Основы проектирования систем
 Скачать 1.88 Mb.
|
|
1.1.2. Проектная документация Техническое проектирование различного рода систем состоит в разработке документации, предназначенной для создания новых систем. Проект технической системы – это комплект технической (проектной) документации, предназначенной для создания новой системы, ее эксплуатации, ремонта и утилизации. Процесс проектирования часто включает в себя и конструирование – процесс создания материального образа разрабатываемой системы в виде макета (прототипа) или графических изображений (чертежей, эскизов, компьютерных моделей). Прототи (от греч. protos – первый и typos – отпечаток, оттиск) – прообраз, образец, оригинал. Термин «прототип» трактуется по-разному в зависимости от предметной области. В области технических систем прототипом является работающая модель или макет, опытный образец устройства или системы. Состав проектной документации регламентирован стандартами, в том числе, такими как: единая система конструкторской документации (ЕСКД) – стандарт, устанавливающий правила и способы разработки, оформления и обращения технической документации; единая система программной документации (ЕСПД) - стандарт, устанавливающий правила и способы разработки, оформления и обращения документации по программному обеспечению. Комплект проектной документации и материалов, содержащих результаты проектирования, включает в себя: проектное задание или эскизный проект, технический проект, рабочий проект. В процессе проектирования выполняются технические и экономические расчёты, разрабатываются схемы, графики, пояснительные записки, сметы, калькуляции и описания. При разработке новых технических систем проводятся научно- исследовательские работы, связанные с разработкой новых и обоснованием предлагаемых технических решений. 1.2. Этапы проектирования технических систем Проектирование технических систем включает в себя следующие этапы: 1) разработка технического задания; 2) предварительное проектирование; 3) эскизное проектирование; 11 4) техническое проектирование. Рассмотрим кратко содержание этих этапов. 1.2.1. Разработка технического задания Техническое задание (ТЗ) составляется разработчиком (проектировщиком) на основе исходных данных, предоставленных заказчиком, содержит основные технические требования к создаваемой системе и служит основанием для проектирования. Техническое задание содержит: назначение системы; область применения проектируемой системы; технические требования к технико-экономическим показателям разрабатываемой системы, формулируемые в виде ограничений, налагаемых на показатели эффективности; условия эксплуатации (режим и продолжительность эксплуатации, внешние воздействия и т.д.); сроки и стоимость разработки; возможные особые условия производства и эксплуатации; другие дополнительные сведения, которые оказывают влияние на результаты проектирования системы. Одной из важных составляющих технических требований является перечень (номенклатура) показателей, характеризующих технический уровень разрабатываемой системы, а также требования, предъявляемые к ним в виде ограничений, налагаемых на их численные значения. На основе этих показателей в процессе проектирования формируются критерии эффективности, используемые на различных этапах проектирования. Обоснование и измерение этих показателей, а также разработка методов количественной оценки качества продукции (в том числе технических систем) реализуется в научной дисциплине, называемой квалиметрией. К основным задачам квалиметрии относятся: обоснование номенклатуры показателей качества; разработка методов определения показателей качества и их оптимизации; разработка принципов построения обобщённых показателей качества (критериев эффективности) и обоснование условий их использования в задачах стандартизации и управления качеством. В качестве математического аппарата в квалиметрии используются методы линейного, нелинейного и динамического программирования, теория оптимального управления, теория массового обслуживания и т.д. От качества ТЗ существенно зависят результаты проектирования. 1.2.2. Этап предварительного проектирования Предварительное проектирование проводится в рамках научно- исследовательской работы (НИР). Остальные этапы относятся к опытно- конструкторской разработке (ОКР). 12 Результаты предварительного проектирования оформляются в виде технических предложений (аванпроекта), представляющих собой технические и технико-экономические обоснования целесообразности разработки системы, удовлетворяющей требованиям ТЗ, а также выявление возможных вариантов реализации системы и их сравнительный анализ. Технические предложения формируются по результатам выполнения НИР в виде научно-технического отчета, содержащего выводы о новых принципах построения системы, научно обоснованный подход к реализации этих принципов, анализ проведенных экспериментов, а также математически обоснованные варианты построения системы. Результаты НИР могут оказаться отрицательными и свидетельствовать о невозможности реализовать систему, удовлетворяющую заданным в ТЗ требованиям. На этом этапе выполняется: обзор и сравнительный анализ существующих вариантов построения системы с целью определения достоинств и недостатков каждого из них; выбор возможных вариантов структурно-функциональной организации разрабатываемой системы или синтез оптимального варианта на основе сформулированного критерия эффективности и результатах математического моделирования; в случае нескольких вариантов построения системы – их сравнительный анализ и выбор из них наилучшего варианта на основе сравнения основных характеристик этих вариантов или выбранного критерия эффективности; в случае синтеза оптимального варианта на основе математического моделирования – выбор метода проектирования, включая разработку математической модели и формулирование задачи оптимизации. 