Лекция 1 ОПКД - основные положения. Лекция 1. ОПКД-Основные понятия проектирования (1). Лекция основные понятия процесса проектирования технических объектов введение
 Скачать 340.88 Kb.
|
|
1 ТЕМА 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ЛЕКЦИЯ 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ 1. Введение 2. Основные понятия процесса проектирования технических объектов 3. Основные этапы проектирование технических систем 1. Введение При проектировании больших и сложных систем возникают проблемы, связанные не только со свойствами их составных частей - элементов и подсистем, но также и с закономерностями функционирования объекта в целом, рассматриваемые как общесистемные проблемы. Следствием этого является необходимость решения широкого круга специфических задач, к которым относятся: определение общей структуры системы и требований к элементам и подсистемам, организация взаимодействия между ними, выбор оптимальных режимов функционирования, оптимальное управление протекающими в системе процессами, учёт влияния внешней среды и т.п. По мере усложнения систем всё более значимыми становятся общесистемные вопросы, которые рассматриваются в рамках таких дисциплин, как теория сложных систем, системотехника, моделирование. Проектирование сложных систем обычно предполагает две стадии: • макропроектирование или внешнее проектирование, в процессе которого решаются структурно-функциональные задачи в целом; • микропроектирование или внутреннее проектирование, связанное с разработкой элементов системы как физических единиц оборудования. Методы внешнего проектирования сложных систем базируются на системном подходе к исследованию процессов функционирования, протекающих в системах. Внешнее проектирование начинается с формулировки проблемы, которая включает в себя: • определение целей создания системы и круга решаемых ею задач; • оценка действующих на систему факторов и определение их характеристик; 2 • выбор показателей и критерия эффективности системы. В качестве показателей эффективности выбираются числовые характеристики, оценивающие степень соответствия системы своему назначению. Например: • для системы управления посадкой самолёта показателем эффективности может служить вероятность успешной посадки; • для автоматической телефонной станции — среднее время ожидания соединения с абонентом; • для производственного процесса — среднее количество выпускаемых за смену изделий и т. д. Результаты проведённых исследований используют для обоснования технического задания на разработку системы. В соответствии с техническим заданием могут быть определены один или несколько вариантов проектируемой системы, которые заслуживают дальнейшего подробного исследования. Анализ вариантов системы, выполняемый на этапе системного анализа, проводится по результатам математического моделирования с применением аналитических и имитационных методов. Результаты моделирования позволяют определить значения показателей эффективности системы, обосновать её оптимальную структуру и составить рекомендации по совершенствованию исследуемых вариантов. Математическое моделирование является мощным и эффективным инструментом исследования сложных объектов, систем и процессов в различных областях. Многообразие процессов, протекающих в исследуемых системах и объектах, обусловливает и многообразие математических методов и средств, используемых в процессе проектирования. Большинство технических систем, в том числе вычислительные системы и сети, описываются в терминах дискретных случайных процессов с использованием вероятностных методов. При этом широкое применение находят математические модели, отражающие структурно- функциональную организацию исследуемых систем, построенные на основе моделей теории массового обслуживания, анализ которых может проводиться аналитическими и статистическими методами. В качестве аналитических методов используются вероятностные методы теории массового обслуживания, теории случайных процессов, в качестве статистических - методы имитационного моделирования. 3 При изложении любой научно-технической дисциплины одним из важных вопросов является формирование терминологии, служащей в дальнейшем фундаментом для изучения теоретических и практических аспектов данной дисциплины. Целью формирования терминологической основы является установление однозначного соответствия между используемым термином и вкладываемым в него смысловым содержанием. Ниже определены базовые понятия и термины теории систем, а также изложены принципы, задачи, методы и этапы проектирования с использованием математических моделей на примере систем со стохастическим характером функционирования, рассматриваемых в дальнейшем в качестве объектов проектирования. 2. Основные понятия процесса проектирования технических объектов Проектирование (от лат. projectus, буквально - брошенный вперёд) - процесс создания проекта - прототипа новой системы (или её вариантов), удовлетворяющей предъявляемым к ней требованиям. 1.1.1. Задачи и виды проектирования Задачи проектирования решаются как в процессе разработки новой системы, так и в процессе модернизации или реконструкции системы. Модернизация (от англ. Modernization - современный, новый, усовершенствованный) - обновление системы в соответствии с новыми требованиями и нормами путем замены или добавления нового оборудования, расширяющего, например, функциональные возможности системы и улучшающего ее показатели эффективности. Например, модернизация локальной компьютерной сети некоторой организации, направленная на повышение качества обслуживания пользователей, может заключаться в замене сервера сети (маршрутизатора, коммутатора или канала связи), являющегося узким местом, на более мощный сервер или в добавлении второго сервера, позволяющего разгрузить исходный сервер. Реконструкция - (от ре- и лат. constructio - построение) - коренное изменение (перестройка) системы с целью усовершенствования, направленное на повышение качества функционирования системы. Например, для той же локальной компьютерной сети реконструкция может означать существенное изменение как состава оборудования и топологии сети (изменение структурной организации), так функциональной организации (метода доступа к общим ресурсам, алгоритма маршрутизации и т.п.). 4 Существуют различные виды проектирования, в том числе: • инженерное проектирование - проектирование инженерных систем (электросетей, газопроводов и т.п.); • промышленное проектирование (промышленных объектов); • техническое проектирование (технических систем и устройств); • проектирование программных средств и информационных систем; • другие виды проектирования. Ниже основное внимание уделяется вопросам проектирования технических систем, к которым относятся, в том числе, вычислительные системы, комплексы и компьютерные сети. 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). Прототип (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 5 записки, сметы, калькуляции и описания. При разработке новых технических систем проводятся научно- исследовательские работы, связанные с разработкой новых и обоснованием предлагаемых технических решений. 3. Основные этапы проектирование технических систем Проектирование технических систем включает в себя следующие этапы: 1) разработка технического задания; 2) предварительное проектирование; 3) эскизное проектирование; 4) техническое проектирование. Рассмотрим кратко содержание этих этапов. 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. 6 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. Этап предварительного проектирования Предварительное проектирование проводится в рамках научно- исследовательской работы (НИР). Остальные этапы относятся к опытно- конструкторской разработке (ОКР). 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; 7 • в случае синтеза оптимального варианта на основе математического моделирования - выбор метода проектирования, включая разработку математической модели и формулирование задачи оптимизации. Эскизное проектирование На этапе эскизного проектирования выбирается окончательный вариант разрабатываемой системы, оформляемый в виде эскизного проекта, в который входят: 1. пояснительная записка, включающая, в частности, описание методов исследований, результаты математического (если необходимо, то и физического) моделирования и выполненных расчётов; 2. эскизная техническая документация на спроектированную систему; 3. 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 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. 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.). 8 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: 1. определение, к какому классу систем относится проектируемая система и построение обобщенной модели систем такого класса; 2. сравнительный анализ свойств разных систем такого класса и выявление их достоинств и недостатков; 3. разработка новых вариантов построения системы; 4. 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: 5. разработка технической системы с требуемыми новыми свойствами на основе комбинаций известных решений; 6. поиск нужных идей на основе ассоциаций в окружающем мире, включая живой, т.е. использование решений, существующих в других сферах; 7. 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. 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 9 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. 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. |