в результате постепенного необратимого накопления повреждений.

Случайный отказ вызывается резкими нерасчетными перегрузками, природными воздействиями, неподдающимися прогнозу, грубыми ошибками при проектировании или эксплуатации. С подобными отказами бывают связаны следующие явления:

• хрупкое разрушение. Наблюдается при низкой температуре или действии на детали из хрупких материалов (с малой вязкостью) ударных нагрузок (например, раскалывание колец подшипников качения). Охрупчивание ряда материалов может происходить при нагреве или радиационном излучении. Обязательно учитывается при проектировании криогенной аппаратуры и деталей атомных реакторов;
• пластическое течение. Возникает в деталях, в основном, из вязких материалов (например, обмятие шпонок, шпоночных канавок и шлицев, вытяжка болтов);
• потеря устойчивости и превышение допустимых значений упругой деформации (недостаточная жесткость). Жесткость характеризуется изменением формы и размеров элементов конструкции под действием внешних нагрузок. В ряде случаев размеры проектируемой конструкции определяются не ее прочностью, а жесткостью. Например, из условия жесткости оценивают параметры и форму корпусов. Высокая жесткость необходима в прецизионной и измерительной технике. В технологии жесткость влияет на точность изготовления и производительность (скорость) процесса обработки.

• Жесткость машин подразделяется на объемную (например, прогиб вала) и контактную (например, контактная деформация пары взаимодействующих зубьев колес). Объемную жесткость можно повысить выбором рациональных сечений, типов и расположением опор, работой элементов конструкций на растяжение-сжатие. Контактная жесткость зависит от формы контактирующих поверхностей, качества их обработки (точность формы, шероховатость), создания предварительного натяга;

• потеря вибропрочности и виброустойчивости. Вибропрочность характеризует способность изделия противостоять разрушающему действию вибраций в заданных диапазонах частот и оставаться работоспособным после длительного воздействия вибрации. Виброустойчивость характеризует сохранение работоспособности изделия в условиях вибрационных нагрузок. Связаны с возникновением недопустимых колебаний при работе машины в рабочем диапазоне режимов. Особую опасность вызывает резонанс. Расчет на колебания обычно проводится для всей системы. Разделяют вынужденные колебания, вызываемые внешними периодически действующими силами (например, неуравновешенность вращающихся деталей), и автоколебания (самовозбуждающиеся незатухающие колебания, поддерживаемые за счет источников энергии, не обладающих колебательными свойствами).

Отказы, возникающие в результате постепенного необратимого накопления повреждений, составляют основную группу случаев наступления предельных состояний нормально эксплуатируемых изделий. С подобными отказами связаны следующие явления:

• ползучесть. Наиболее заметно проявляется при высоких температурах и длительном действии больших нагрузок (например, детали турбин, котлов, лопаток и дисков насосов) и у пластмасс (это ограничивает их применение в качестве материалов точных деталей). В деталях с заданными постоянными деформациями возникает релаксация напряжений, т.е. постепенное снижение первоначального уровня напряжений (например, ослабление затяжки напряженных резьбовых соединений);
• усталостное разрушение. Наступает в результате накопления необратимых механических изменений при приложении циклических нагрузок. Процесс начинается с развития усталостных микротрещин и заканчивается внезапным разрушением при достижении ими критических величин. Способность материалов и конструкций сопротивляться действию циклических нагрузок называется выносливостью;
• изнашивание. Вызывается разрушением и отделением материала с поверхности твердого тела или накоплением остаточной деформации при трении и проявляется в постепенном изменении размеров и формы тела. Результат процесса изнашивания — износ. Свойство материалов оказывать сопротивление изнашиванию называется износостойкостью. В настоящее время изучением этих процессов занимается триботехника. Изнашивание имеет следующие виды:

  - механическое. Наступает в результате механического воздействия. Подразделяется на усталостное, абразивное и другие виды. Усталостное изнашивание связано с усталостным разрушением при повторяющемся деформировании поверхностного слоя (например, выкрашивание дорожек и тел качения). Абразивное выкрашивание наступает в результате царапающего или режущего действия на деталь твердых частиц, находящихся в свободном состоянии (например, износ вкладыша подшипника скольжения при попадании вместе со смазкой в трущуюся пару абразивных частиц);

  - молекулярно-механическое. Проявляется в схватывании и заедании контактирующих поверхностей (например, в зацеплении червячной передачи);

  - коррозионно-механическое. Проявляется в срыве продуктов коррозии и защитных окисных пленок механическим воздействием;

  - кавитация. Проявляется в поверхностном разрушении деталей в высокоскоростном турбулентном потоке жидкости.

Изнашивание снижает точность устройств, КПД, ведет к утечкам топлива, повышению шума быстроходных машин, падению прочности вследствие утончения сечений и возрастания динамических нагрузок и т.п. В настоящее время 80...90% всех отказов машин обусловлено износом, а на воспроизводство запасных частей в нашей стране расходуется 25% выплавляемого металла. На энергетические потери, вызываемые трением, расходуется 1/3 производимых энергетических ресурсов.

В общем случае внешние и внутренние параметры машин имеют рассеяние и являются случайными величинами. Соответственно и надежность рассматривается как вероятностная характеристика системы. В зависимости от назначения машины и условий ее применения надежность состоит из сочетаний свойств безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Безотказность — свойство изделия непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. Под наработкой понимается продолжительность или объем выполняемой работы. Долговечность — свойство изделия сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Безотказность используется для характеристики надежности неремонтируемых изделий (например, электролампы) или изделий, отказ которых вызывает катастрофические последствия (например, ущерб от выхода из строя гидротурбины). Долговечность характеризует больший период времени нормальной работы изделия, поскольку предполагается восстановление его работоспособности, но в продолжительность работы остановы на ремонт не засчитываются.

При характеристике надежности изделия предполагается определенная вероятность достижения предельного состояния отдельными его частями. Вероятность того, что в пределах заданной наработки или заданного отрезка времени отказ не возникает, составляет основной показатель теории надежности — вероятность безотказной работы Р(t). Этот показатель зависит от большого числа параметров (случайных факторов) и изменяется во времени в соответствии с некоторым законом распределения.

Другими характеристиками надежности служат:

• ресурс, как наработка изделия от начала его эксплуатации или после ремонта до перехода в предельное состояние. Ресурс может измеряться в километрах пробега автомобиля, числами циклов нагружений и т.п. и характеризует запас возможной наработки изделия;
• срок службы, как календарная продолжительность от начала эксплуатации или после ремонта до перехода в предельное состояние. Срок службы измеряется в часах и при известном коэффициенте загрузки машины и доле ее участия в цикле работы может быть пересчитан в ресурс.

В соответствии с этими характеристиками применяют следующие показатели долговечности:

• средний ресурс (срок службы) партии изделий Т_ср;
• гамма-процентный ресурс (срок службы) Т_γ , как наработка (календарная продолжительность), в течение которой изделие не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью у, выраженной в процентах, т.е. Р(Т_γ)=γ/100 . Например, для подшипников качения часто принимают Р(Т_γ)= 0,9;
• назначенный ресурс (срок службы), как суммарная наработка (календарная продолжительность), при достижении которой применение изделия по назначению должно быть прекращено. Так, для подшипников качения ресурс обычно назначают из условия L_h=Т_90%.

Вероятность безотказной работы изделия назначают в зависимости от последствий отказов и характера их наступления (внезапно наступающие, как более опасные, или постепенно развивающиеся отказы):

• Р->1 (высокая надежность) — катастрофические последствия (аварии с человеческими жертвами, невыполнение ответственных заданий и т.п., например, летательные аппараты, подъемно-транспортное оборудование);
• Р≥0,99 (повышенная надежность) — значительные экономические последствия, например, технологическое оборудование;
• Р≥0,9 (обычная надежность) — обычные бытовые приборы и подобное оборудование;
• Р≤ 0,9 (пониженная надежность) — отказы не вызывают опасных последствий, простые изделия неответственного назначения.

Оценка надежности основывается на следующих исследованиях:

• выявление вида отказов и причин их наступления (в большинстве случаев отказы возникают вследствие действия нескольких факторов и могут по-разному себя проявлять);
• выбор параметров, характеризующих отказ, и форму записи критерия работоспособности. Так, для детерминированной модели это могут быть следующие условия:

  - σ< [σ], не превышение действующим напряжением допускаемого. В зависимости от вида напряженного состояния в качестве действующего напряжения могут выступать нормальное σ (например, изгиб и растяжение бруса), касательное τ (например, кручение бруса) или, при их совместном действии, эквивалентное напряжения. В качестве допускаемого напряжения [σ] часто берется отношение предельного напряжения (предел текучести, прочности и т.д.) к нормативному коэффициенту запаса;

  - n ≥ [n], значение коэффициента запаса должно быть не меньше нормативно допустимого. Допустимая величина выбирается по рекомендациям, в соответствии с условиями производства и эксплуатации;

  - Δ ≤ [Δ], изменение размеров (например, вследствие износа) или деформация (жесткость, прогиб) функционально важного элемента изделия не должны превышать допустимого значения;

• установление взаимосвязи параметров отказов с параметрами изделия (размерами, материалом) и внешними факторами (нагрузка, климатические воздействия и т.д.).

Надежность взаимосвязана с экономическими показателями изделия и сроком его эксплуатации: повышение надежности достигается увеличением затрат на изготовление и проектирование, но снижает расходы на ремонт и обслуживание, потери от простоя. На рис. 11 показана зависимость надежности (вероятности безотказной работы) от суммарных затрат S. Стоит обратить внимание, что абсолютно надежное изделие создать нельзя, так как невозможно гарантировать 100% вероятность безотказной работы в течение любого, пусть и малого периода времени (так, расчетная надежность космического аппарата «Аполлон» составляла Р=0,99999 — «пять девяток»). С другой стороны, практически абсолютно надежное изделие экономически нецелесообразно, так как затраты на изготовление и разработку не будут соответствовать возможной выгоде, а также не выгодно, чтобы срок эксплуатации был значительно выше срока морального устаревания.

Рис. 11. Экономическая целесообразность степени надежности изделия

Основная задача теории надежности в процессе проектирования заключается в оценке вероятности безотказной работы на заданном периоде времени и выборе таких параметров изделия (материалов, конструктивных форм, технологических операций и т.п.), чтобы обеспечить плановые показатели долговечности. При этом долговечность отдельных частей должна согласовываться с долговечностью всего изделия.

Надежность изделия, определяемая надежностью составляющих его частей, узлов и деталей, также зависит и от схемы их соединения. Так, для механического привода, включающего 50 последовательно соединенных элементов с вероятностью безотказной работы каждого Р_i =0,99, результирующая надежность составит Р_Σ = Р₁·Р₂·... ·Р₅₀ = 0,99⁵⁰ ≈ 0,605 (по правилу перемножения вероятностей).

Повысить надежность проектируемого изделия можно комплексом мер, основными из которых являются следующие:

• уточнение характера и законов распределения входных параметров;
• применение уточненных математических моделей и методов расчета, учитывающих вероятностную природу реальных объектов;
• упрощение конструкции (чем меньше элементов, тем выше надежность изделия);
• применение стандартных и покупных элементов с известной (стабильной и проверенной на практике) надежностью;
• снижение нагрузки, работа на неполную мощность, повышение коэффициентов запаса;
• создание избыточности:

- резервированием (дублированием) элементов. Например, при введении параллельно основному элементу (детали) m дополнительных, надежность такого узла составит . Если m=3, Р_i=0.9, то в итоге Р=0.999 . Дублирующие элементы могут находиться в облегченном или ненагруженном режиме работы. В последнем случае надежность будет выше, при условии, что надежность подключения дублирующего элемента очень высока. Часто машины резервируют с восстановлением, т.е. в процессе работы дублирующего элемента проводится ремонт основного;

- резервированием системы. Одним из методов служит создание резервных цепей (потоков мощностей или дублирующих технических систем).

Надежность изделия в значительной степени определяется его ремонтопригодностью, т.е. приспособленностью к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов. Ремонтопригодность позволяет снизить затраты времени, труда и средств на техобслуживание и ремонт и, таким образом, повысить эффективность эксплуатируемого изделия. Обеспечение ремонтопригодности предполагает:

• снижение потребности в техобслуживании и ремонте. Это достигается использованием деталей и узлов с высокими показателями надежности, уменьшения количества операций по обслуживанию и ремонту, частоты их повторения;
• повышение технологичности техобслуживания и ремонта. Это достигается повышением контролепригодности, доступности, легкосъемности, взаимозаменяемости, унификации и стандартизации, восстанавливаемости изделий, ограничением числа и номенклатуры материалов, инструмента, вспомогательного оборудования и приспособлений;
• ограничение требований к квалификации персонала, осуществляющего техобслуживание и ремонт. Это достигается автоматизацией контроля технического состояния и диагностирования изделий, механизацией работ, определяемостью и ясностью в обозначениях мест контроля технического состояния, смазки, регулирования, крепления и т.д., логической последовательностью и удобством выполнения операций техобслуживания и ремонта, исключением возможности неправильного выполнения монтажнодемонтажных работ, четкостью и лаконичностью изложения указаний в эксплуатационной и ремонтной документации.

