ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОГО ПОДХОДА К ПРОЕКТИРОВАНИЮ

При разработке систем (качественно и количественно более сложной техники в сравнении с простыми машинами) нет чего-либо эквивалентного «уму и карандашу» опытного, знающего и гибкомыслящего проектировщика, нет и возможности мгновенно определить осуществимость важнейших компонентов системы, а значит, нет и основы для интуитивного озарения, которое упрощает слишком сложную задачу настолько, чтобы она могла быть решена поэтапно, путем последовательного рассмотрения входящих в нее частных проблем.

Деятельность проектировщика на уровне систем предполагает свободу радикального изменения не только компонентов, из которых состоит изделие, но и организации социальной сферы, которой призвана служить новая система.

Изложенное выше поставило на повестку дня еще в 50...60-х годах проблему разработки новых методов системного проектирования. Бурное развитие в те годы атомной промышленности, ракетостроения, авиации и проч., оказали большое влияние на становление системного подхода к проектированию, и они явились замечательным полигоном для отработки и совершенствования новых методов решения сложных задач. Далее кратко рассмотрены некоторые из них. Однако, сразу следует подчеркнуть, что объектом новых методов является не столько проектирование в общепринятом сегодня смысле этого слова, сколько мыслительная деятельность, предшествующая выполнению конструкторской документации (в первую очередь схем и чертежей). Поэтому, новые методы отнюдь не заменяют и не отменяют существующие способы проектирования, а существенно дополняют их на важнейшем этапе первоначального поиска принципиальных решений.

Проектирование современных технологических комплексов, автоматических линий и отдельных машин должно базироваться на системном подходе. В этом случае объект проектирования рассматривается как система, имеющая иерархическую многоуровневую структуру, состоящую из множества подсистем. Существо метода заключается в том, чтобы четко сформулировать конечные цели проектирования, предъявив комплекс всесторонних требований к объекту проектирования, сформулировать функции как системы в целом, так и ее отдельных компонентов, а затем определить пути нахождения оптимального решения. При системном подходе перед проектировщиками ставятся задачи не только разработки конкретных объектов и изделий, но и предсказания тех изменений, которые возникнут в промышленном производстве, сбыте, потребительском спросе и обществе в целом. Так, например, ряд технических решений, принятых при разработке уже первых автомобилей ВАЗ привел к возникновению городов-заводов по производству комплектующих изделий, а с выпуска первых автомобилей кардинально изменилась ситуация на автомобильном рынке, возникла потребность интенсивного строительства новых автомобильных дорог.

Очень важно отметить тот аспект проектирования, что здесь объектом проектирования является не просто техническая система, например, машина или линия, а единый комплекс «человек-машина-среда». Человек рассматривается как одна из неотъемлемых составных частей этого комплекса, а при его создании проектируется не только работа технических устройств, но и деятельность человека. Подробно этот аспект проектирования рассматривается в эргономике.

Иллюстрация процесса системного проектирования в интерпретации Дж.К.Джонса (.Джонс Дж.К. Инженерное и художественное конструирование. Современные методы проектного анализа. Перевод с английского. - М., Мир, 1976) представлена на рис.1.

Процесс внесения изменений в искусственную среду представляется как ряд событий, который начинается с поступления материалов и комплектующих изделий на завод-изготовитель и заканчивается эволюционными изменениями в обществе под воздействием системы, в которую входит новое изделие. Каждое из этих событий представляет собой особый этап в существовании изделия и зависит от предшествующего события. Ни заказчики, ни проектировщики не могут непосредственно влиять на всю последующую историю изделия, оно выходит из-под их контроля еще до поступления в производство. Заказчик дает проектировщику ориентировочные указания о том, какого будущего состояния внешнего мира он хотел бы добиться. Для владельца автомобилестроительной фирмы это может быть определенная доля участия в рынках сбыта, например, заранее установленная сумма продаж (блок в середине верхнего ряда рис.1).