1.2.3. Эскизное проектирование На этапе эскизного проектирования выбирается окончательный вариант разрабатываемой системы, оформляемый в виде эскизного проекта, в который входят: пояснительная записка, включающая, в частности, описание методов исследований, результаты математического (если необходимо, то и физического) моделирования и выполненных расчётов; эскизная техническая документация на спроектированную систему; заключение о соответствии спроектированной системы техническому заданию. Эскизный проект в виде совокупности документов дает представление об устройстве и принципе функционирования системы, а также о соответствии назначению и основным требованиям, предъявляемым к разрабатываемой системе. Эскизная документация предназначена для изготовления лабораторных и экспериментальных образцов системы или её отдельных частей, требующих экспериментального исследования. На этапе эскизного проектирования для 13 таких испытаний может оказаться необходимым создание специальных испытательных стендов. Эскизный проект направляется заказчику для ознакомления и выдачи замечаний, после устранения которых защищается разработчиком перед заказчиком и утверждается им или возвращается на доработку. При утверждении эскизного проекта в случае необходимости на основании содержащихся в нем результатов может быть скорректировано техническое задание. 1.2.4. Техническое проектирование Процесс проектирования технических систем является итеративными с многократным повторением этапов с целью уточнения структурно- функциональных параметров и улучшения проекта. Проектирование новой технической системы – это противоречивая задача: с одной стороны, следует использовать все последние достижения науки и техники в данной области, а с другой – обычно имеются многочисленные ограничения, указанные в техническом задании (стоимость, сроки проектирования и т.п.). Во многих случаях проектирование новых технических систем предполагает разработку новых технических идей и инженерных решений для построения эффективной системы, удовлетворяющей заданным требованиям. Поставленная цель может быть достигнута путём решения следующих задач: определение, к какому классу систем относится проектируемая система и построение обобщенной модели систем такого класса; сравнительный анализ свойств разных систем такого класса и выявление их достоинств и недостатков; разработка новых вариантов построения системы; сравнительный анализ новых вариантов и обоснование эффективности выбранного варианта построения проектируемой системы. Процесс проектирования новой технической системы и решение сформулированных выше задач могут быть реализованы одним из следующих способов: разработка технической системы с требуемыми новыми свойствами на основе комбинаций известных решений; поиск нужных идей на основе ассоциаций в окружающем мире, включая живой, т.е. использование решений, существующих в других сферах; создание на основе воображения и собственной фантазии идеализированных образцов разрабатываемых систем и поиск путей их реализации. Перечисленные задачи и способы их реализации в процессе проектирования новых технических систем тесно связаны с творческим процессом – изобретательством. Изобретения могут иметь различную степень новизны – от усовершенствования известного прототипа до новой идеи и открытия. 14 Последнее выходит за рамки инженерного творчества и относится к творчеству научному. Между научным и инженерным творчеством имеется принципиальное различие. В науке – это выявление новых фактов и закономерностей, присущих системам и протекающим в них процессам, а также разработка новых принципов и методов построения систем. В инженерно-технической области – это создание на основе этих закономерностей и методов новых образцов техники. Правда, нередко при этом получаются и новые научные результаты, вплоть до открытий. Наиболее часто это происходит при создании принципиально новых видов систем, что само по себе может рассматриваться как научная деятельность, поскольку такие разработки не могут полностью базироваться на научно обоснованных методах расчетов, проектирования и т.д. При проектировании технических систем широко используются средства вычислительной техники для расчётов и моделирования, что позволяет сократить сроки и повысить качество проектирования. Техническое проектирование осуществляется на основе эскизного проекта с учётом замечаний со стороны заказчика и возможных изменений в техническом задании. Результатом технического проектирования является комплект технической документации, в состав которой входят конструкторская, программная, технологическая и эксплуатационная документации с техническими решениями по структурно-функциональной организации разрабатываемой системы. На заключительном этапе проектирования систем разрабатывается рабочий проект – комплект конструкторских документов, предназначенных для изготовления и испытания опытного образца (макета) проектируемой системы. 1.2.5. Состав проектной документации В состав проектной документации в общем случае входят: конструкторская документация; программная документация; технологическая документация; эксплуатационная документация. Конкретный состав проектной документации зависит от разрабатываемой системы и цели проектирования. Конструкторская документация содержит: различные схемы разрабатываемой системы: структурные, функциональные, электрические и т.д.; чертежи: общего вида, отдельных узлов и деталей; текстовые документы: технические условия (ТУ) на систему, техническое описание системы и отдельных её частей (подсистем). В программную документацию в соответствии с ЕСПД входят: текст и описание программ; описание применения; 15 руководство оператора; руководство системного программиста и т.