Кеслер, А.А

УЧЕБНЫЙ МАТЕРИАЛ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«основы проектирования и конструирования»

для студентов специальности 180100.62 –

«кораблестроение, океанотехника и системотехника

Объектов морской инфраструктуры»

Основы методологии проектирования,

Авт. Кеслер А.А., Н.Новгород, 2004, - 51с. (Учебное пособие)

Министерство транспорта Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Волжская государственная академия водного транспорта

Кафедра проектирования и технологии постройки судов

А.А. Кеслер

ОСНОВЫ

МЕТОДОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Учебное пособие

для студентов очного и заочного обучения

по специальности 1401 "Кораблестроение"

Издательство ГОУ ВПО ВГАВТ

Н. Новгород, 2004

УДК 658.512 + 629.12.001.63

К 71

Кеслер, А.А.

Основы методологии проектирования: Учебное пособие для студентов очного и заочного обучения по специальности 1401 "Кораблестроение" / А.А. Кеслер – Н. Новгород: Издательство ГОУ ВПО ВГАВТ, 2004. – с.

Ответственный редактор: профессор, д.т.н. Е.П. Роннов

Представлены исторические аспекты и основные понятия в области проектирования искусственной среды. Рассматриваются базовые положения процесса проектирования объектов техносферы и используемые при этом управленческие схемы.

Пособие соответствует направленности подготовки выпускника по специальности 140100 "Кораблестроение", определенной Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования. Оно призвано дополнить знания обучающегося в области проектирования судов современными общеинженерными подходами при проектировании объектов техносферы.

Ил. 15, табл. 1, библиогр. назв. 38

Рекомендовано кафедрой П и ТПС, протокол № 6 от 30.04.04 г.

ã ГОУ ВПО ВГАВТ, 2004

ВВЕДЕНИЕ

Во второй половине прошлого века технические знания, даже в рамках одной отрасли, стали быстро накапливаться и усложняться. Учебная литература стала напоминать хранилище информации, большая часть которой достаточно быстро теряла свою актуальность вследствие развития техники. Это потребовало реформирования системы подготовки инженеров. Из учебной литературы была исключена подробная и быстро устаревающая информация и, кроме того, усилена подготовка инженеров по научным дисциплинам.

К концу прошлого века проблема комплексного обоснования проектных решений в области искусственной среды (техносферы) потребовала определенного пересмотра концепции подготовки инженеров. Узкая специализация при подготовке инженеров тормозила развитие подходов и методов, которые могли быть применены проектировщиками различных специальностей. Эти методы зарождались как методы оптимизации проектных решений с учетом "нетрадиционных" инженерных знаний: – по эргономике, исследованию операций, методам технического творчества, знаний в вопросах организационной и административной политики, в проблемах рынка и других областях.

Стало ясно, что инженер не должен быть "узким специалистом", он должен обладать широкими знаниями.

Характеризуя общую тенденцию в проектировании Джонс [1] отмечает: "Проектирование оказывается все меньше направленным на сам разрабатываемый объект и все больше – на те изменения, которые должны претерпеть производство, сбыт, потребитель и общество в целом в ходе освоения и использования нового объекта". Аналогичная направленность в развитии науки прогнозируется известным физиком и математиком Джоном фон Нейманом [2]: "В будущем наука будет концентрироваться больше вокруг проблем организации, структуры, языка, информации, программирования и управления и меньше – вокруг проблем силы, движения, вещества, реакции, работы и энергии". В этих взглядах на проектирование и науку актуализируются проблемы организации и управления мегакомплексами (большими системами) искусственной среды.

Основная трудность системного (комплексного) подхода при проектировании в настоящее время заключается в сложности обеспечения не столько взаимодействия членов коллектива проектировщиков между собой, сколько в установлении в процессе проектирования эффективных связей с управленцами, изготовителями и потребителями продукции, представителями торговых и общественных организаций, а также другими "непрофессиональными" проектировщиками. В то же время значимость знаний (информации), которыми владеют "непрофессиональные" проектировщики, при проектировании мегакомплексов возрастает. Это обусловлено масштабностью и сложным характером тех изменений в искусственной среде, начало которым кладет проектирование, а также отдаленностью и продолжительностью воздействия на общество проектируемой системы (мегакомплекса). При "широком" подходе к проектированию крайне важно, чтобы всякий, кто вступает в межпрофессиональное (междисциплинарное) сотрудничество, достаточно ясно понимал критерии, которыми руководствуются в своих решениях его коллеги.