Если заказчику необходимо новое здание, в его заказе будут указаны расположение и размеры помещений, необходимых для размещения системы, т.е. будут определены системные требования (блок справа вверху на рис.1). Если требуется создать пассажирский самолет, в исходное задание могут входить некоторые предварительные указания относительно всех этапов; например, заказчик может предъявить свои особые требования, касающиеся выбора материалов, использования стандартных узлов, распределения и складирования запасных частей, количества выпускаемых самолетов, их летно-технических характеристик, их аэродромным оборудованием и, наконец, влияния, которое новый самолет окажет на общество, скажем, ввиду удлинения взлетно-посадочных полос, производимого самолетом шума и т.д. Кроме того, он может заранее потребовать, чтобы в процессе проектирования были накоплены знания и опыт, которые потребуются для разработки следующей модели самолета того же семейства.

Нижняя половина схемы показывает, что в соответствии с полученными заданиями проектировщик должен подготовить свои предложения. От него требуется тем или иным способом предсказать свойства объекта и реакцию на них на каждом этапе его существования. Для этого он на каких-то моделях проводит экстраполяцию от известных характеристик аналогичных конструкций в прошлом к поведению объекта в будущем, в новой среде. При этом в отношении каждого этапа существования объекта у проектировщика возникают вопросы, указанные в таблице 1.

Из сказанного можно сделать вывод, что не все заказчики материально заинтересованы в успешном функционировании изделия на каждом этапе его существования. Поэтому проблема заключается в том, что проектировщик должен придавать процессу проектирования общественный характер, чтобы каждый, кого затрагивают результаты проектирования, мог заранее подумать, что можно сделать, и мог бы повлиять на выбор вариантов. Для этого социально-значимые результаты проектирования должны стать предметом политических дискуссий.

Сущность большинства новых методов проектирования направлена на то, чтобы заставить проектировщика «думать вслух», позволить другим людям ознакомиться с процессами мышления, которые до сих пор протекали у него в голове, объектировать (externalize) процесс проектирования. В одних случаях это достигается с помощью слов, в других - в форме математических символов, но почти всегда используется какая-нибудь схема, позволяющая разделить задачу проектирования на части и указать взаимные связи между этими частями. Естественно, что в основе всегда лежит стремление добиться большего контроля над процессом проектирования, особенно на уровне систем.

Рассмотрев вкратце общую цель всех предложенных крайне разнообразных методов, можно заняться вопросом о том, чем эти методы отличаются один от другого, и попытаться оценить их практическую пользу. Это проще всего сделать, если оценить их с трех точек зрения: насколько они способствуют творчеству, насколько они логичны и насколько они позволяют управлять процессом проектирования. Каждую из этих трех точек зрения можно представить в виде некоторой кибернетической модели проектировщика. С точки зрения исследования творчества проектировщик представляет собой «черный ящик», на выходе которого возникает загадочное творческое озарение; с точки зрения логики проектировщик - это «прозрачный ящик», в котором происходит логический процесс, до конца поддающийся объяснению; с точки зрения управления проектировщик является «самоорганизующейся системой», которая способна отыскивать кратчайшие пути на неведомой территории. Последняя, наименее привычная точка зрения ведет к вопросу о практической ценности теории проектирования и о дальнейших шагах в разработке эффективных методов проектирования.

Проектирование как «черный ящик» подразумевает «алогичность» мышления, допускающую озарение. Такую теорию поддерживают прежде всего теоретики «творческого подхода». Для стимулирования творчества наиболее приемлемы методы проектирования: «Мозговая атака» и «Синектика».

Мозговая атака как бы снимает фильтры на выходе проектировщиков - «черных ящиков». В дальнейшем результаты мозговой атаки целесообразно ввести в «черный ящик» одного человека, поручив ему классифицировать все выясненные случайные идеи.

Метод «Синектика» в рамках концепции «черного ящика» позволяет организовать передачу выходного сигнала по обратной связи на вход, причем для преобразования выходного сигнала во входной используются тщательно отобранные типы аналогий.

В отношении методов проектирования, основанных на представлении о проектировщике как «черном ящике», можно сделать следующие основные выводы:

1. Выходные действия проектировщика определяются входными сигналами, исходящими от подлежащей решению задачи, а так же другими выходными воздействиями, связанными с предыдущими задачами и прошлым опытом.

2. Согласившись временно ослабить социальные запреты («Мозговая атака»), можно ускорить образование выходных сигналов, но при этом они приобретают более случайный характер.

3. Чтобы проектировщик мог выдать выходные сигналы в соответствии с поставленной задачей, ему нужно дать время на осознание и преобразование (в уме) образов, изображающих структуру задачи в целом. В течение длительных и внешне бесплодных поисков решения он может неожиданно найти новый способ структурирования задачи, позволяющий разрешить конфликты. Это приятное событие, которое иногда называют творческим озарением, дает возможность преобразовать сложную задачу в простую.

4. Контроль интеллекта над формами ввода структуры задачи в «черный ящик» проектировщика, по-видимому, повышает вероятность получения выходных реакций, содержащих решение задачи.

Проектирование как «прозрачный ящик» имеет своей целью объективировать процесс и результаты мышления. Соответствующие такому подходу методы проектирования опираются на логические, а не мистические предположения. Они предполагают, что процесс проектирования может быть до конца объяснен и обоснован.

Методы, в которых проектировщик рассматривается как «прозрачный ящик», характеризуются следующими общими чертами:

1) цели, переменные и критерии задаются заранее;

2) поиску решения предшествует проведение (или хотя бы попытка проведения) анализа;

3) оценка результатов дается в основном в словесной форме и построена на логике (а не на эксперименте);

4) заранее фиксируется стратегия; обычно используются последовательные приемы, но иногда включаются и параллельные, условные и циклические операции.

При применении методов «прозрачного ящика» важнейшим вопросом является возможность расчленения (декомпозиции) задачи на части, которые затем можно решать последовательно или параллельно. К таким задачам следует отнести сети электропередач, телефонных систем, поточных и автоматических линий. В них каждая функция выполняется отдельным узлом, а каждый узел связан с другими узлами лишь заранее заданными входными и выходными воздействиями.

Многие крупные и мелкие задачи проектирования вообще не поддаются расчленению без ущерба рабочих характеристик. Такие ситуации возникают при проектировании зданий, автомобилей, станков и других объектов, в которых функции не разделены между специализированными узлами, а сложным и непредсказуемым образом распределены по всему изделию. В таких случаях руководитель проекта на основании имеющегося у него опыта решения аналогичных задач сначала решает основные частные задачи, а затем определяет общую схему изделия и распределяет остальную работу между своими помощниками. Ясно, что здесь могут быть использованы только методы «Черного ящика».

Основной целью методологии проектирования является уменьшение цикличности и увеличение линейности проектирования. Цикличность означает, что важнейшие частные задачи остаются незамеченными до поздних этапов работы и, когда они обнаруживаются, приходится пересматривать многие уже принятые решения. Линейность процесса предполагает, что все важнейшие проблемы и очередность их разрешения определены до начала работы, а риск того, что на заключительных этапах работы придется вносить в проект принципиальные коррективы, практически исключен. Однако полной линеаризации разработки обычно мешает непредсказуемость зависимостей между отдельными частями задачи. Лакмен показал, что схема зависимостей между проблемами одной задачи носит непостоянный характер и находится в зависимости от выбора частных решений каждой подпроблемы. В таких случаях структура задачи остается неустойчивой до тех пор, пока не будут приняты принципиальные решения по проекту. Таким образом, беспочвенны попытки находить решение задачи проектирования путем однократного прохода по такой линейной последовательности:

1) выявление всех существенных переменных;

2) определение зависимостей между ними;

3) обеспечение оптимальных значений выходных параметров.

На практике методы «прозрачного ящика» широко применяются собственно на конструкторском этапе, когда поисковый этап работы, связанный с установлением принципов работы машины, уже успешно завершен. Важнейшим достоинством таких методов является их детерминированность, позволяющая автоматизировать и ускорить процесс проектирования. Попытки же применения их для создания принципиально новых оригинальных конструкций приводят к исчезновению гибкости, необходимой для исследования неопределенностей задачи и циклических петель.

Методы «черного ящика» и «прозрачного ящика» позволяют расширить область поиска при решении задач проектирования. В методах «черного ящика» это достигается путем снятия ограничений, накладываемых на выходные реакции проектировщика, или путем стимулирования выработки более разнообразных выходных реакций. В методах «прозрачного ящика» выходная реакция нервной системы обобщается на языке внешних символов с таким расчетом, чтобы она включала альтернативы, одной из которых является замысел проектировщика. Основным недостатком перечисленных методов является то, что проектировщик вырабатывает множество неизученных альтернатив, которое слишком велико чтобы быть исследованным медленным способом традиционного осознания. Применение для ускорения процесса интуитивных методов приведет к ограничениям, обусловленных накопленным опытом.