Система техобслуживания и ремонта проектируемого объекта должна ориентироваться на уже действующую систему, либо разрабатываться совместно с этим объектом.

Надежность изделий изменяется и в перерывах между периодами эксплуатации (например, старение материалов). Способность изделий противостоять отрицательному влиянию на безотказность, ремонтопригодность и долговечность условий и продолжительности хранения и транспортирования характеризуется сохраняемостью. Основным ее показателем является средний срок сохраняемости (гамма-процентный срок), который включает срок сохраняемости в упаковке или законсервированном виде и срок монтажа. Продолжительное хранение и транспортирование могут отрицательно повлиять на поведение изделия не только в этот период, но и при последующей его эксплуатации.

4.5.3.3. Эргономичность

На основе сочетания возможностей человека и машины эргономичность содействует созданию изделий с высокими социальными результатами: сохранение здоровья людей посредством повышенного удобства эксплуатации, всестороннее развитие человеческой личности (человек — не придаток машины, а машина — помощник человека, глубже реализующая его способности), обеспечение высоких потребительских свойств и эффективности деятельности человека.

Важной является задача не подгонять проектируемый объект под человека, а сразу проектировать человеко-машинную систему. Выделяют следующие эргономические свойства изделий:

• управляемость — распределение функций человеко-машинных систем в соответствии с психофизиологической структурой деятельности человека, уменьшение напряженности человека при большой эффективности управления, соответствие ритмов трудовых процессов;
• обслуживаемость — соответствие конструкции изделия оптимальной психофизической структуре человека в процессе эксплуатации, обслуживания и ремонта;
• освояемость — способность быстрого приобретения навыков по управлению изделием;
• обитаемость — приближение условий функционирования к биологически оптимальным параметрам внешней среды, при которых человеку обеспечиваются оптимальное (нормальное) развитие, хорошее здоровье и высокая работоспособность, уменьшение или ликвидация вредных последствий для окружающей среды при эксплуатации изделия.

Эти свойства проистекают из следующих эргономических показателей:

• социально-психологические — соответствие конструкции изделия характеру взаимодействия человека и машины;
• психологические — соответствие изделия возможностям и особенностям восприятия, памяти и мышления человека;
• физиологические и психофизиологические — соответствие изделия физическим возможностям человека;
• антропологические — соответствие изделия размерам и форме человеческого тела, распределения его веса;
• гигиенические — требования охраны труда, обеспечение здоровых условий работы.

Изделие должно быть эргономичным не только в процессе эксплуатации, но и в процессе изготовления и сборки. Так, для облегчения транспортировки должны быть предусмотрены, например, крюки как у изделия в целом, так и у его наиболее громоздких частей.

4.5.3.4. Безопасность

Безопасность предусматривает исключение возможных несчастных случаев при нормальной и неквалифицированной работе, при случайных действиях человека и воздействии внешней среды, в аварийных и экстремальных ситуациях, а также в процессе изготовлении изделия (на обычном и, особенно, опасном производстве). Проверка на безопасность в процессе проектирования ведется в следующих направлениях:

• что произойдет, если изделие или его часть выйдут из строя, как предохранить или минимизировать последствия для окружающих объектов и людей;
• что произойдет, если управляющий работой изделия или же случайно оказавшийся рядом человек предпримет по отношению к изделию те или иные действия («защита от дурака»);
• что произойдет, если изменятся условия эксплуатации (скачек мощности, резкое торможение и т.п.), внешние условия (рост температуры, изменение влажности) и т.п.

Безопасность повышается при установке или встраивании систем предохранения, блокировки, предупреждения и т.д.

Безопасность подразумевает безопасность самого изделия и используемых расходных материалов, пожаро- и электробезопасность, отсутствие токсичности, учет особенностей работы (высокая температура, давление) и т.д.

Изделие должно быть безопасным в течение всего жизненного цикла и установленного срока службы. При этом Декларация Генеральной Ассамблеи ООН 1985 г. предусматривает, что изделия, предназначенные для потребления отдельными гражданами, должны быть безопасны не только при обычных условиях их использования по назначению, транспортирования, хранения и утилизации, но также и при любом ином разумном использовании.

Минимально приемлемый уровень безопасности устанавливают нормативные документы федеральных органов исполнительной власти, осуществляющих контроль за качеством и безопасностью товаров, такие как Госгортехнадзор, Госсанэпидемнадзор и другие. В ряде случаев для эксплуатации изделия или при использовании отдельных видов производства необходимо получение соответствующих лицензий и разрешений, наличие инструкций по эксплуатации и действии при аварийных ситуациях.

4.5.3.5. Экологичность

Экологичность характеризует приспособленность разработанного изделия к сосуществованию с окружающей природой и средой обитания живых организмов, к обмену с ними энергией (например, отдача в окружающее пространство тепла), веществом (например, засорение среды продуктами износа, утечками смазочных масел) и сигналами (например, издавание свиста, шума). Изделие также должно быть экологичным в процессе производства и утилизации: безвредные отходы, технологические процессы, расходные материалы. Идеальным является изделие, полностью изолированное от внешней среды или работающее по замкнутому циклу (по отношению к отходам и потерям). Ряд требований экологичности регламентируется ГОСТ и СНиП (санитарные нормы и правила).

С каждым годом роль требований экологичности все более возрастает, увеличиваются налоги, отчисления и штрафы за загрязнение окружающей среды, на восстановление природных ресурсов. Предполагают, что скоро эти требования станут одними из самых важных.

4.5.3.6. Эстетичность

Эстетичность характеризует проявление прекрасного во внешних образах изделия. Обеспечивает социальную эффективность новой продукции. С другой стороны, по степени изящности изделия судят о степени совершенства самой конструкции. Известно высказывание одного крупного конструктора о том, что красивое изделие может и не быть надежным, но безобразное — наверняка неработоспособно.

Эстетичность достигается методами дизайна (художественного проектирования), цель которого — включить разрабатываемое изделие в круг вещей как элемент человеческой культуры, расширить его функции не только на удовлетворение материальных потребностей, но и на потребности духовной жизни, достичь единства формы (художественного восприятия) и содержания (функционального назначения и технической целесообразности).

Раньше художник и конструктор были в одном лице, и внешний облик рождался стихийно, как проявление интуиции и вкуса конструктора. С конца 19 века дизайн стал развиваться как отдельное направление деятельности. «Уродливое плохо продается» — было лозунгом, под которым на заводах создавались первые дизайн-студии.

В дизайне выделяют два направления:

• стилизм. Здесь главное — внешний вид изделия, который может создавать иллюзии изменения потребительских свойств, привлекать внимание покупателей. Исследования показывают, что порядка 60% новизны (удовлетворения потребностей в новых технических решениях) вносится только за счет дизайнерских решений;
• функционализм. Здесь все подчинено эффективности функционирования, «форма следует за функцией». Направление базируется на хорошем знании принципов конструирования и технологичности, которые и определяют будущие формы разрабатываемого изделия.

Эстетическое восприятие формируется методами пластических искусств: живопись, графика, скульптура. Аристотель считал, что прекрасное зависит от трех элементов — упорядоченности в пространстве, соразмерности и определенности. Сейчас обычно учитывают:

• характер композиции — пространственное расположение форм предмета (фронтальное, объемное, глубинно-пространственное);
• масса формы — впечатление от массивности, производимое предметами различной формы;
• цвет — выделение цветов или их гамм для усиления восприятия объекта (опасность, успокоение);
• светотень — влияние характера освещенности на восприятие объекта (более полное выявление или скрадывание формы);
• качество поверхности — макрогеометрия и микрогеометрия (шероховатость) поверхности, ее фактура (покрытия и т.п.);
• ритм — чередование одинаковых и схожих (функционально или по форме) элементов;
• нюанс и контраст — сближение различий и оттенение отношений с сильно выраженным неравенством каких-либо признаков;
• динамика формы — создание ощущения статичности или динамичности;
• пропорции и масштабность — соотношение частей и целого, изделия и его окружения (внешних объектов и человека);
• стиль — общность существенных и характерных признаков, например, таких как простота, логичность, завершенность форм и т.п.;
• зрительные иллюзии — учет оптических искажений с целью обеспечения наилучших условий проявления других эстетических свойств.

4.5.3.7. Утилизация

Утилизация характеризует способы ликвидации изделия по завершении его эксплуатации. Включает два основных этапа: демонтаж и утилизация.

На этапе демонтажа возможны разборка изделия на части или удаление его целиком. Обычно разборка предусматривается с целью удобства последующего транспортирования, либо извлечения из изделия деталей и узлов (впоследствии используемых в качестве запасных частей), либо разделения на однородные фракции (неметаллы, черные и цветные металлы и т.д. для удобства реализации как вторичного сырья).

Требования утилизации должны предусматривать, где и как будут собраны, а затем переплавлены, или захоронены, или уничтожены и т.д. отдельные части или все изделие в целом при целенаправленных действиях, а также при неорганизованных, но удобных для потребителя поступках. Наиболее целесообразно выведение изделия из эксплуатации, используя его в качестве вторичных ресурсов (для той же или других областей промышленности и хозяйства), т.е. чтобы жизненный цикл был замкнутым (сырье- производство- эксплуатация- утилизация- сырье-...). В ином случае изделие должно самоуничтожаться естественным образом, не нарушая экологии.

5. Управление проектированием

Выше были приведены сведения о проектировании, его структуре, объектах и методах. Однако в процессе проектирования перечисленные понятия и методы используются совместно, они взаимосвязаны. С другой стороны, проектная деятельность — это процесс, нацеленный на достижение эффективного результата, а потому он требует от исполнителя активного участия, умения управлять как собственной работой, так и работой других людей.

Рассмотрим последовательность действий конструктора по выполнению проекта, методы управления этой работой на всем ее протяжении, от постановки задачи до оформления конечной документации.

5.1. Техническое задание

Исходное задание выдается заказчиком и оформляется в виде технических требований (ТТ). В качестве заказчика может выступать частное лицо либо организация. Основными причинами, заставляющими заказчика обратиться к разработчику, являются отсутствие у заказчика соответствующих специальных знаний, либо ограниченность его ресурсов (нехватка времени на решение задачи, необходимого количества людей, оборудования).

ТТ может быть четко определено, например, когда всю работу ведет один человек, либо оно выдано авторитетным специалистом, либо не может быть подвергнуто сомнению (госзаказ). Но чаще оно формулируется в общих чертах на языке потребителянеспециалиста, далеким от языка разработчика и терминов предметной области, и не всегда бывает технически четким и исчерпывающим. Неопределенные или, как их называют, туманные требования вызывают неуверенность у всех участников работ (разработчик, изготовитель, продавец, эксперт и потребитель), так как допускают различную интерпретацию требований и не позволят объективно оценить качество разработанного изделия. Также разработчик должен понимать, что заказчик может не знать (или знает частично) специальных требований, что не снимает с разработчика ответственности и обязательности выполнения требований надзорных органов независимо от их наличия в ТТ.

Перевести технические требования на язык предметной области, сформулировать задачу максимально полно и грамотно, обосновать необходимость ее решения, т.е. сформулировать техническое задание (ТЗ), — первый и обязательный этап работы. Поэтому естественно, что решение задачи начинается с ее осмысления и уточнения исходных данных. Исполнитель выполняет его в тесном контакте с заказчиком.

Замечено, что если стоимость исправления проектной ошибки, допущенной на этапе технического проектирования принять за 1, то стоимость ее исправления возрастает в 10, 100 и 1000 раз, если ошибка была допущена соответственно на этапах эскизного проектирования, технического предложения и ТЗ!

В общем виде ТЗ на разрабатываемый объект должно включать перечень выполняемых им функций и список предъявляемых к нему требований. Составление ТЗ — сложная и ответственная задача: многие данные еще не известны, но то, как задание будет поставлено, способно облегчить или затруднить последующее проектирование. Специалисты считают, что грамотное ТЗ — это более 50% успеха в решении задачи, а время, затраченное на подготовку ТЗ, — одно из лучших вложений, которые фирма может сделать в период проектирования. Недаром составление ТЗ поручается ведущим специалистам — главным конструкторам, руководителям проектов и работ и т.п.

Интересна история, рассказанная академиком А.Н.Крыловым. На одной фабрике установили новую машину, но никак не могли ее запустить. Тогда обратились за помощью к профессору университета. Приехав на фабрику, он долго ходил вокруг машины, внимательно что-то высматривая и к чему-то прислушиваясь. Затем, взяв молоток, ударил по ее корпусу. И машина заработала. За свою помощь профессор запросил у правления фабрики 100 рублей (дело было в начале 20 века). Но правление фабрики посчитало, что за один удар молотком это слишком большая плата. На что профессор ответил, что сам удар стоит один рубль, а вот то, куда ударить — 99 рублей.

С другой стороны, стоит принимать во внимание слова Ли Якокки: «... беда в том, что ты учился в Гарварде, где тебе вбили в голову, что нельзя предпринимать никаких действий, пока не соберешь все факты. У тебя 95% информации, а для того, чтобы собрать недостающие 5%, тебе понадобится еще шесть месяцев. За это время все факты устареют, потому что рынок развивается гораздо быстрее. Самое главное в жизни — все делать вовремя.