Современная концепция проектирования базируется на:

- теории организации и управления проектированием больших систем;

- широком наборе машинных программ высокого уровня, объединяемых понятием – "искусственный интеллект";

- общеинженерных и специальных методах проектирования.

Эта концепция предполагает повышение интереса проектировщиков (инженеров) к гуманитарным проблемам научно-технической революции.

Наиболее интенсивно в настоящее время ведутся работы в области "искусственного интеллекта", которая, в частности, включает системы обработки информации. В книге Белнапа [3] приведены следующие данные: "За последние три десятилетия произошел разительный скачок в развитии промышленных систем обработки информации. Объем капиталовложений в эту отрасль индустрии возрос с 0 до 50 биллионов* долларов в год. Недавно проведенные исследования убедительно показывают, что …общий объем капиталовложений к 1985 г достигнет 200 биллионов долларов в год".

Содержание данного учебного пособия соответствует направленности подготовки выпускника по специальности 140100 "Кораблестроение", определенной "Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования". Пособие призвано дополнить знания студентов о проектировании систем (объектов) современными общеинженерными подходами; при этом в полной мере сохраняется значимость при подготовке студентов базовых (традиционных) дисциплин, входящих в блок – "проектирование судов".

Методология "широкого проектирования" систем искусственной среды в настоящее время интенсивно дополняется новыми разработками, уточняются ее научные основы. Приведенные в пособии примеры "широкого проектирования" не содержат формализованного описания; они представляют лишь современные системные подходы при обосновании технических объектов (комплексов).

По ряду понятий и терминов, используемых при "широком проектировании", отсутствуют общепринятые определения; с учетом этого автором используются определения, содержащиеся в работах известных специалистов в области проектирования.

В приложении, содержащемся в пособии, дано изложение метода, который может быть использован для структурирования различных комплексов. Метод может быть применен при проектировании надстройки судна, комплекса помещений в здании, сооружений поселка и т.п., то есть является инвариантным по отношению к предметной среде. Он относится к группе методов, изложенных в [1] и рекомендуемых для использования при "широком проектировании" объектов искусственной среды.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

В ОБЛАСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ИСКУССТВЕННОЙ СРЕДЫ

Современная концепция "широкого проектирования" зарождалась в 60-е годы прошлого столетия, как реакция на неудовлетворенность традиционными методами проектирования, которые были нацелены на изменения частного, локального характера. В эти годы состоялись ряд крупных международных конференций по новым методам проектирования и смежным проблемам. Необходимость совершенствования методов проектирования определялась появлением в промышленно развитых странах, прежде всего в городах, крупных проблем: транспортных заторов, предотвращения и раскрытия преступлений, шума и загазованности воздуха и др.

Назрела необходимость по-новому взглянуть на цели и процесс проектирования. Стало очевидным, что проектирование не должно ограничиваться логическими обоснованиями и разработкой чертежей по создаваемому техническому изделию (средству).

Джонс [1], например, предложил следующее определение:

" Проектирование – это процесс, который кладет начало изменениям в искусственной среде". Он иллюстрирует этот процесс изображением, представленном на рис. 1.1.

Проектирование (в широком смысле) включает традиционную составляющую – техническое проектирование; в свою очередь составляющей технического проектирования является конструирование (рис. 1.2).

Дитрих [4] предложил следующие определения понятий техническое проектирование и конструирование.

Рис. 1.1. К определению понятия "широкое проектирование"

Техническое проектирование – "Проектирование технической системы как логической основы действия технического средства или мегакомплекса, а также определение характеристик конструктивного вида материальных комплексов, которые должны выполнять роль технических средств";

Конструирование – "Подбор конструктивных характеристик, определяющих логическую основу конструкции".

Наряду с техническим проектированием методология "широкого проектирования" систем предполагает следующие составляющие:

· генерирование и анализ нескольких вариантов системы с учетом ее функционирования в надсистеме; при этом для оценки решений используются (разрабатываются) комплексные критерии;

· наряду с документацией, необходимой для изготовления, проектировщики прорабатывают различные аспекты и готовят информацию для этапа функционирования изделия (эксплуатация, техобслуживание и ремонт), а также для этапов его хранения, после вывода из эксплуатации, и уничтожения.