Проектировщик как самоорганизующаяся система обязан обеспечить взвешенное сочетание в работе в общем-то противоречивых методов «черного ящика» и «прозрачного ящика». Все противоречия разрешаются путем оптимального разделения процесса проектирования на две части:

1) осуществление поиска подходящей конструкции;

2) контроль и оценка схемы поиска (управление стратегией).

Метод управления стратегией обеспечивает связь каждой части поиска с конечными целями, даже если они еще не определились. Обычно сущность управления стратегией выражается лозунгом: «Цена незнания должна быть больше цены приобретения знания!». Для определения цены незнания нужна модель, позволяющая хотя бы приближенно судить о том, как недостижение промежуточных целей повлияет на достижение конечных целей. Проще всего это можно сделать по методу «черного ящика».

В заключении следует рассмотреть вопросы организации проектных работ. Так, исключительную роль при создании сложных систем играет рациональное управление проектными работами. Дж.К. Джонс предлагает в основу такого управления положить следующие критерии.

1. Выявление и пересмотр важнейших решений

Как можно раньше выявляются решения, которые могут принести значительные убытки. Эти решения на начальных стадиях следует принимать условно и предусматривать возможность их пересмотра в случае обнаружения в дальнейшем противоречий с надежно установленными фактами или с обоснованными суждениями специалистов. К числу важнейших решений относятся исходные допущения, цели, выбор моделей, выбор стратегии и метод изменения стратегии.

2. Соотнесение затрат на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы с убытками от принятия неверного решения.

Убытки от незнания должны превышать затраты на дорогостоящие усилия проектировщиков при поиске ответа на тот или иной вопрос. При определении актуальности проведения работы нужно первоначально выяснить, на какие вопросы она даст ответы.

3. Распределение заданий в соответствии с возможностями исполнителей.

Проблемы возникают при распределении работ среди представителей разных специальностей в процессе работы над новаторскими проектами.

4. Отыскание полезных источников информации

Информацию нужно искать во всех доступных источниках. Однако, перед тем как обратиться к важной или дорогостоящей информации, необходимо провести независимые испытания или получить информацию о надежности источников. Особо следует обратить внимание на рекомендации консультантов, если они не знакомы с тонкостями, характерными для конкретного проекта.

5. Исследование взаимосвязей между изделием и средой

Выбору стратегии должна предшествовать оценка взаимного влияния конструкции и среды.

Перечисленные критерии естественно реализуются, когда проектировщики одной специальности работают над типовой задачей. Однако, обычно они редко выдерживаются, когда вместе работают различные по профилю специалисты или опытные проектировщики выходят за пределы своей компетенции.

Вопросы для самоконтроля

1. Что обусловило поиск новых методов проектирования в 50...60-х годах ?

2. Чем принципиально отличаются подходы системного и традиционного чертежного проектирования?

3. В чем особенности учета человеческого фактора при проектировании сложных технических систем?

4. Перечислите основные факторы, учет которых характерен только для системного проектирования?

5. В чем заключается сущность большинства методов системного проектирования и как она выражается?

6. В чем заключаются особенности описания проектировщика как «черного ящика» и как они используются на практике?

7. В основу каких методов проектирования положены особенности рассмотрения проектировщика как «черного ящика»?

8. Для каких целей применяют «мозговую атаку»? Укажите общую характеристику этого метода и этапы проектирования, на которых его применяют.

9. Для каких целей применяют «синектика»? Укажите общую характеристику этого метода и этапы проектирования, на которых его применяют.

10. В чем заключаются особенности описания проектировщика как «прозрачного ящика» и как они используются на практике?

11. В основу каких методов проектирования положены особенности рассмотрения проектировщика как «прозрачного ящика»?

12. В чем заключаются особенности описания проектировщика как «самоорганизующейся системы» и как они используются на практике?

13. Что означает термин «цикличность проектирования» и когда она имеет место?

14. Что означает термин «линейность проектирования» и когда она имеет место?

15. Перечислите критерии управления проектными работами.

16. Имеет ли практические долговременные перспективы традиционное проектирование методом масштабного чертежа?