... главная задача состоит в том, чтобы собрать все важные факты и точки зрения, которые вам доступны. Но в какой-то момент надо начинать действовать решительно. Вопервых, потому, что даже самое правильное решение оказывается неверным, если оно принято слишком поздно. Во-вторых, потому, что в большинстве случаев не существует такой вещи, как полная уверенность. Вам никогда не удастся собрать все 100% информации. К сожалению, жизнь не будет ждать, пока вы оцените все возможные просчеты и потери. Иногда надо просто двинуться вперед наудачу и исправлять ошибки по ходу движения».

ТЗ включает выполнение ряда этапов. А неопределенность, свойственная этой работе, вызывает прохождение их по несколько раз, итерационно, от более общей постановки задачи — к детальной ее проработке.

5.1.1. Начальные сведения о задаче

Рассмотрим, как выявляется потребность в предстоящей разработке и откуда берутся начальные сведения о задаче.

Реализация изделия (товара) будет возможна, если в нем испытывает потребность та или иная группа людей (потребителей), существует спрос. Но чтобы в этом быть уверенным до начала разработки, необходимо изучить потребительский рынок, провести маркетинговые исследования.

Возможен поиск видов продукции, на которые есть или может быть спрос. Но чаще маркетинговые исследования проводят с целью поиска вида продукции, которую способно выпускать определенное предприятие.

Проведение маркетинговых исследований включает ряд этапов.

1. Изучение возможностей рынка.

1.1. Изучение спроса. Путем опроса различных групп населения или потребителей научно-технической продукции, анализа социальных, экономических, технических и иных тенденций выявляется потребность в том или ином товаре. Спрос может быть результатом естественного развития событий (например, появление новых технологий и открытий, позволяющих получить продукцию с новыми или улучшенными свойствами, изменение уровня благосостояния населения и т.п.), а также искусственно создаваться (например, новые тенденции в моде, направленные на необходимость замены гардероба, выпуск нового программного обеспечения, нуждающегося в более совершенных компьютерах, усиленное рекламирование, навязывающее продукцию определенного вида, и т.п.). Существование потребности в продукции — необходимое условие возможности начала разработки, определяет ее цель.

1.2. Сегментирование рынка. Выявленная потребность не может быть универсальной, она — конкретна, т.е. всегда отражает интересы определенной группы потребителей. Под такой группой понимаются потребители, которые одинаково реагируют на свойства рассматриваемой (продвигаемой на рынок) продукции, т.е. обладают по отношению к ней общностью взглядов, вкусов, привычек и т.п. На состав группы влияют возраст, социальное положение, профессиональный уровень, географическая и национально-религиозная принадлежность и т.п. Сегментирование позволяет определить емкость и особенности рынка, форму подачи товара, спрогнозировать развитие спроса и т.д. В свою очередь, емкость рынка предопределяет предстоящий масштаб производства, его организацию и размещение. А в случае узости рынка возрастают требования к тщательности постановки задачи, так как малейшее неудовлетворение запросов потребителей ведет к потере большой части (или всех) заказов.

1.3. Позиционирование товара. Важно знать точный ответ на вопрос: «Почему покупают данный товар?» По своей сути любой товар — это заключенная в упаковку услуга для удовлетворения какой-то потребности. Так, например, «приобретаются не сверла диаметром 10 мм, а отверстия такого диаметра», не чайник, а возможность кипятить или нагревать воду. И ответ на поставленный вопрос состоит в конкретизации потребности и условий ее реализации. Для этого проводятся исследования таких потребительских свойств как назначение, уровень качества, оформление, марочные название и упаковка, а также возможность предоставления дополнительных услуг с целью получения выгоды от продажи товара с «подкреплением». Например, продавать компьютер с загруженным программным обеспечением — покупателя интересует не столько сам компьютер, сколько решение с его помощью своих проблем.

Позиционированию товара способствует изучение свойств сходной продукции, выпускаемой конкурентами — выявляется уровень характеристик товара, обеспечивающий его конкурентоспособность.

Позиционирование позволяет обоснованно составить список требований к товару со стороны потребителя, максимально учесть все его пожелания.

Выпуск продукции всегда связан с риском понести убыток. По данным исследований терпят неудачу на рынке товаров широкого потребления около 40% от общего числа новинок, а на рынке товаров промышленного назначения — порядка 20%. Тщательность (полнота и глубина) изучения возможностей рынка позволяет уменьшить этот риск. Методы проведения маркетинговых исследований можно найти в специальной литературе, например, в работах Ф. Котлера.

2. Определение возможностей предприятия. Предполагаемая продукция будет проектироваться и выпускаться на вполне определенном предприятии и конкретными людьми. Это предъявляет к продукции со стороны производителя следующие требования:

• соответствие продукции профилю предприятия. В противном случае потребуется переподготовка кадров и монтаж нового или переналадка старого технологического оборудования. Целесообразность таких мероприятий должна подтверждаться ожидаемой выгодой от выпуска новой, ранее непрофильной продукции;
• соответствие ресурсам предприятия, которые включают численность и состав персонала, используемое оборудование, наличие сырья, возможности хранения и транспортирования продукции, ее реализации и послепродажного обслуживания, наличие сети севисцентров и т.п. Причем все эти факторы должны оцениваться по состоянию не только на момент выпуска продукции, но и на весь период ее производства (так, изменение стоимости сырья может не только привести к удорожанию продукции, но и сделать ее выпуск нецелесообразным).

Знание возможностей предприятия позволяет подтвердить экономическую целесообразность выпуска продукции. Однако необходимо учесть косвенную целесообразность и целесообразность, связанную с чисто физическим выживанием, моральным престижем. Например, выполнение несвойственной профилю предприятия работы может быть обусловлено экстремальной ситуацией (ликвидация стихийного бедствия и т.п.). Или, например, отказ от пусть и убыточного заказа может подорвать репутацию фирмы, что в будущем лишит ее возможности получения уже выгодного заказа.

В результате маркетинговых исследований появляются и конкретизируются технические требования. В общем случае они включают:

• перечень потребностей, удовлетворяемых выпуском продукции,
• желаемые потребительские свойства продукции,
• условия потребления продукции и емкость рынка,
• условия производства продукции, данные об исходных материалах и возможной кооперации,
• условия хранения, транспортирования и реализации,
• перечень целей, достигаемых выпуском продукции,
• заключение о технической и экономической целесообразности разработки и выпуска этой продукции.

Маркетинговые исследования повышают вероятность получить отдачу от вложений в разработку продукции. Их важность подтверждается и тем, что на преуспевающих фирмах численность маркетинговой службы достигает или даже превышает половину численности всех служащих.

В случаях, когда необходимо привлечение потенциальных инвесторов (при недостаточности или отсутствии собственных финансовых ресурсов), результаты маркетинговых исследований оформляют в виде бизнес-плана. Этот документ предназначен для убеждения инвестора в надежности, обоснованности, перспективности и окупаемости проекта. По этой причине бизнес-план должен быть написан простым и ясным языком, коротко (до 20 страниц формата А4), аргументировано, опираться на реальные факты. Существует типовая структура бизнес-плана.

Приведем рассказ о том, как Эдисон ставил перед собой техническую задачу. Прежде, чем приступить к разработке электрического освещения в быту, Эдисон провел исследования, при каких условиях оно выдержит конкуренцию в цене, яркости и удобстве с газовым освещением (рожком). Он до тонкостей изучил газовую промышленность, разработал план центральной электростанции и схему линий электропередач к домам и фабрикам. Затем подсчитал стоимость меди и других материалов, которые потребуются для изготовления ламп и добычи электроэнергии с помощью динамо-машины, движимой паром. Анализ данных определил не только размеры лампы, но и ее конкурентоспособную цену, равнявшуюся 40 центам. И лишь когда Эдисон убедился, что сможет решить проблему электрического освещения, он принялся работать над лампой накаливания с угольной нитью, помещенной в стеклянный шар, из которого откачан воздух. В поисках материала нити он опробовал около 6 000 разновидностей растительного волокна.

5.1.2. Содержание технического задания

Исходное задание может включать разные сведения, приводимые в том или ином виде, регламентируемые или нерегламентируемые стандартами, нормами, обычаями. Но в любом случае, явно или не явно, ТЗ содержит следующие группы данных.

Функциональная постановка целей. Изделия являются лишь материальными носителями определенных функций, выполнение которых и позволяет достигать заданные цели (удовлетворять потребности). Но одну и ту же функцию могут выполнять разные устройства. Поэтому функциональное, а не объектное указание цели позволяет предлагать дополнительные варианты возможных решений, что необходимо для поиска наилучшего. Также функция — более четкий термин для описания сути назначения устройства. По этим причинам предпочтительна функциональная постановка цели в ТЗ.

Обычно функция характеризует некоторое действие, выражаемое глаголом (например, передавать, нагревать, удлиняться,...) или полученным на его основе словосочетанием (например, делать отверстия, обеспечивать герметичность,...).

Выполнение функций, реализующих заданные потребности, всегда увязывается с удовлетворением определенных требований, которые делают изделия более привлекательными, учитывают и конкретизируют особенности производства и эксплуатации и т.п. Для удобства требования подразделяют на три группы:

• условия, характеризуются конкретными значениями данных (формально их можно представить в виде равенств). Например, масса изделия должна составлять 10 кг, применять сталь 40Х;
• ограничения, задают допустимую область данных (формально их можно представить в виде односторонних или двусторонних неравенств). Например, вес изделия не должен превышать 10 кг, применять углеродистые стали;
• показатели качества, задают только перечень характеристик и направление поиска предпочтительного значения (максимальное или минимальное значение). Конкретное значение показателя становится известным только в конце этапа или всего цикла проектных работ и служит мерой предпочтения в процессе поиска оптимального варианта. Например, вес изделия должен быть минимальным, а удобство обслуживания — максимальным

Условия и ограничения. Их часто объединяют в одну группу. Это вызвано тем, что в действительности условий не существует: все параметры имеют отклонения и должны задаваться своими предельными значениями, т.е. двусторонними неравенствами. Поэтому, приводя условие, особенно в виде числа, нужно указывать или хорошо представлять его допустимые предельные отклонения (например, вес изделия должен составлять 10±0,01 кг). Но использование условий упрощает расчеты и значительно сужает область допустимых решений (например, а+в=5 или а+в>5. Во втором случае число возможных решений несравнимо больше).

Условия и ограничения могут приводиться в параметрическом или неформализованном виде. Неформализованная запись обычно используется при перечислении признаков, материалов, структур и т.п., разрешенных или запрещенных к применению. Например, условие применения изделия — морское побережье, цветные материалы — не применять, поверхность — упрочнить, устройство должно быть механическим. Такие записи позволяют в лаконичной форме охарактеризовать сложные и многогранные явления и процессы, но неконкретны и неоднозначно воспринимаются разными людьми (например, какие условия соответствуют морскому побережью?). Во избежание недоразумений (например, кто будет отвечать в случае решения задачи с неправильно понятыми условиями?) желательна детализация формулировок (предпочтительно приведение их к параметрическому виду) с последующим обязательным согласованием с заказчиком. Юридически грамотное ТЗ то, в котором условия и ограничения представлены посредством четких, однозначных количественных характеристик.

Показатели качества. Их присутствие в ТЗ означает, что предстоит решать задачу оптимального проектирования (оптимизационную задачу). При выборе показателей руководствуются следующими соображениями:

• с ростом числа показателей решение задачи усложняется, причем в большей степени, чем с ростом числа ограничений;
• грамотно задать ограничение (т.е. выбрать величину предельного значения) сложнее, чем назначить показатель. Тем более что произвольно назначенный рубеж может свести множество допустимых решений к нулю;
• критериальная постановка требования позволяет найти более эффективное решение.

По своему характеру показатели подразделяются на следующие:

• единичные, когда качество является функцией одного параметра. Например, показатель мощности характеризуется мощностью Р;
• комплексные (в т.ч. относительные), объединяющие ряд свойств, каждое из которых описывается своим параметром, и позволяющие получить новые характеристики. Например, показатель удельной мощности, равный отношению мощности устройства к его массе. Такой показатель формально является целевой функцией, но имеет физический смысл и позволяет сократить число первоначально рассматриваемых показателей (максимум мощности и минимум массы);
• интегральные, объединяющие ряд комплексных показателей.

Параметры, характеризующие условия, ограничения и показатели, оцениваются следующим образом:

• измерением и, при необходимости, последующим пересчетом в нужные характеристики;
• расчетом на основе математических моделей;
• статистическими методами или непосредственным поштучным пересчетом;
• органолептическими методами, т.е. посредством зрения, слуха, обоняния, вкуса, осязания. Для этих целей привлекают экспертов, используют специальные приборы и т.п.;
• социологическими обследованиями, например, учетом мнений определенной группы людей;
• методами экспертных оценок.

5.1.3. Составление технического задания

Получив от заказчика требования (ТТ), приступают к его осмыслению, анализу, конкретизации и переводу на язык предметной области (составляют ТЗ). Эта работа включает ряд этапов.

5.1.3.1. Анализ исходного задания

При составлении ТЗ важно критически, без предрассудков подойти к первоначально поставленной задаче, по возможности охватить все ее существенные стороны. Для этого сначала необходимо:

• убедиться, действительно ли заявленные потребности ценны для заказчика, правдивы ли исходные данные, какие неблагоприятные или вредные последствия могут возникнуть в процессе реализации этой потребности. Так, например, за потребностью в чайнике для кипячения воды в действительности может скрываться желание обеззараживать воду (что осуществимо и без использования чайника);
• выяснить суть потребности, отыскать источник ее возникновения;
• выяснить, что мешает использованию прежнего объекта для удовлетворения новых потребностей.

Причиной, вызывающей необходимость разработки, служит наличие противоречия между желанием и возможностью удовлетворения потребности. Если противоречия нет, то потребность может быть удовлетворена без создания новых изделий. Если кажется, что противоречия нет, но существующее решение не подходит, то это означает, что противоречие в действительности существует, и следует внимательно его поискать.

Противоречие вызывается изменившимися условиями или ростом требований к качеству функционирования, может заключаться как в ограниченности свойств уже существующего изделия, так и в том, что подходящего объекта еще нет. Поэтому достоверный вывод о причинах появления противоречия возможен только при рассмотрении конкретной ситуации.

Противоречие может быть декомпозировано, т.е. представлено в виде элементарных проблем.

В большинстве случаев известен прообраз: подобное или исходное изделие, переставшее удовлетворять заказчика. Наличие прообраза упрощает решение, но его отсутствие не создает психологической инерции в виде предопределенных путей решения, которые не всегда ведут к лучшему результату.

Если прообраз существует, то рекомендуется:

• либо забыть о его существовании и, отталкиваясь от исходной потребности, предложить возможные варианты с последующим выбором лучшего;
• либо усовершенствовать прообраз, воспользовавшись ИКР;
• либо локализовать потребность.

Обычно неудовлетворительная работа связана с несовершенством только некоторых подсистем. С этой целью прообраз декомпозируют по функциональному признаку, а противоречие представляют в виде элементарных проблем. Соотнося элементарные проблемы с определенными подсистемами прообраза, выявляют «несовершенные» подсистемы. Таким образом, от решения общей и сложной задачи переходят к более простой частной задаче. Чем выше будет степень декомпозиции и удастся отыскать корни проблемы на наиболее низком уровне, тем меньше переделок понадобится в исходной системе. Но и степень улучшения свойств может оказаться невысокой, могут возникнуть проблемы по состыковке усовершенствованных подсистем с оставшимися.

Например, обычная шариковая ручка плохо пишет на листе бумаги, расположенном вертикально (на стене). Декомпозируем объект «Ручка» по функциональному признаку (рис. 12). Анализ показывает, что проблема связана с подсистемами «Стержень» (1-ый уровень) и подсистемами 2-го подуровня. Проблема — не остается след от пасты, причина — отток пасты от наконечника стержня вследствие изменений условий эксплуатации.

Рис.12. Иерархическая структура объекта «Ручка»

Отметим, что на каждом этапе проектирования могут возникать новые противоречия, требующие постановки и решения дополнительных задач.

Следует выявлять и стараться избегать решения следующих задач:

• задачи, не соответствующие общественным потребностям — криминальные, аморальные, негуманные. Их решение — дело совести разработчика. Но всегда стоит задуматься о возможных последствиях результатов своей деятельности, осознанно нести за них ответственность, не ссылаясь потом на свою неосведомленность;
• технические псевдозадачи, с ошибочно выдвинутыми целями. Это — задачи, которые уже имеют решение, либо не имеют объективных предпосылок для своего решения (преждевременные задачи, но это нуждается в обосновании, чтобы отказ в решении не был следствием психологической инерции или других субъективных причин);
• химерические задачи. Это — задачи с ошибочно поставленной целью, достижение которой противоречит законам физики (например, создание устройства с КПД более 100%, устройства мгновенного действия и т.п.), либо абстрактно выдвинутые задачи, принципиально не имеющие решения (типа философского камня).

5.1.3.2. Составление списка требований

Чем полнее ТЗ и точнее выявлены действительные потребности, тем меньше сил и времени уйдет на доводку окончательного варианта. Но составить такое ТЗ непросто: это приходит со временем и с опытом. Обычно в процессе формирования ТЗ рассматривают и пытаются учесть наиболее существенные моменты, которые будут определять облик разрабатываемого объекта, и выделяют наиболее важные характеризующие их факторы.

Возможность воплощения в жизнь проектных решений. Это во многом зависит от того, какие ресурсы находятся в распоряжении разработчика. Прежде всего, исследуют доступность и потенциал следующих ресурсов:

• финансовые ресурсы. Разработка изделия и подготовка к его реализации (продвижение на рынок) требуют определенных начальных затрат. Следует оценить объем необходимых средств и их доступность, форму финансирования (наличные и безналичные деньги, получение в аренду оборудования и т.п.), срок окупаемости и способ возвращения долгов (кредиты, ссуды, расчет по лизингу и т.д.);
• производственные ресурсы. Уточняется, где будут вестись проектные работы и производиться продукция, состав и особенность инфраструктуры, степень потребности в энергетических ресурсах, их стоимость, какие оборудование и материалы доступны и в каком виде, как ими будет обеспечиваться производственный процесс, каков предполагается масштаб производства, серийность продукции, наличие отраслевой специфики;
• людские ресурсы. Выясняется, каких специалистов и в каком количестве можно будет привлечь к разработке и изготовлению изделия, каков уровень их квалификации и оплаты;
• временные ресурсы. Уточняется период времени, отводимый на разработку изделия. Дата завершения работ устанавливается заказчиком и обуславливается конъюнктурой. Часто время разработки стараются максимально сократить, чтобы продлить присутствие продукции на рынке (тот период, когда продукция продолжает пользоваться спросом). Временные ресурсы тесно связаны со сроками морального и физического износа.

Следствием степени доступности перечисленных ресурсов является введение ограничений на методы и точность решения проектной задачи. В свою очередь, метод и точность решения взаимосвязаны с выбираемой моделью. Так, при ограниченности времени ведут оценочные расчеты упрощенными методами или используют готовое программное обеспечение, стандартные методики, типовое оборудование, стандартные и покупные детали и узлы и т.д. В то же время модель, метод и точность решения должны обеспечивать исполнение требований ТЗ, даже если они и высоки.

Все перечисленные ресурсы взаимосвязаны. Например, за счет увеличения финансирования проекта можно добиться сокращения периода разработки. Оптимальное распределение ресурсов зависит от реальных возможностей заказчика и исполнителя и от вида целей, которые достигаются в результате выпуска созданной продукции.

Учет требований надзорных и лицензионных органов при проектировании технологических комплексов (производств). В соответствии с законами Российской Федерации любое производство требует получения региональной лицензии на эксплуатацию. Помимо этого многие производства лицензируются надзорными органами и подлежат с их стороны контролю. Наиболее часто контролирующими являются региональные органы Госгортехнадзора, Госстандарта, Госстроя, Госсанэпиднадзора, Госкомприроды, ГПС МВД, Главгосэнергонадзора, Рострудинспекции.

Получение лицензий и разрешений сопряжено с наличием у заявителя (ответственного за ввод в эксплуатацию) определенного комплекта документов, значительная часть которых составляет документацию на установку (например, технологический регламент, инструкции по монтажу, эксплуатации и ремонту, проектная и конструкторская документация, паспорта на оборудование и т.п.). Проектировщик обязан подготовить такую документацию и предусмотреть в ней технические решения, обеспечивающие технический уровень, продиктованный требованиями лицензионных и надзорных органов.

Жизненная среда проектируемого объекта. Она задает требования, характеризующие взаимное влияние спроектированного объекта и окружающих его живых и неживых объектов и внешней среды. Основные указания на нее приводятся в условиях потребления будущей продукции в ТТ. Эти условия могут быть охарактеризованы достаточно обобщенно. Для их конкретизации, т.е. поиска взаимодействующих элементов и видов связей с ними, можно воспользоваться следующими приемами.

1. Построение иерархической структуры, надстраивая проектируемый объект вверх (поиск надсистемы) и вширь (поиск взаимодействующих систем), например, как показано на рис.13. Цель — выявление наибольшего числа связей, определение их характера и вида:

• для надсистемы — климатические условия и среда, территориально-географическое положение, взаимное положение, отношение к работающему рядом персоналу, обеспечение энергией, расходуемыми материалами, обмен информацией и т.п.;
• для взаимодействующих систем — условия состыковки, присоединительные размеры, технические характеристики этих систем, взаимодействие с обслуживающим персоналом, обмен энергией и информацией;
• для возможных подсистем — ожидаемые технические характеристики, указания стандартов и рекомендации, обусловленные условиями производства, эксплуатации и утилизации, особенности конструкций и материалов. Например, по условиям пожарной безопасности — легковоспламеняющиеся материалы не применять; при поставке в Англию учитывать национальные стандарты на резьбы, расположение руля автомобиля и т.п.

Рис.13. Пример надстройки иерархической структуры для объекта «Ручка»

Для каждой связи следует определить возможные вредные (неблагоприятные) или нежелательные явления или эффекты. Они могут быть вызваны случайным стечением обстоятельств, неправильной эксплуатацией и аварийной ситуацией, преднамеренными действиями и т.п. Весьма распространен прием — «защита от дурака», требующий обеспечения нормального функционирования изделия и безопасности для человека даже при его неквалифицированном или небрежном обращении с этим изделием. Например, ничего не должно произойти, если человек случайно будет грызть ручку, держать ее в перевернутом состоянии, уронит на пол.

Для поиска возможных неблагоприятных явлений эффективно применение метода обратной мозговой атаки.

Выявляя требования, необходимо учитывать изменение положений проектируемого объекта и окружающих его объектов, состояния среды, материалов, накопление повреждений и т.п.

2. Поиск взаимодействующих объектов, анализируя ТТ с учетом этапов реализации, эксплуатации и утилизации. Взаимодействие удобно представить в виде цветка с лепестками, как показано на рис.14. Подробно анализируются требования, накладываемые связями, с учетом возможных вредных и неблагоприятных воздействий. Данный способ проще предыдущего, но требует хорошего воображения и опыта.

Рис. 14. Взаимосвязь систем

5.1.3.3. Анализ и формализация списка требований

При составлении перечня (списка) требований к проектируемому объекту рекомендуют скрупулезно записывать все выявленные данные и сведения, не обязательно в отточенных и четких формулировках. Полнота перечня — основной девиз.

По завершении этой работы переходят к обработке собранной информации. Работа проводится в ряд этапов.

1. Обобщение и абстрагирование. Увязываются и обобщаются отдельные фрагменты, чтобы, по возможности, получилось цельное, ясное и лаконичное представление о разрабатываемом объекте с учетом возможных изменений. Убираются дублирующие сведения, в том числе и такие, которые повторяют друг друга в иных формулировках или являются частным случаем. Например, даны условия: изделие работает в агрессивной среде и оно должно быть коррозиеустойчивым. Здесь второе условие является частным случаем первого.

Абстрагирование предназначено дать такую формулировку требованиям, чтобы избежать предопределения путей решения задачи (не создавать психологических барьеров).

Для получения «сильных» решений рекомендуется усиление системы требований и обострение противоречий путем формулирования ИКР. Например, ручка пишет не только в наклонном, но и в любом положении; автомобиль передвигается не только по снегу, но и любому сыпучему и рыхлому грунту.

Чтобы предубеждения и психологическая инерция не сужали область поиска, а заказчик своей формулировкой задачи не предопределял направления поиска решения, желательно функцию формулировать обобщенно и в нейтральных терминах. Так, функцию «сбивать» (допустим, доски) лучше заменить термином «соединять», что позволяет отвлечься от естественной ассоциации — соединение гвоздями, и предлагает более широкий круг возможных решений.

В процессе поиска наиболее полной и точной формулировки строится цепочка функций — от первоначально предложенной до окончательно принятой. Этому помогает ответ на вопрос «Зачем это нужно?».

Наряду с потребностью в каком-то действии может существовать и потребность в несовершении действия или совершении действия с отрицательным эффектом.

В большинстве случаев за приведенной в ТТ потребностью стоит необходимость выполнения (последовательно или одновременно) нескольких функций. Цепочка функций строится для каждой из них.

2. Проверка на противоречивость. При наличии нескольких функций часть их по своему действию может оказаться противоречивыми. Например, вода должна быть горячей (для заварки), но не обжигать руки. Для разрешения противоречий эффективно применять эвристические методы. При этом устранение противоречий возможно как на этапе составления ТЗ (изменение формулировок функций, разнесение их действия во времени или в пространстве и т.д.), так и на последующих этапах проектирования.

Во избежание затруднений при последующем решении задачи условия и ограничения также следует проверять на противоречивость. Так, ограничения могут задавать пустое множество (например, из удобства работы масса устройства не должна превышать 2 кг, а из условия обеспечения требуемого давления на опорную поверхность масса должна быть не менее 5 кг). Подобные противоречия не всегда очевидны: сведения по верхней и нижней границам могут поступать в разное время или помещаться в разных местах ТЗ, быть представлены в неявном виде. Разрешение противоречий возможно следующими способами:

• изменение ТЗ: смягчение ограничений, замена их другими (для ранее приведенного примера — второе ограничение на вес заменить ограничением на опорное давление) или отказ от них (если они не относятся к существенным);
• замена отдельных ограничений показателями качества. Например, вместо первого ограничения на массу изделия ввести требование минимизации его массы. Ясно, что в этом случае решения будут существовать, но лучшее — изделие с массой 5 кг;
• воспользоваться эвристическими приемами по уточнению ТЗ;
• оставить ТЗ таким, как оно есть, а возникшее противоречие попытаться разрешить на последующих этапах проектирования.

3. Разграничение требований на условия, ограничения и показатели качества. Представление требований в виде показателей позволит получить решения с высокими характеристиками, но такая задача решается сложнее. В качестве показателей выбирают те, которые характеризуют наиболее важные свойства. Для вводимых условий необходимо оценить величину разброса и необходимость указания предельных значений, т.е. представления их в виде ограничений.

4. Параметризация. Точность суждения и верность выбора зависят от степени конкретности исходных требований, представлены ли они в формализованном или неформализованном виде. Для однозначности выводов все требования должны быть переведены в формализованный вид, т.е. указаны характеризующие их параметры, причем такие, которые можно измерить, проконтролировать, рассчитать. Это также позволит выделить дублирующие требования (те, которые характеризуются одними и теми же параметрами) и обобщить их (ввести обобщенные параметры с целью сокращения общего их числа).

При решении задачи оптимального проектирования рекомендуют показатели качества приводить к критериальному формализованному виду, т.е. назначать им численную меру. Основной метод конкретизации формулировок — построение дерева целей (И или ИЛИдеревья): исходный показатель декомпозируется до выявления элементарных понятий, однозначно характеризуемых наборами параметров, например, как показано на рис. 15.

Рис.15. Дерево целей

Проблемами оценки качества посредством количественных показателей занимается наука «Квалиметрия». Здесь исследуются методы определения численных значений показателей, установление их рационального состава.

При конкретизации задачи стоит помнить, что хорошее задание заказчика (ТТ), когда оно представлено в неформализованном виде, в общих чертах (это позволяет заказчику коротко, но полно охарактеризовать задачу), а исполнителя (ТЗ) — если оно четкое и формализованное (это является залогом успешного решения задачи).

5. Усечение списка требований. Большой объем информации хотя и способен дать максимально полное представление о решаемой задаче, но и труднее удерживается в голове, усложняет решение задачи. Для сокращения сведений до разумного объема (под способности каждого конкретного разработчика, соответствие его финансовым, организационно-техническим, временным ресурсам) можно воспользоваться ранжированием или разделением их на группы обязательных к учету, желательных и несущественных. К обязательным относятся те, неудовлетворение которых существенным образом влияет на выбор вариантов решений. Это — функциональные параметры, условия взаимосвязи объектов и их частей и другие. Желательные требования позволяют различить варианты по степени качества.

Следует помнить, что проектирование носит итерационный характер и то, что не учтено в начале, может быть учтено на последующих этапах.

Усекая требования, желательно задавать себе контрольные вопросы: «Почему должно выполняться данное условие (или ограничение)?», «Что произойдет, если оно не будет выполнено?» и т.п.

Все изменения, дополнения и уточнения формулировок обязательно согласуются с заказчиком и им утверждаются. Это необходимо и потому, что в случае обнаружения в процессе решения задачи неточностей или ошибочности исходных данных возникает необходимость определения степени вины каждой из сторон-участниц разработки, распределения понесенных в связи с этим убытков. Также, в состав ТЗ могут входить данные, которые должны согласовываться и утверждаться специальными службами, например, Госгортехнадзором, Госсанэпидемнадзором, пожарной инспекцией.

5.1.4. Форма представления технического задания

Вся собранная и обработанная информация будет постоянно использоваться на последующих этапах проектирования. Для удобства работы она должна быть представлена в определенной форме. У каждого существуют собственные, основанные на опыте, способы хранения сведений по задаче, причем часто не в том виде, который предписывается ГОСТом на техническую документацию.

Рекомендуют применять контрольные листы, содержащие отсортированный и ранжированный перечень данных. Первоначально данные разделяют на группы:

• геометрия — размер, высота, ширина, длина, диаметр, площадь, занимаемое пространство, количество, расположение, предельные положения;
• кинематика — вид движения, его направление, скорость, ускорение и их изменение в процессе эксплуатации;
• нагрузки — вид, величина, направление, пределы изменения, силы инерции, вес, давление, деформация, жесткость, упругость, резонанс;
• энергия — вид, мощность, потери на трение, нагрев, обмен, источник, запас, емкость, эффективность;
• материалы — доступность, начальные и конечные свойства, состояние;
• сигналы и информация — входные и выходные потоки, отображение, восприятие;
• безопасность — объекта, персонала, среды, воздействие случайное и преднамеренное;
• удобство — человеко-машинное взаимодействие, ясность инструкций, управления;
• производство — возможности, предельные габариты и вес, процессы, средства, точность, износ;
• контроль качества — возможность испытания и измерения, нормы и стандарты;
• сборка — ограничения по подъемным механизмам, зазоры, транспорт, доставка;
• работа — бесшумность, износ, условия, область рынка;
• обслуживание — периодичность, характер, контроль и ремонт;
• стоимость — допустимая стоимость производства, материалов, оборудования, изменение цен, финансирование.

Опыт учебного проектирования показал, что удобной формой представления сведений ТЗ служит таблица (ее форма с примером заполнения данными приведена ниже).

Название проектируемого объекта (технической системы, ТС) приводится в таблице в нейтральной формулировке, например, — устройство. Далее перечисляются функции, потребность в выполнении которых существует. В следующем столбце перечисляются элементы надсистемы, которые наиболее активно взаимодействуют с рассматриваемым устройством. Хотя они косвенно и определяют часть условий и ограничений, в виде самостоятельных объектов они лаконично и полно характеризуют жизненную среду. Далее в столбце (УО) указывают остальные важные условия и ограничения на этапах производства, эксплуатации и утилизации (за период жизненного цикла). В последнем столбце (ПК) перечисляются в порядке важности показатели качества.

При заполнении таблицы руководствуются следующими правилами:

• данные располагают по степени важности;
• сведения приводят в обобщенном виде, без излишней детализации. При необходимости, на последующих этапах проектирования, отдельные пункты раскрывают подробнее, конкретизируя и уточняя их;
• как пожелание, заполненная таблица должна образовывать смысловую цепочку сведений, например, «устройство, которое оставляет след на бумаге школьником, ..., располагается в произвольном положении, ... , имеет минимальную цену, ... .»

Составление ТЗ существенно сокращается и упрощается при работе с информационными базами данных.

Техническое задание также является юридическим документом — как приложение включается в договор между заказчиком и исполнителем на проведение работ. Поэтому работа над техническим заданием должна увязываться с составлением договора, что требует знания Гражданского кодекса Российской Федерации и знакомства с хозяйственным правом.

Подводя итоги, перечислим основные этапы составления ТЗ:

1. Анализ задания заказчика (технических требований).

1.1. Проверка достоверности исходных сведений, выяснение сути потребности (желания) заказчика.

1.2. Подтверждение необходимости решения задачи:

- выявление наличия проблемы в задаче,

- локализация и уточнение потребности и связанной с ней проблемы.

2. Функциональная постановка целей проектирования.

2.1. Выявление перечня функций.

2.2. Уточнение и обобщение.

2.3. Исследование на непротиворечивость.

3. Составление перечня требований.

3.1. Учет:

- доступных ресурсов,

- жизненной среды,

- жизненного цикла,

- интересов производителя и потребителя.

3.2. Разграничение на условия, ограничения и показатели качества.

3.3. Обобщение, абстрагирование, параметризация требований.

3.4. Исследование на противоречивость.

3.5. Усечение списка требований.

4. Подтверждение целесообразности решения задачи:

- социальное,

- физико-техническое,

- экономическое.

5. Сведение требований в единый документ и утверждение его заказчиком.

5.2. Синтез принципа действия

Функция — цель, физический (или иной) принцип — основа ее достижения. Задача синтеза принципа действия — перевести словесное описание технической задачи (ТЗ) на материально-физическую основу, предложить функционально-физическую схему разрабатываемого объекта, причем такую, которая наилучшим образом удовлетворит требованиям ТЗ.

5.2.1. Составление функциональной структуры

Выбор вида исходной схемы. Это — первый шаг на пути синтеза объекта. Графическим отображением схемы может служить блок-схема, включающая следующие элементы (рис.16а):

• выполняемое действие (функция). Изображается стрелкой и, для удобства восприятия,

• рядом с ней кратко указывается его название или обозначение (Ф). Название функции приводится в ТЗ: это та функция, реализация которой обеспечит выполнение заданной потребности;

• проектируемый объект (ТС), который выполняет указанное действие. Изображается в виде прямоугольника, который подписывается или обозначается;
• объект воздействия (ОВ), на который направлено действие. Он конкретизирует условия реализации функции, приводится в ТЗ. Изображается прямоугольником.

Рис.16. Возможные виды исходных функциональных схем разрабатываемых объектов

В отдельных случаях ТЗ включает указание на вид объекта, приводящего проектируемый объект в действие (например, писать рукой на бумаге). Тогда в начало функциональной схемы вводят блок-источник действия (ИД) и соответствующую стрелку-функцию (рис.16б).

В процессе эксплуатации изделия может возникнуть необходимость контроля и управления его работой. С этой целью в функциональную схему включают дополнительные связи. В итоге блок-схема принимает вид, показанный на рис.16в, где СУ — система управления, Ф_у — выполняемая ею функция (например, регулировать (Ф_у) усилие, создаваемое устройством (ТС), удерживающим (Ф) некий груз (ОВ)). Система управления часто является системой с обратной связью, т.е. изменяющей характер своего действия в зависимости от его результатов и их соответствия требованиям ТЗ. В этом случае в схему вводят функцию-ответное воздействие (Ф_о).

Выделение элементарных действий. При составлении функциональной структуры может оказаться, что не совсем ясна суть функции, приведенной в ТЗ, или характеризующие ее термин и схема имеют слишком обобщенный вид. Поэтому следующим шагом является выделение элементарных действий, выполнение которых обеспечивает требуемое функционирование разрабатываемого объекта. Их поиск возможен рядом способов:

• выбором из списка операций, составленного Р. Коллером. В результате исследования различных технических объектов им предложено для описания элементарных действий 12 пар операций (прямого и обратного действия): излучение-поглащение, проводимостьизолирование, сбор-рассеяние, проведение-непроведение, прямое и обратное преобразование, увеличение-уменьшение, изменение направления, выравнивание-колебание, связь-прерывание, объединение-разъединение, соединение-разделение, накоплениевыдача. Так, например, элементарные действия лампы: проведение-преобразованиеизлучение. Цепочки элементарных действий составляют интуитивно, эвристическими методами, логически (формально или на основе здравого смысла), а затем комбинируют различные операции;
• посредством декомпозиции исходного понятия функции и построения из найденных элементарных функций функциональных цепочек. Разложение исходной функции (цели) на элементарные понятия — обязательное условие разработки алгоритмов (последовательности операций-действий, ведущих к поставленной цели) и широко применяется в математике, программировании, в инструкциях (по работе, действии в тех или иных ситуациях), уставах (воинских) и т.п.;
• на основе анализа подобных объектов с последующей комбинацией выявленных действий.

Составление функциональной структуры можно вести постепенно (отталкиваясь от схем, подобных приведенным на рис.16а,б), полагаясь на итерационный характер процесса проектирования. Но это слишком долго и дорого. Проще структуру выбирать, изучая подобные объекты — аналоги и прототипы, их устройство, опыт эксплуатации. К аналогам относят объекты сходной сущности и достигаемого при использовании результата. Наиболее близкий аналог называется прототипом.

Однако наличие прототипа и затрудняет работу. Он создает психологическую инерцию, предопределяет ход поиска решений. При этом не всегда обращают внимание на те условия и показатели качества, под которые создавалось изделие-прототип. А ведь незначительные на первый взгляд отличия в перечне требований ТЗ могут привести к созданию неэффективного, хотя и работоспособного изделия (например, решения для серийного и единичного условий производства сильно отличаются).

В процессе анализа прототипа, прежде всего, изучают его функциональную структуру (характер, вид и число элементарных действий и связей между ними), способ разрешения имеющихся противоречий, тенденции развития данных объектов техники.

Поиск аналогов и прототипов ведется на основе изучения научно-технической литературы (книги, журналы, отчеты, диссертации, каталоги и т.п.) и патентной документации (авторские свидетельства, патенты, заявки). Ведение патентных исследований регламентируется ГОСТ 15.011.

Патентные исследования позволяют определить патентную чистоту и патентоспособность создаваемого объекта на уровне способа. Патентная чистота указывает на оригинальность предлагаемого решения или отсутствие на него права собственности. Патентоспособность указывает на то, что предлагаемое решение соответствует изобретательскому уровню, и его функциональная структура отлична от функциональных структур известных объектов (т.е. предлагается новый способ функционирования, принцип действия).

Поиск патентно-чистой функциональной структуры обязателен:

• если необходимо закрепиться на рынке и недопустимо копирование разрабатываемого изделия конкурентами. С этой целью на решение следует получить патент;
• чтобы не выпускать продукцию, в основе которой лежат защищенные патентами чужие решения.

Разрабатываемая структура может оказаться достаточно сложной из-за обилия связей и блоков (например, как на рис.16г). Для удобства ее можно представить в виде отдельных простых структур (рис.16д), но важно не потерять взаимосвязи.

5.2.2. Подбор и состыковка физических эффектов

5.2.2.1. Понятие физического эффекта

Удовлетворение потребности возможно либо созданием материальных объектов, либо воздействием на потребителя. В последнем случае — это убеждение человека в ненужности его потребности (антиреклама, соответствующее воспитание, общественноиндивидуальное воздействие и т.п.) или создание иллюзии ее удовлетворения (гипноз, наркологическое, лекарственное или хирургическое воздействие и т.п.). Не будем останавливаться на них, как не относящихся к сфере инженерной деятельности.

Удовлетворение потребности материальным способом базируется на том, что в основе функционирования любого устройства лежит физическая реальность — взаимодействие материальных объектов, подчиняющихся физическим законам. Функционирование большинства изделий основывается на использовании нескольких физических законов.

Взаимодействие, описываемое каким-то одним физическим законом, составляет элементарное физическое явления или физический эффект (ФЭ). Физический эффект устанавливает причинно-следственную связь и энергетические потоки между взаимодействующими объектами. В простейшем случае он может быть представлен блок-схемой (рис.17а). Здесь Э₁ — энергия, подводимая к некоторому объекту Н₁, а Э₂ — энергетический результат этого воздействия и Н₂ — носитель этой энергии. Например, тепловая энергия Э₁, подведенная к твердому телу Н₁, вызывает электромагнитное излучение Э₂, носителем которого является поле Н₂ (свет). Такая схема отражает закон преобразования и сохранения энергии.

Рис. 17. Блок-схемы принципа действия

Блок-схема физического эффекта близка к функциональной схеме: каждой функции соответствует свой вид энергетического состояния, а носителям энергии — техническая система и взаимодействующие с нею объекты. Так, у выше приведенного примера будет следующая функциональная схема (рис.17б): нагревать (Ф_и) объект (ТС), чтобы он испускал (Ф) свет (ОВ). Блоки (ИД, ОВ) функциональной схемы конкретизируют условия применения будущего изделия — чем нагревать и как освещать.

Часто функциональную и физическую схемы принципа действия совмещают, т.е. работают с функционально-физической схемой. В этом случае, обычно, над стрелками указывают вид передаваемой энергии, а внизу — выполняемую функцию.

Физические эффекты, составляющие принцип действия, должны быть сопряженными, т.е. выходной поток одного эффекта соответствовать входному потоку другого, последующего. Сопряженные физические эффекты могут образовывать как последовательные, так и ветвящиеся маршрутные цепочки принципа действия. На рис.17б показана блок-схема принципа действия электрической лампы накаливания, включающая два сопряженных физических эффекта ФЭ₁->ФЭ₂, где ФЭ₁ — нагрев проводника током, ФЭ₂ — тепловое излучение твердого тела.

Большинство физических эффектов — сложные, т.е. зависят от ряда условий (имеют несколько входных и выходных потоков). Например, в случае нагрева твердого тела (Н₂) трением необходимо обеспечить не только его движение (Э₁₁) относительно другого тела (Н₁), но и взаимно прижать (Э₁₂) их.

В настоящее время известно большое число физических эффектов (порядка 5 000), хотя выпускник технического вуза обычно знаком с 200...500 эффектами. В помощь инженерам существуют базы данных и справочники физических эффектов, содержащие также описания соответствующих им математических моделей, условия и примеры применения. Имеются компьютерные программы построения физических цепочек. В справочнике приведен материал по основным видам энергии и ее носителей, ряд физических явлений, связывающих основные механические характеристики.

Наряду с физическими эффектами в процессе проектирования и производства учитывают и следующие:

• химические эффекты, характеризующие, например, способы повышения коррозионной стойкости металлов, склеивания деталей и т.п.;
• биологические эффекты, характеризующие взаимодействие живой и неживой природы, например, радиационный и тепловой ожоги, ослепление вспышкой и т.п.;
• психологические, физиологические и социальные эффекты, связанные с закономерностями восприятия технических объектов людьми, их освоением, управлением работой и т.п.

Часто оперируют не столько физическими эффектами, а принципами действия элементарных устройств, которые могут включать целый ряд физических эффектов. В механике — это следующие элементарные принципы действия:

• рычаг, предназначенный для изменения величины передаваемого усилия и перемещения;
• клин плоский, предназначенный для изменения направления и величины передаваемого усилия и перемещения;
• клин винтовой (винт), предназначенный для преобразования поступательного движения во вращательное и наоборот, для изменения величины передаваемых нагрузок и перемещений;
• ворот, предназначенный для преобразования видов движений;
• пружина, предназначенная для получения больших упругих обратимых смещений.

Функции, выполняемые механическими устройствами, подразделяются на две группы:

• создание механического усилия (силового взаимодействия). Например, удержание одного тела в определенном положении относительно другого. При этом взаимодействие и передача нагрузок между телами осуществляются посредством геометрического (контактного) или силового (фрикционного) замыкания;
• приведение в движение. Такая задача формулируется как энергетическая, т.е. связанная с преобразованием некого вида энергии в механическую. Например, переместить твердое тело относительно опорной поверхности. Здесь возможными будут эффекты, имеющие на выходе кинетическую энергию (перемещение тела как целого) или энергию деформации (взаимное смещение частей тела).

5.2.2.2. Составление функционально-физической схемы

Имея функциональную схему, переходят к составлению функционально-физической схемы или, при необходимости детального физического анализа, — к физической.

Отыскание для каждого элементарного действия соответствующего физического эффекта и их состыковка — непростая задача. На этапе синтеза принципа действия еще точно неизвестно, что является носителем потребной функции, какой энергией обладает, насколько эффективно будет решение.

В ТЗ обычно присутствуют указания на вид объекта воздействия (Н₂, рис.17б) и выполняемую функцию (Ф). Из анализа физической сущности этой функции можно установить энергетическое состояние (Э₂) объекта воздействия. Например, из задания «устройство для перемещения груза» следует, что объект воздействия — условно твердые тела (кирпичи, бочки с водой, мешки с песком и т.п.), которым нужно сообщить кинетическую энергию.

Сведения по виду проектируемого объекта (Н₁) и его энергетическому состоянию могут либо отсутствовать (следовательно, могут быть любыми), либо определяться функцией источника действия (Ф_и), либо выбираться с учетом дополнительных требований ТЗ.

Наиболее часто поиск физической схемы ведется эвристическими методами.

В автоматизированных системах широко используется метод синтеза, который основан на поиске в базе данных пар сопряженных физических эффектов и построения из них цепочек так, чтобы удовлетворить заданному выходному и возможному входному воздействиям. Такой метод подобен решению задачи с краевыми граничными условиями.

5.2.2.3. Анализ и развитие схемы

Анализ требований ТЗ с целью выявления явных или скрытых физических условий и ограничений уменьшает вариантность, но делает задачу целенаправленной. Основными такими требованиями являются:

• доступность источника энергии. Исследуется место эксплуатации разрабатываемого объекта и выясняется, какие источники энергии там имеются или какую энергию можно подвести;
• мощность источника энергии. Она должна обеспечить функционирование объекта. Мощность оценивают из закона сохранения энергии, т.е. подводимая энергия должна быть не меньше необходимой для работы объекта. И «производительность» каждого физического эффекта в цепочке должна соответствовать этой мощности. Аналогично проверяют на способность развивать требуемое усилие;
• промышленная реализация: возможность получения необходимого количества требуемых материалов и последующей их обработки;
• стоимость используемой энергии, безопасность, экологичность и другие показатели качества.

Оценка принципа действия по количеству используемых эффектов не всегда верна. Так, работа лампы накаливания основана на двух физических эффектах, а лампы дневного света — порядка 5, хотя последняя применяется все чаще. Однако замечено, что удачные принципы действия отличает следующее:

• совмещение носителей энергии, т.е. использование одного и того же объекта в нескольких физических эффектах (например, в лампе нить накаливания — проводник и источник света);
• минимальное число преобразований одних видов энергии в другие, т.е. выполнение объекта однородными;
• совмещение функций в физическом эффекте (например, лампа-обогреватель — нить светит и греет).

При разработке объекта сначала подбирают принцип действия для главной функции, потом — для выявленных вспомогательных (тех, которые создают условия выполнения главной функции) и т.д. Далее, предложенные отдельные принципы действия состыковывают и совершенствуют (например, за счет совмещения функций и носителей).

Создание оригинальной как функциональной, так и физической схемы служит признаком патентоспособности разрабатываемого объекта.

В процессе проектирования не всегда проходят этап синтеза принципа действия (особенно при проектировании по аналогии или при улучшении прежнего объекта, в рамках заданного принципа). Однако анализ принципа позволяет установить резервы развития использующей его объекта и пути его совершенствования, проверить корректность модели функционирования. Физическая постановка проектной задачи также позволяет получить дополнительные сведения:

• знание физического закона конкретизирует условия реализации — уточняется вид и характер связей, сопутствующие явления, возможные последствия. Например, при нагреве твердого тела происходит не только тепловое излучение, но и изменение его размеров и сопротивления, а при перегреве — оно может и расплавиться;
• математическая формулировка физического закона очерчивает круг основных параметров, характеризующих процесс функционирования, их взаимосвязь и степень влияния на конечный результат;
• физический принцип и его математическая формулировка составляют основу построения модели функционирования проектируемого объекта.

Выявление принципа действия и поиск возможных его вариантов — первое, с чего начинается конструирование, даже если берутся готовые изделия: анализ их особенностей позволит выбрать лучший вариант или подтвердить традиционный выбор.

Подводя итоги, перечислим основные этапы синтеза принципа действия:

1. Разработка функциональной структуры.

1.1. Выбор на основе ТЗ исходной функциональной структуры, уточнение видов объектов и связей между ними.

1.2. Детализация исходной структуры, выделение элементарных действий.

1.3. Развитие структуры, выявление дополнительных функций.

2. Разработка функционально-физической структуры.

2.1. Замена элементов функциональной структуры на физические аналоги — энергию и ее носители.

2.2. Подбор физических эффектов.

2.3. Построение цепочек физических эффектов.

2.4. Отбор предпочтительных вариантов.

3. Проверка функционально-физических схем на соответствие требованиям ТЗ.

4. Разработка принципов действия подсистем и состыковка их.

5.3. Структурный синтез

На этапе синтеза принципа действия становится известна физическая основа проектируемого объекта, вид и состояние материальных тел, их физические параметры. На следующем этапе — синтеза структуры,- эти тела приобретают форму, уточняется их количество и взаимное положение, объект получает зримое представление. Начинается процесс конструирования.

Синтез структур, даже в пределах одной и той же функционально-физической схемы, позволяет получить значительное число вариантов решений и является важным средством достижения высоких характеристик проектируемых объектов. Считают, что эффективность принципа действия, оригинальность конструкции и применение новых технологий, прежде всего определяют высокий уровень конкурентоспособности изделия.

Синтез структур — трудно формализуемый этап. Он тесно связан с эвристическими процедурами и является основной областью изобретательской деятельности. Можно предложить следующую последовательность выполняемых на этом этапе действий.

1. Переход от функционально-физической схемы к структурной: для каждого физического эффекта подбирается вариант элементарного устройства, реализующего это действие. Устройство состоит из взаимодействующих тел, физические свойства которых заданы физическим эффектом. Методы генерации вариантов структур приведены ниже.

2. Состыковка элементарных устройств в единую систему. Условиями сопряжения, например, для механических объектов служат соответствие видов и направлений движений выходного и входного звеньев сопрягаемых устройств (для механизмов) или видов и направлений действия нагрузок (для неподвижных систем-конструкций), формы сопрягаемых поверхностей и их расположение.

3. Исследование возможности изменения взаимного расположения отдельных частей. Например, последовательно-соосное расположение, пространственное, плоское, под углом, многопоточность и т.д.

4. Проверка полученной структуры на возможность функционирования. Для механических объектов такой проверкой служит определение числа степеней свободы, если проектировался механизм, и числа связей для неподвижной конструкции. Эти параметры подсчитываются на основе изображения структуры и не требуют знания геометрических размеров.

Если проектировался механизм, то его число степеней свободы должно быть не меньше единицы. Оно указывает на количество возможных независимых обобщенных параметров, характеризующих положения отдельных звеньев механизма в пространстве. Более 90% используемых в технике механизмов имеют одну степень свободы. Такие механизмы проще управляются, методы их проектирования более разработаны. В настоящее время вместо механизмов с несколькими степенями свободы предпочитают использовать систему одностепенных механизмов, работа которых контролируется и согласовывается единым управляющим устройством (процессором).