Важную роль играет проектант при прогнозировании (оценке) потребностей и ресурсов (рис. 1.2). На этом, предпроектном этапе, он активно взаимодействует с заказчиком проекта и различными структурами общества.

Рис. 1.2 Схема последовательности действий с целью удовлетворения потребностей

Как и в других областях человеческой деятельности в практике проектирования используется набор терминов. Применение терминов позволяет обеспечить однозначность описания (понимания) структуры (процесса) и облегчить деловое общение. "Краткий словарь терминов науки технического творчества" имеется в книге [4]. Некоторые из них представлены ниже.

Артефакт* – "Искусственный материальный комплекс (например, техническое средство) вместе с признаками его действия. Это может быть машина с ее производительным действием; артефактом будет и памятник с его эстетическим, эмоциональным воздействием на человека".

Коммуникат – "Знаковое сообщение, несущее информацию или дезинформацию. Для изготовителей и эксплуатационников технических средств – это техническая документация: проекты и конструкторские чертежи".

Критерий – "Основа оценки, позволяющая избежать субъективных суждений".

Оптимизация – " Методические процедуры в процессе проектирования и конструирования, направленные на решение задачи в наилучшем соответствии с принятыми критериями".

Проект – "Система понятий, дающая абстрактное представление изделия. Совокупность свойств и особенностей материального комплекса, полученная в результате синтеза и характеризующая творческий или исполнительский замысел".

Система – "Любой объект, существующий во времени, подвергающийся внутренним и внешним воздействиям или возмущениям, реагирующий на них изменениями своих состояний и обладающий способностью проявить в том или ином виде эти реакции" (рис. 1.3) [5].

Рис. 1.3 Модель системы

Структура системы – совокупность элементов системы и отношений между ними. Структура полностью определяет способ функционирования системы; однако одна и та же функция может быть реализована различными структурами (системами).

Системный подход – "Метод анализа артефактов в процессе проектирования с системных позиций".

Техническое средство – "Помещение или орудие, использование которых обеспечивает удовлетворение определенных материальных потребностей".

Техносфера – "Артефакты, образующие окружение человека. Всевозможные технические средства, воздействующие на человека в его социальной и биологических сферах. Техносфера вместе с социальной и биологической сферами представляют собой экологическую сферу человека, которая создает человеку соответствующие условия жизни и развития".

Функция – "Логическая, математическая или фактическая зависимость, определяющая связь между причиной и следствием или между двумя взаимозависимыми явлениями. Функция – не синоним действия или роли. Действие или роль могут определяться потребностью"

Элемент – "Часть целого, которая в различных совокупностях может выступать как нечто относительно целое, причем свойства этого относительно целого остаются постоянными. Это понятие противопоставляется части, которая, будучи отделенной от целого, теряет ранее имевшиеся свойства".

Важной особенностью концепции "широкого проектирования" является учет социально значимых факторов и участие в поиске решений или формировании информационной базы, наряду с инженерами, управленцев, научных работников, представителей средств массовой информации и других сфер общества. Такая особенность позволяет использовать новые методы (процесс) проектирования для коллективного контроля над эволюцией искусственной среды и, в частности, усиления социализации технических средств. Проектирование может служить как средство для выявления и управления противоречиями между различными группами населения.

Следует ожидать, что критерий социализации станет весомой составляющей комплекса критериев при принятии решений. В конечном счете, это позволит оптимизировать использование сырьевых и энергетических ресурсов общества. Инженеры, политические деятели, представители средств массовой информации призваны совместными усилиями формировать общественное мнение в этом направлении.

Примером современного "широкого" подхода к проектированию судов может служить реализация программы "судно будущего", которая выполнялась в Федеративной Республике Германия (ФРГ) в 80-е годы прошлого столетия [6]. О масштабности программы свидетельствуют следующие данные: "В работу были вовлечены три судостроительных предприятия, 13 предприятий – поставщиков оборудования, два судовладельца, четыре технических консультанта и четыре университета. В программе также принимали участие объединение судовладельцев и профсоюз моряков. Министерство финансов ассигновало на проект 43 млн. марок ФРГ (15,9 млн. долл. по курсу 1981 г.)".

Координатором и главным исполнителем программы была утверждена крупная судостроительная компания.

В процессе выполнения программы "… было рассмотрено 270 технических предложений и выполнена 51 проектная проработка. В результате рекомендовано 78 новшеств". Еще до окончания работ над программой "судно будущего" ее основные разработки были реализованы в проектах двух рефрижераторных судов, двух контейнеровозов и на одном сухогрузно-наливном судне.

2. ИСТОРИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ

объектов искусстенной среды

Исторически первым творцом объектов искусственной среды можно считать ремесленника, который создавал вещи, не вычерчивая чертеж своего изделия. В этом случае проектирование сводилось к созданию умозрительного образа, которым опытный ремесленник руководствовался в своей работе (рис. 2.1 а).

Рисунок 2.1. Модели создания изделия

Изменение формы (совершенствование) изделия происходило в процессе работы над изделием, чаще – методом проб и ошибок.

При кустарном производстве информация хранилась в виде выполненных изделий, шаблонов (эталонов), а также передавалась в устной форме в процессе обучения. На основе такой информации могли быть выполнены простейшие традиционные изделия.

Анализ кустарного способа создания изделий с современных позиций позволяет отметить следующую его особенность:

два класса данных – геометрия изделия и логические обоснования его параметров – не фиксировались в символической (знаковой) форме. По этой причине невозможно было исследовать и изменить изделие без экспериментирования с самим изделием.

Исторические данные свидетельствуют о том, что эскизы изделий стали появляться лишь в конце средневековья. Дитрих отмечает [4]: "Изобретенная Гутенбергом в конце 40-х годов 15 столетия отливаемая подвижная литера привела к значительным изменениям в способах осуществления записи…. В конце 15 столетия Леонардо да Винчи… использовал рисунок в качестве формы записи многих деталей различных машин и строений". Здесь следует иметь в виду, что эскизы (рисунки) являлись художественным образом изделия; они выполнялись без учета масштаба и других требований к чертежам.

Метод проектирования (конструирования) путем разработки чертежей зародился в 19 веке, когда "Монж заложил основы геометрического отображения, которыми мы пользуемся до сегодняшнего дня" [4].

Возможность разработки образа изделия в виде чертежа привела к принципиальному изменению процесса создания изделия (рис. 2.1 б). Поиск методом проб и ошибок был отделен от производства; эксперименты и изменения стали проводиться не на самом изделии, а на чертеже. Проектировщик при этом имеет возможность видеть образ изделия целиком и манипулировать им, не испытывая боязни испортить дорогостоящее изделие.

Использование коммуникатов в виде чертежей и текстовой информации позволило изменить организацию изготовления изделия.

· Стало возможным разделить труд по изготовлению отдельных частей изделия между несколькими работниками. Вследствие этого резко возрос темп изготовления изделия.

· При изготовлении крупных изделий (например, судов) из частей отпала необходимость взаимной подгонки частей в процессе их выполнения. Такая, весьма трудоемкая операция, была свойственна кустарному производству.

Чертежный способ проектирования и развитие промышленности обусловили выпуск в больших количествах изделий с одинаковыми свойствами (тиражирование изделий). Это стало знаменательным фактом, начиная с 19 века и до нашего времени.

Для периода "промышленной революции" (19 век) характерным было "частное проектирование" (рис. 1.2 – конструирование). Это соответствовало узким задачам предпринимателей того времени, которые сводились к удовлетворению большого спроса на технические средства. Конкуренция, слабая насыщенность техносферы, отсутствие ограничений экологического характера создавали условия для проектирования в пределах разработки конструкции изделия и ее обоснований.

В период первой половины 20 века искусственная среда промышленно развитых стран интенсивно насыщалась разнообразными техническими средствами; спрос в значительной мере был удовлетворен. Одновременно со стороны потребителей возросли требования к качеству технических средств. Появились государственные органы по контролю за изготовлением и эксплуатацией объектов техники. Расширялось внедрение достижений науки в формирование техносферы, зарождалось международное сотрудничество в этой области.

Одной из важнейших потребностей создания технических средств было (и остается) их применение в военном деле. Достижения в создании военной техники во многом определяют уровень развития техники в целом.

В первой половине 20 века при проектировании комплексов (сложных технических средств) стал применяться системный подход. При этом разработка конструкции технического средства выполняется как второй этап проектирования. Тип и эксплуатационные параметры такого средства обосновываются в процессе оптимизации системы, которая может иметь различные варианты структуры и предназначена для выполнения определенных задач. Оптимизация системы рассматривается как первый этап проектирования. В целом процесс проектирования в этот период можно охарактеризовать как "техническое проектирование" (рис. 1.2), которое, в случае создания технического средства, завершается конструированием.