д. Технологическая документация включает: технологические инструкции; технологические (маршрутные) карты; чертежи на техническую оснастку и приспособления. В эксплуатационную документацию входят: руководство по эксплуатации (РЭ), содержащее описание изделия, рекомендации по его использованию, техническому обслуживанию, текущему ремонту, правила хранения и транспортировки и т.п.; инструкция по монтажу, пуску и т.п. ведомость ЗИП – запасных частей, инструмента и приспособлений. На этапе технического проектирования осуществляются изготовление и испытания опытных, а затем и серийных образцов изделия с последующей корректировкой документации по результатам этих испытаний. 1.2.6. Автоматизация проектирования Автоматизация проектирования состоит в применении ЭВМ и специальных программных средств для проектирования систем. Автоматизированное проектирование позволяет исключить субъективизм при принятии решений, повысить точность расчётов, предоставить возможность выбора наилучшего, а в некоторых случаях, оптимального варианта для реализации на основе строгого математического анализа нескольких вариантов проекта с оценкой технических, технологических и экономических характеристик системы, значительно повысить качество проектной документации, существенно сократить сроки проектирования. Методы и средства автоматизации проектирования различны и зависят от характера и назначения проектируемой системы. При этом наибольший эффект достигается при автоматизации проектирования больших и сложных технических систем, характеризующихся наличием большого количества разнородных элементов и многочисленными сложными связями между ними. Так, например, при проектировании вычислительных систем и компьютерных сетей с помощью автоматизированной системы проектирования определяются конфигурация (топология) системы, технические параметры входящих в её состав устройств, их структурная и функциональная реализация, рассчитываются показатели производительности, надёжности, экономической эффективности и т.д. 1.3. Система как объект проектирования Объектами проектирования в технике являются системы и протекающие в них процессы (рисунок 1). В вычислительной технике объектами проектирования являются вычислительные машины, комплексы, системы и сети. В последних, кроме вычислительных процессов, присущих вычислительным машинам и системам, важную роль играют процессы передачи данных. Проектирование таких систем обычно является 16 многоэтапным и предполагает использование математических методов моделирования. Моделирование заключается в представлении исследуемой системы (процесса) в виде некоторого объекта, называемого моделью (рисунок 1), и проведении экспериментов на модели с целью получения информации о системе путем исследования свойств модели, на основе которого формулируются и решаются задачи, связанные с разработкой проекта системы, удовлетворяющей перечисленным в техническом задании требованиям. Моделирование предоставляет возможность решать задачи проектирования систем, прямой эксперимент с которыми трудно выполним, экономически невыгоден или вообще невозможен. Моделирование как эффективное средство исследования широко применяется в различных областях науки и техники при проектировании: вычислительных систем и компьютерных сетей, систем в авиа- и автомобилестроении, в приборо- и машиностроении, систем телекоммуникаций и т.д. Повсеместное применение моделирования при проектировании технических систем обусловлено всеохватывающим внедрением средств вычислительной техники и появлением специализированных программных средств моделирования в различных областях, используемых на этапах проектирования новых и модернизации существующих систем, анализа эффективности использования систем в различных условиях (например, в экстремальных ситуациях, в условиях повышенных требований к надежности и живучести). Применение моделирования на этапе проектирования позволяет выполнить анализ различных вариантов предлагаемых проектных решений, определить работоспособность и оценить надежность системы, выявить узкие места и мало загруженные ресурсы, а также сформулировать рекомендации по рациональному изменению состава и структуры или способа функциональной организации системы. Рисунок 1. К понятию «проектирование» Система (процесс) Модель Проект П Р О Е К Т И Р О В А Н И Е Эксперименты 17 1.3.1. Понятие системы Под системой (от греч. systema – целое, составленное из частей; соединение) будем понимать совокупность взаимосвязанных элементов, объединенных в одно целое для достижения некоторой цели, определяемой назначением системы. Здесь следует обратить внимание на два момента: во- первых, элементы обязательно взаимосвязаны и, во-вторых, система имеет определенное назначение. Элемент представляет собой минимальный неделимый объект, рассматриваемый как единое целое. Понятие «система» широко используется в повседневной жизни. Мы говорим «система знаний», «система оценок», «система взглядов» и т.д. Можно заметить, что приведенные термины не вполне соответствуют данному выше определению. И хотя можно попытаться найти в этих «системах» элементы и связи между ними, это всё-таки будет выглядеть несколько искусственно притянутым. Такая ситуация обусловлена тем, что в этих примерах понятие «система» используется в более широком общепринятом смысле. В каждой предметной области может быть введена своя трактовка понятия «система». Техническая система – это создаваемый человеком на основе достижений науки и техники объект, обладающий структурной и функциональной организацией. Таким образом, для технических систем будем руководствоваться данным выше определением термина «система», и, говоря о системе, будем иметь в виду, прежде всего, техническую систему. Сложная (большая) система характеризуется большим числом входящих в его состав элементов и множеством связей между ними. |