При проектировании механической конструкции с относительно неподвижными частями ее число степеней свободы должно быть меньше единицы. Если число степеней свободы равняется:

• 0, то такие механические системы являются неподвижными статически определимыми. Усилия в ее элементах однозначно определяются из уравнений статики;
• ≥ 1, то это указывает на относительную подвижность отдельных элементов системы. Если система изначально проектировалась как неподвижная конструкция, то необходимо введение дополнительных связей, предотвращающих эту подвижность;
• < 0, то такие механические системы являются статически неопределимыми, имеющими избыточные связи сверх того количества, которое необходимо для обеспечения неподвижности элементов конструкции. Число избыточных связей называется степенью статической неопределимости.

В статически неопределимых системах определение реакций в опорах, внутренних силовых факторов, напряженного состояния и т.п. возможно только при учете дополнительных условий — условий совместности деформации ее отдельных частей. Результаты расчетов таких систем сильно зависят от конкретных значений параметров рассчитываемой конструкции (начальные зазоры, геометрические размеры и их отклонения, модуль упругости) и условий ее эксплуатации. Возникающая неопределенность, в свою очередь, требует повышенной точности изготовления и сборки (как правило, по месту), поддержания стабильности условий эксплуатации.

Статически неопределимые системы часто используют для повышения конструктивной жесткости изделия, создания резервных потоков мощности.

5. Развитие и совершенствование предложенных структур, разрешение возникших противоречий. Здесь эффективно применение приемов ТРИЗ и ФСА, постановка и ответы на контрольные вопросы (например, зачем нужен данный элемент формы детали? Какая форма технологичнее?).

Синтез структур в значительной степени является эвристической деятельностью. Широко используют следующие методы генерации (синтеза) структур.

1. Перебор вариантов из банка структур-прототипов.

Это — метод проектирования по аналогии, приспособления известных решений к новым условиям. Такими банками служат атласы машин и их частей, архивы предыдущих разработок, справочники структур и конструкций, патентная литература.

2. Комбинирование элементарных структур.

К элементарным структурам относятся схемы передач, установки опор валов, схемы соединений и т.п. Распространенные типовые элементарные структуры приведены в справочниках.

Для каждого элемента функционально-физической схемы предлагают варианты элементарных структур, комбинированием которых получают варианты структурных схем устройства. Комбинации удобно получать на основе метода морфологического анализа, тем более что оси морфологической таблицы уже предопределены элементами функционально-физической схемы.

3. Синтез структур на основе анализа свойств геометрических тел.

Нужная структура создается путем подбора элементов из банка геометрических эффектов. Ниже приведены некоторые виды геометрических фигур и их свойства:

• окружность, круг — из фигур с одинаковой площадью обладает наименьшим периметром;
• сфера, шар — из фигур с одинаковым объемом обладает наименьшей площадью поверхности; имеет бесконечное число осей симметрии;
• параллелограмм — при шарнирном закреплении сторон является кинематически подвижной фигурой с постоянно параллельными противоположными сторонами;
• треугольник — при шарнирном закреплении сторон является кинематически неизменяемой (жесткой) фигурой;
• спираль Архимеда — расстояние по нормали между соседними витками является постоянной величиной;
• эвольвента круга (спираль) — касательная к основной окружности является нормалью к линии спирали;
• конус — при совпадении вершин пары конусов они катятся один по другому без проскальзывания;
• однополюсный гиперболоид, цилиндр, конус — имеют линейчатую поверхность;
• лента Мебиуса — фигура с односторонней поверхностью;
• складчатые поверхности — имеют большую поверхность при малом объеме, высокую гибкость (сильфон, типа гармошки).

На выбор формы поверхности, прежде всего, влияют ее возможная технологичность, способность удовлетворения функциональным требованиям, эстетическое восприятие.

4. Составление обобщенной структуры.

Такая структура включает в себя все возможные элементарные структуры. Например, обобщенной структурой может служить схема многостержневой конструкции с избыточным числом элементов. Включение в работу того или иного стержня учитывается, допустим, коэффициентом, отличным от нуля, а выведение из схемы — присвоением коэффициенту нулевого значения. Обобщенной структурой может быть функционал, конкретное значение которого отыскивается методами вариационного исчисления, либо полином. Обобщенная структура позволяет строить обобщенные математические модели и вести поисковое конструирование с привлечением методов оптимального проектирования. Эта структура тесно связана с характеризующими ее параметрами, и поэтому ее вернее было бы считать структурно-параметрической моделью.

Наглядную обобщенную структуру можно получить с помощью морфологической таблицы. Ее структурные признаки удобно отыскивать, анализируя прототипы. Например, для обобщенной структуры привода такими признаками будут:

• вид передачи,
• вид зацепления (цевочное, эвольвентное,...),
• направление линии зуба (прямозубая, косозубая, круглозубая,...),
• зацепление (внешнее, внутреннее),
• поточность (одно-, двух-,...),
• расположение опор (симметричное, несимметричное, консольное),
• схема установки опор (враспор, врастяг,...),
• защищенность передачи (закрытая, открытая),
• и т.д.

Синтезированная структура должна проверяться на патентную чистоту. И если разработанная структурная схема окажется оригинальной, то это указывает на патентоспособность конструкции на уровне устройства.

После синтеза вариантов структур переходят к выбору лучшей. Но поскольку методы структурной оптимизации еще недостаточно развиты, то выбор лучшей структуры сводится к поиску рациональной. Широко используют ранжирование структур по рассматриваемым признакам, причем заключение делается на основе опыта эксплуатации изделий с подобными структурами. Например, по уровню технологичности цилиндрическая передача предпочтительнее планетарной, которая, в свою очередь, предпочтительнее волновой и т.д.

Выбранная структура служит основой создания чертежа разрабатываемого объекта. С другой стороны, графическое отображение схемы или эскиза позволяет лучше представить этот объект, облегчает выбор и построение расчетной схемы. Графическое изображение необходимо при обсуждении разработки с другими людьми (для удобства и однозначности восприятия) или фиксирования и архивации результатов работы. В простых и очевидных случаях (например, для типовых структур) варианты схем анализируют в уме и сразу переходят к расчетам и вычерчиванию конструкции.

5.4. Параметрический синтез

На этапе параметрического синтеза определяются конкретные вид и характеристики проектируемого объекта, становится возможным дать наиболее обоснованное заключение о допустимости и целесообразности ранее принятых решений. Цель этапа — определение объектных параметров (геометрические размеры и материал), по которым будет изготавливаться изделие. Остальные параметры используются как вспомогательные и служат для записи требований ТЗ, характеристик объекта и обоснования принимаемых решений.

Определение параметров объекта возможно разными методами — экспериментальными, эвристическими, но чаще всего — посредством расчетов. Чем точнее будут определены параметры, тем выше качество спроектированного объекта, особенно это касается его надежности, компактности, экономичности и других показателей.

Проведение расчетов связано с расчетными моделями. Это могут быть известные модели (нормативные методы расчета, готовое программное обеспечение) или разрабатываемые применительно к конкретной задаче.

В понятие расчетной модели входит и расчетная схема. Ее составление или графическое воспроизведение всегда желательно, поскольку облегчает восприятие решаемой задачи, а также позволяет проверить соответствие расчетов выбранной схеме, а схемы — реальному объекту. Схема — первична, а расчеты — вторичны, и какими бы точными не были расчеты, они не повысят точность результатов, если расчетная схема была грубая или же неверная. Применение же удачной схемы позволяет получить требуемую точность и при упрощенных расчетах, экономя время и деньги. Считают, что для выбора расчетной схемы, особенно для сложных и ответственных конструкций, требуется талант.

Используемые на данном этапе требования ТЗ должны быть максимально формализованными, а ранее выбранные физические принципы, геометрические соотношения и условия состыковки элементов структуры — получить математические выражения. В сложно формализуемых задачах поступают следующим образом:

• декомпозируют исследуемое явление (сведение, условие, ограничение или показатель качества) до получения набора элементарных понятий, которым можно поставить в соответствие математическое выражение. Например, технологичность –> простота форм поверхностей –> использование плоских и цилиндрических поверхностей –> введение ограничений на соотношение параметров, характеризующих формы деталей. Или, красота изделия –> соблюдение золотого сечения –> запись соотношения между параметрами, характеризующими внешний облик;
• проводят экспериментальные исследования с последующей обработкой данных. Например, проведение ресурсных испытаний с целью установления связи между долговечностью детали и действующей на нее нагрузкой;
• используют упрощенные «инженерные» зависимости, выбираемые из аналогичных задач и подгоняемые под условия конкретной задачи введением уточняющих коэффициентов (часто определяются из экспериментальных исследований и опыта эксплуатации, например, коэффициенты запаса, динамичности и т.д.).

В процессе расчета может оказаться, что расчетная схема, охватывающая все интересующие параметры, слишком сложна. Рекомендуют воспользоваться методом последовательных приближений: сначала составить задачу для определения наиболее важных параметров, а затем — второстепенных.

В процессе расчетов приходится сталкиваться с проблемами точности решения и принятия решения, рассмотренные в предыдущих главах. Коротко остановимся на них еще раз.

Как отмечалось ранее, каждый параметр, приводимый в проектной документации, известен с некоторой точностью и характеризуется своими предельными значениями и законом распределения. Представление параметров в виде конкретного числа вносит в расчет неопределенность и поэтому должно проводиться обоснованно. Например, расчет по средним или по предельным значениям, в «запас прочности».

Точность результатов расчетов определяется точностью исходных параметров и точностью выбранной модели и метода решения задачи. И наоборот, точность выбираемых модели и метода решения должны обеспечивать требуемую точность результатов.

Необходимость принятия решения, в основном, связана с особенностью всех реальных задач — множественность получаемых решений. Это вызвано тем, что число искомых параметров (неизвестных) больше числа связывающих их условий (уравнений). Для получения обоснованного вывода поступают следующим образом:

• доопределяют задачу, т.е. из анализа ТЗ, дополнительных бесед с заказчиком выявляют недостающее количество условий или же ими обоснованно задаются;
• задача формулируется как оптимизационная, а параметры разделяют на искомые (обычно, это — критерии оптимизации), варьируемые (подлежащие определению) и неизменные (постоянные, приблизительно постоянные, константы).

Выполнение технических расчетов — наиболее формализованная часть проектной деятельности. При этом существуют типовые задачи, с хорошо отработанным алгоритмом решения. Чтобы наглядно представить виды типовых задач, условно разделим все параметры на три группы:

• параметры нагружения (эксплуатации). Обозначим их группу буквой Н;
• объектные параметры, характеризующие облик изделия (геометрические размеры Р) и материал М.

Тогда состояние изделия можно охарактеризовать функцией f(Н,Р,М)=0. И в зависимости от того, что известно, что требуется определить и какова последовательность решения, технические расчеты подразделяют на следующие виды:

Примечание: з_у — задается из условий, u_у — ищется из условий, у — проверяются условия.

1. Задача определения параметров проектируемого объекта по заданной нагрузке (условиям эксплуатации, приведенным в ТЗ). Поскольку, упрощенно говоря, уравнение одно (f), а неизвестных величин — две (Р, М), то задачу решают как оптимизационную или же одним из неизвестных сначала задаются.

1.1. Если задаются материалом (маркой и физико-механическими характеристиками), то такая задача называется проектировочным расчетом. Материал выбирают, стараясь учесть требования ТЗ (например, если изделие должно быть компактным, то желателен материал с высокими прочностными характеристиками). Размеры затем определяют из уравнений, отражающих требования ТЗ (условия прочности и жесткости и т.д.), состыковки и т.п.

1.2. Если задаются размерами (предельными диаметром или габаритами, присоединительными размерами и т.п.), то такая задача называется «вписаться в заданный габарит». Из уравнений, отражающих требования ТЗ, затем определяют физико-механические характеристики материала (модуль упругости, пределы прочности и выносливости, твердость и т.п.), по которым подбирают его марку.

Задача «вписаться в заданный габарит» может не иметь решения, если заданы очень жесткие ограничения на размеры (например, чрезвычайная компактность) и по получаемым физико-механическим характеристикам нельзя подобрать материал (слишком дорог или такого нет в природе). Такие ограничения на размеры приходится смягчать (тогда расчет будет служить обоснованием этих действий перед заказчиком), либо, при несогласии заказчика, — изменять структурную схему или принцип действия (выполнять итерационный цикл разработки).

Возможно (при завышенных размерах), что подходящий материал будет нерационален, т.е. иметь, например, излишне большой запас прочности или жесткости. В таких случаях, если не возражает заказчик, изделие выполняют более компактным.

2. Определение нагрузочной способности. Подобная задача возникает, когда уже имеется спроектированное или изготовленное изделие и требуется либо проверить соответствие его технической характеристики (нагрузочной способности) паспортным данным, либо восстановить ее. Точность выводов зависит от того, насколько правильно и полно будут учтены особенности эксплуатации и определены исходные данные (конкретные размеры, характеристики материала), выявлены и математически описаны возможные критерии отказов, составлены расчетные схемы. При наличии нескольких условий за допустимую нагрузку принимается предельно возможная.

3. Проверочный расчет. Такая задача ставится, когда изделие уже спроектировано (определены все его параметры) и требуется либо дать заключение об уровне его надежности (срок службы, запас прочности, уровень безотказности и т.п.), либо убедиться в правильности проведенных расчетов и отсутствии ошибок. Проверочный расчет заключается в проверке выполнимости условий, либо типовых (для данного вида изделий и условий его эксплуатации), либо выявленных в ходе эксплуатации. Проверка по второстепенным или случайно назначенным условиям приводит к неверным выводам даже при аккуратно выполненных расчетах. Важным моментом также является обоснованное назначение предельного допустимого значения, в сравнении с которым и делается заключение о выполнимости условия.

Хотя проверочные расчеты и бывают сложными, но эта задача по сравнению с другими считается более простой, так как относится к задачам анализа (прямым задачам). По этой причине сложные проектировочные расчеты часто сводят к серии проверочных, в процессе которых определяют, например, методом последовательных приближений значения искомых параметров. Такой подход используется при расчете подшипников качения и в других случаях.

После определения параметров объекта становится возможным проверить ранее сделанные предположения (например, о габаритах и массе объекта и его частей, что влияет на действительные значения механических характеристик, выбор расчетных коэффициентов и т.п.) и, при больших расхождениях, уточнить исходные данные и повторить расчеты. Также становится возможным проверить согласованность основных параметров взаимодействующих подсистем, таких как производительность (например, величин мощности с учетом КПД), степень надежности (желательно, чтобы части объекта имели одинаковую надежность) и другие.

На этапе параметрического синтеза определяются не только численные значения параметров объекта, но и данные, на основе которых вычерчивается его изображение, и в первую очередь, чертеж общего вида. Их набор (численные данные, приводимые в текстовой документации, и графическая документация) образует необходимый комплект проектной документации.

Этап параметрического синтеза, по сравнению с другими этапами, максимально формализован, при этом многие расчеты — нормативные (регламентированы стандартами). Часто необходимо проводить серию однотипных расчетов, варьируя величинами отдельных параметров. Это делает эффективным применение вычислительной техники и автоматизации расчетов.

5.5. Циклы итерации проектирования

По завершении параметрического синтеза работы по созданию объекта формально должны закончиться. В действительности структура процесса проектирования редко представляет собой прямую последовательность действий. Проектируемые объекты, как правило, сложные, причем необходимость во многих подсистемах выявляется лишь в процессе разработки. Полный набор сведений, необходимый для решения проектной задачи, становится известен только в конце работы. Часто к проектированию привлекается несколько разработчиков (людей, организаций). В связи с этим реальная структура проектирования сложнее, чем представленная на рис.2 и рис.3.

5.5.1. Структура сложного процесса проектирования

Структура проектирования как сложного процесса показана на рис.18. Она учитывает иерархичность объекта-системы, итерационный характер деятельности и взаимодействие участников разработки.

Рис.18. Структура процесса проектирования

Техническое требование составляет заказчик системы или же разработчик надсистемы. В соответствии с полученным ТТ разработчик формирует ТЗ и на стадии технического предложения ПТ выполняет, если необходимо, декомпозицию объекта и подготавливает частные технические задания на подсистемы. Допустим, из состава объекта выделена одна подсистема, которой установлено частное техническое задание ЧТЗ₁. После выполнения всех этапов технического предложения разработчик согласовывает и утверждает его у заказчика (пунктирная линия ПТ-ТЗ), при этом они совместно уточняют исходное ТЗ. Участие разработчика в окончательном оформлении ТЗ делает его более полным и повышает обоснованность поставленной задачи.

После утверждения технического предложения разработчик распределяет по соисполнителям частные ТЗ (линия ПТ-ЧТЗ₁), на основании которых могут вырабатываться частные ТЗ для подсистем более низких уровней. Если подсистемы второго уровня отсутствуют (как в примере на рис.18), то техническое предложение для подсистем часто не выполняется, поскольку практически было завершено на уровне системы.

По завершении этапа распределения ТЗ разработчики объекта и его подсистем приступают к выполнению стадии эскизного проекта (линии ТЗ-ЭП и ЧТЗ₁-ЭП₁). Проработка структуры на этой стадии ведется при тесном взаимодействии всех разработчиков (линия ЭП-ЭП₁). В процессе такой работы увязываются между собой отдельные части, согласовываются основные параметры проектируемого объекта. Качество проектирования зависит от широты видения разработчиком проблемы, т.е. от его кругозора и способности учесть все связи рассматриваемого объекта, и наличия у него знаний, захватывающих смежные области. В процессе эскизного проектирования и согласования частных решений с общим возможна корректировка ТЗ (пунктирные линии ЭП-ТЗ и ЭП₁-ЧТЗ₁).

После завершения эскизного проектирования, согласования и утверждения полученных технических решений у заказчика переходят к стадии технического проектирования (линии ТЗ-ТП и ЧТЗ₁-ТП₁). Здесь выполняется вся основная конструктивная проработка объекта и его частей. Возможно уточнение технических решений с возвратом на предыдущие стадии (пунктирные линии ТП-ЭП и ТП₁-ЭП₁). Техническое проектирование ведется при тесном взаимодействии всех разработчиков.

Объединение отдельно спроектированных подсистем в единое целое, проверка допустимости сборки и совместного функционирования называется композицией системы.

Композиция проводится на стадиях эскизного и технического проектирования (линии ЭПЭП₁ и ТП-ТП₁), постепенно переходя от согласования структур к согласованию отдельных параметров.

По завершении технического проектирования приступают к рабочему проектированию, в процессе которого определяют все параметры объекта и его подсистем, подготавливают итоговый комплект документации, уточняют его в ходе испытаний и отладки в производстве. Возможно уточнение технических решений, предложенных на этапах эскизного и технического проектирования.

5.5.2. Разработка сложных объектов

Разработать конструкцию нетипового объекта, включающего даже небольшое число узлов и деталей, не просто. Упрощение процесса проектирования в большинстве случаев достигается ведением разработки методом последовательных приближений. Наиболее распространены два таких подхода.

1. Пошаговое расширение проектируемого объекта (функциональное проектирование).

Первоначально решают задачу для основных функций и определяют параметры, которые характеризуют выполнение этой функции. На следующем шаге смотрят, что необходимо в помощь этим функциям, чтобы обеспечить их нормальное выполнение и удовлетворение требований ТЗ. Выявляют вспомогательные функции, для которых на основе прежнего ТЗ составляют новое, частное ТЗ и решают проектную задачу. Снова анализируют полученное решение (разработанный объект) на потребность во вспомогательных функциях следующего уровня и либо заканчивают разработку, либо решают новую дополнительную задачу.

Видно, что на каждом этапе решается относительно простая частная задача. Однако в итоге может получиться конструкция, состоящая из нагромождения несвязанных частей. Во избежание этого на каждом шаге желательно исследовать получающуюся конструкцию на возможность ее усовершенствования (совмещения функций, объединения частей и их гармонизацию).

Например, необходимо спроектировать устройство для понижения частоты вращения (редуктор). Пусть в качестве решения остановились на конструкции цилиндрической передачи. Параметрами, характеризующими эту передачу, являются диаметры колес, их ширина и материал. Изображение разработанной конструкции показано на рис. 19а.

Рис. 19. Пример функционального проектирования сложной системы

Анализ данной конструкции показал, что необходимо учесть подвод и отвод движения и фиксацию колес в пространстве. Проектирование этих функций привело, допустим, к введению в конструкцию валов (рис.19б).

Последующий анализ конструкции показал, что необходимо также обеспечить передачу движения с колеса на вал и их осевую фиксацию (учесть условия состыковки). Пусть это потребовало применения посадки с натягом и, из расчета данного соединения,- увеличения посадочной ширины колеса (ширины ступицы).

Далее, анализ конструкции показал, что валы нуждаются в фиксации. Решение этой задачи, пусть, привело к использованию опор качения (рис.19в), вид и параметры которых будут определены из учета передаваемой колесами нагрузки и условий сопряжения с валами. И т.д.

2. Пошаговая детализация проектируемого объекта.

Проектирование объекта обычно ведется от общего к частному: сначала прорабатываются формы и параметры, непосредственно взаимосвязанные с исходной функцией, затем отражающие наиболее важные требования ТЗ, затем — менее важные. И так до необходимой степени подробности, обуславливаемой полнотой учета требований ТЗ. После каждого итерационного цикла проверяют совместимость и непротиворечивость прежних и вновь добавленных решений.

Схематично процесс проработки конструкции соответствует построению ИЛИ-дерева, с продвижением по которому степень подробности конструкции возрастает. Поиск возможных вариантов ведется не только посредством синтеза новых решений, но и выбором типовых решений из элементной базы (как конструктивных, так и технологических элементов поверхностей деталей).

Если последовательно наносить на первоначальное упрощенное изображение разрабатываемой детали отыскиваемые таким образом элементы форм (добавляя, и при необходимости, корректируя изображение), то в итоге сформируется чертеж общего вида этой детали. И тем он будет подробнее, чем полнее будут учтены требования ТЗ и условия состыковки с соседними деталями и узлами. При этом некоторые элементы поверхностей детали, в основном характеризующие технологические свойства (например, фаски, галтели, уклоны), на чертеже могут не указываться (если подразумевается их обязательное исполнение в процессе производства) или задаваться техническими требованиями.

Поясним метод на примере проработки конструкции колеса ранее рассмотренной передачи. Допустим, что передача — зубчатая.

Из условия выполнения исходной функции (понижение частоты вращения) определились цилиндрическая форма и параметры зацепления, а из условия сопряжения с валом ширина колеса и диаметр отверстия под вал (рис. 20а).

Рис. 20. Пример пошаговой детализации сложного объекта

Однако такая конструкция является незавершенной. На следующем шаге, например, из условия технологичности зубчатый венец решено выполнить на всю ширину колеса (рис.20б). Естественно, что возможны и другие варианты — например, ИЛИ узкий венец и широкая ступица (рис.20б₁). Стрелками показаны возможные пути конкретизации и развития конструктивного решения.

Допустим, что выбранная конструкция (рис.20б) не полностью удовлетворяет всем требованиям ТЗ, например, тяжела. На следующем шаге с целью облегчения колеса вводим в его конструкцию, например, диск (рис.20в).

Однако и это — не окончательное решение. Далее, для обеспечения технологичности вводим, как возможные варианты, фаски, уклоны, галтели и т.п. (рис.20г). Одновременно уточняются величины и отклонения геометрических размеров, параметры шероховатости и т.д.

5.5.3. Действия по завершении цикла итерации

Проработка проектных вариантов на каждом цикле работы завершается принятием одного из следующих решений:

• о завершении проектирования объекта и оформлении проектной документации со сдачей ее заказчику. При завершении проектирования подсистемы переходят к проектированию других подсистем, предварительно дополняя ТЗ условиями сопряжения частей;
• о прекращении разработки данного объекта, поскольку его возможные варианты оказываются неспособными удовлетворить требованиям заказчика. Такое решение может быть принято на любом из этапов проектирования и обуславливается, прежде всего, экономическими и социально-политическими обстоятельствами. Заказчику представляется отчет о проделанной работе и объяснение причин ее прекращения. Согласуются вопросы о разделении ответственности и понесенных расходов;
• о неудовлетворительности полученных результатов (несоответствие конструкции реальным технологическим возможностям, недостаточная эффективность объекта) и возвращении на один из предыдущих этапов проектирования. В исходные данные вносятся коррективы (уточнения и дополнения), намечают план последующих действий и повторяют проектных работ.

При завершении проектирования рекомендуют еще раз проанализировать полученное решение, особенно на возможность максимального повышения степени унификации, стандартизации, преемственности и технологичности. Наиболее эффективным методом улучшения решения является ФСА.

В ряде случаев (важное задание, высокие требования к решению) по завершении работ проводят экспертизу проекта: внутреннюю или внешнюю (независимую). Приемка работы оформляется актами, причем проверяется не только качество результата разработки, но и комплектность документации.

Литература

1. Альтшуллер Г.С. Найти идею: введение в теорию решения изобретательских задач. Новосибирск: Наука, 1986. 209с.

2. Буш Г.Я. Стратегии эврилогии. — Рига: Общество «Знание» ЛатвССР, 1986. 64с.

3. Вентцель Е.С. Исследование операций: задачи, принципы, методология. — М.: Наука, 1988. 206с.

4. Джонс Дж.К. Методы проектирования. — М.: Мир, 1986. 326с.

5. Кини Р.Л., Райфа Х. Принятие решений при многих критериях: предпочтения и замещения. — М.: Радио и связь, 1981. 560с.

6. Котлер Ф. Основы маркетинга. — М.: Прогресс, 1990. 733с.

7. Красовский Г.И., Филаретов Г.Ф. Планирование эксперимента. — Минск: изд-во БГУ, 1982. 302с.

8. Крылов А.Н. Мои воспоминания. — СПб.: Политехника, 2003. 510с.

9. Якокка Л. Карьера менеджера. — Мн.: Попурри, 2006. 544с.

10. Орлов П.И. Основы конструирования: Справочник. — М.: Машиностроение. В 2-х книгах. 1988

11. Половинкин А.И. Основы инженерного творчества. — М.: Машиностроение, 1988. 368с.

12. Хорошев А.Н. Введение в управление проектированием механических систем: Учебное пособие. -Белгород, 1999. 372с.

13. Pahl G., Beitz W. Engineering Desing. — London, 1984. 430p.; Berlin, 1977

Версия для печати