В качестве примера технического проектирования может служить проектная проработка (исследование), выполненная в период второй мировой войны с целью обеспечения безопасности перевозки грузов караванами судов из США в Европу [7]. В начальный период войны караваны подвергались массированным нападениям немецких подводных лодок в северной части Атлантического океана; необходимо было найти решение. Специалистами по теории исследования операций задача решалась с использованием математической модели и учетом следующих факторов: количества коммерческих и эскортных судов в караване, его протяженности, количества подводных лодок, погодных факторов и процедур принятия тактических решений. В результате исследования "были высказаны рекомендации, принятые командованием, и в результате этого количество благополучно достигших своего назначения коммерческих судов резко возросло".

В послевоенный период (вторая половина20 века) происходило бурное научно-техническое развитие стран Северной Америки, Японии и Европы. С 1945 г по настоящее время сменилось 3 поколения компьютеров (языков программирования) традиционного типа.

Зарождается новый тип – нейрокомпьютеры (нейро ЭВМ, нейронные сети).

Эти компьютеры качественно отличаются от предыдущих "отсутствием заранее созданных алгоритмических программ и способностью к самоорганизации и обучению". (Искусственные нейронные сети такого типа ЭВМ создаются на электронных или оптических элементах).

На основе использования компьютеров традиционного и в большой мере нового типов, созданы и используются операционные средства, образующие понятие "искусственный интеллект". Компьютерная техника, а также развитие науки в целом, позволили к настоящему времени расширить области (части) техносферы, биологической и социальной сфер, которые учитываются при проектировании некоторой системы.

"Широкий " подход к проектированию – это современная потребность, "веление времени". В мировой практике нарастают неблагоприятные тенденции: истощение минеральных и энергетических ресурсов, увеличивается "давление" на биологическую среду и др. Для решения (смягчения) этих тенденций проектировщики систем (мегакомплексов) стремятся расширить "область видения". На первом этапе современного подхода к проектированию систем она рассматривается в составе надсистемы, например, зональной, региональной, отраслевой, межотраслевой, международной и др. На этом, первом этапе, в результате рассмотрения надсистемы, определяются эксплуатационные (потребительские) параметры системы. Затем следует этап технического проектирования (выбор варианта структуры системы), и этап конструирования выбранного варианта системы (рис. 1.2).

выдающийся вклад в разработку теоретических основ "широкого" подхода к проектированию судов внес В.М. Пашин. Согласно представленной им концепции [8] "… проектант самостоятельно либо с помощью заказчика обосновывает целесообразность создания … судна либо комплекса совместно работающих судов и определяет или уточняет исходные характеристики для непосредственной разработки проекта. Подобные обоснования называют внешним проектированием. Для решения задач внешнего проектирования требуется рассмотрение условий использования будущего судна, его взаимодействия с другими судами транспортных, промысловых либо других систем, элементом которых является судно. От того, насколько удачным будет тот или иной элемент системы, зависит эффективность системы". И далее: "экономические последствия принимаемых на этом уровне решений становятся более значимыми, нежели на уровне проектирования одного судна".

К внутреннему проектированию (второму этапу проектирования) при этом относится разработка проектных материалов по некоторому судну в рамках его основных характеристик, значения которых определяются на этапе внешнего проектирования.

В историческом плане можно выделить четыре периода в развитии процесса проектирования, которые соотносятся с этапами хозяйственного развития общества: ремесленный способ производства, "промышленная революция", переходный период и современный этап ("научно-техническая революция").

При рассмотрении проектирования в историческом плане выделяют ряд его организационных форм [4].

В период кустарных ремесел производственной формой были артели; они одновременно выполняли функции обучения.

После появления возможности записи конструкции (чертежей) появилась специальность конструктора, а на заводах – конструкторские бюро. По мере усложнения задач, в 19 веке появились автономные конструкторские, а затем и проектно-конструкторские бюро.

В 20 веке в деятельности проектировщиков увеличивается значимость научно-технических исследований и в бюро возникают исследовательские структуры.

Кроме того, как показывает опыт развитых стран, важное значение имеет участие проектировщиков в процессе внедрения технических средств. В связи с этим возникла тенденция образования исследовательско-проектно-конструкторско-внедренческих организаций. Эффективность таких многопрофильных структур в большой мере зависит от системы их организации и управления.

Поиск по сайту: