модели оптимизации смеси волокон
advertisement
Методика разработки новых технических систем Методические указания к дисциплинам "Основы инженерного творчества", " История, философия и методология техники ", "Проблемы современной науки в области текстильной и легкой промышленности" для студентов всех форм обучения специальности 280300, для магистров по направлениям 551200, 553900 Составитель Б. С. Михайлов Федеральное агентство по образованию ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИИ И ДИЗАЙНА" Кафедра технологии прядения и нетканых материалов Методика разработки новых технических систем Методические указания к дисциплинам "Основы инженерного творчества", "История и методология техники", "Проблемы современной науки в области текстильной и легкой промышленности" для студентов всех форм обучения специальности 280300, для магистров по направлениям 551200, 553900 Составитель Б. С. Михайлов Санкт-Петербург 2005 УТВЕРЖДЕНО на заседании кафедры "01" сентября 2005г., протокол № 1 Рецензент Л. М. Аснис Подписано в печать 17.11.05. Формат 60х84 1/16. Печать трафаретная. Усл. печ. л.0,7. Тираж 100 экз. Заказ Отпечатано в типографии СПГУТД 191028, Санкт-Петербург, ул. Моховая, 26 Современный человек с рождения попадает в мир техники, пользуется ею в быту, работает с ней на производстве, на его глазах растет "царство" машин, все новые технологии и материалы появляются во всех сферах общественной практики. Вследствие постоянного обновления техники неуклонно растет потребность в новых технических системах, обеспечивающих рост показателей их эффективности. Иначе они будут неконкурентоспособны, а их внедрение нерентабельно. Одним из важнейших разделов теории проектирования новой техники является разработка системы методов, обеспечивающих создание конкурентоспособной техники. В методических указаниях излагаются некоторые из современных методов проектирования новых технических систем (ТС), а именно: методология системного иерархического выбора конкурентоспособных решений, предложенная проф. А. И. Половинкиным [1, с. 67–72], и методика инженерного проектирования, развиваемая в Московском энергетическом институте [2]. 1. Методология системного иерархического выбора конкурентоспособных решений Данную методологию рекомендуется использовать в первую очередь при разработке новых поколений техники, а также при прогнозировании облика будущих поколений. Методологию можно использовать при разработке отдельных машин и технических систем (ТС), систем машин и комплексов ТС, состоящих из функционально взаимосвязанных машин, аппаратов, приборов, ручных орудий и т. п. Далее как отдельную ТС, так и комплекс ТС для краткости будем называть изделием. По существу методология системного иерархического выбора отражает естественный процесс разработки новых изделий, когда ставится задача удовлетворения этими изделиями какой-либо актуальной потребности при условии их конкурентоспособности на свободном международном рынке. Этот естественный процесс имеет шесть уровней (этапов) выбора и принятия решений при разработке новых изделий (рис. 1): - выбор удовлетворяемой потребности; - определение оптимальных потребительских качеств изделия; - выбор функциональной структуры изделия; - выбор принципа действия; - выбор технического решения; - определение оптимальных параметров изделия. 3 Первый этап (уровень) – выбор удовлетворяемой потребности П1 … Пi … Пk Второй этап (уровень) - определение оптимальных потребительских качеств ПК1 … ПКj … ПКl Третий этап (уровень) – выбор функциональной структуры ФС1 … ФCi … ФСm Четвертый этап (уровень) – выбор принципа действия ПD1 … ПDj … ПDn Пятый этап (уровень) – выбор технического решения ТР1 … ТРi … ТРs Шестой этап (уровень) – определение оптимальных параметров Х1 … Хj … Хt Рис. 1. Системный иерархический выбор конкурентоспособных конструкторских решений Рассмотрим первый уровень – выбор удовлетворяемой потребности. На этом этапе должен быть получен ответ на вопрос: "Какую потребность должно удовлетворять новое изделие и сколько примерно будет потребителей этого изделия?" При этом возможны три ситуации: - первая (наиболее распространенная) – предприятие принимает решение продолжить удовлетворение прежней потребности путем производства новых улучшенных моделей или модификаций уже выпускаемых изделий; - вторая ситуация – предприятие решает начать удовлетворение другой известной актуальной потребности путем выпуска известных на рынке изделий в целях получения более высокой прибыли по сравнению с первой ситуацией; - третья ситуация (наиболее редкая) – предприятие планирует удовлетворение принципиально новой потребности путем выпуска новых изделий, которых вообще нет на рынке. В первых двух ситуациях происходит как бы воспроизводство известных потребностей. Третья ситуация имеет принципиальное отличие, поскольку она связана с поиском (выявлением или изобретением) новой 4 потребности, что представляет собой наиболее высокий уровень социально-экономического и научно-технического творчества. Так, например, созданию и производству персональных ЭВМ предшествовали выявление и изобретение новой потребности. На первом этапе предприятие должно из многих альтернатив выбрать единственную потребность, которая позволит при имеющихся ресурсных и технологических возможностях получить максимальную прибыль. Второй уровень – определение оптимальных потребительских качеств изделия. На втором этапе для качественно сформулированной (на первом этапе) потребности проводится выбор количественных оптимальных характеристик потребности (назначение изделия) и других потребительских качеств – критериев эффективности изделия (надежности, экономических, стоимостных, эргономических, эстетических, экологических и других показателей). Пользователи и покупатели в первую очередь изучают и сравнивают показатели потребительских качеств; именно эти показатели обеспечивают конкурентоспособность изделия на рынке. Поэтому ошибки на втором этапе могут оказаться роковыми для предприятия. Третий уровень – выбор функциональной структуры изделия. На этом этапе для заданной потребности, т. е. функции изделия, и множества альтернатив выбирают набор подфункций и взаимосвязей между ними, которые позволяют наиболее рационально реализовывать потребность с учетом необходимых потребительских качеств и оптимального разделения функций между человеческой и технической системами. Четвертый уровень – выбор принципа действия изделия. Если на третьем этапе задача решается на абстрактном функциональном уровне, то на четвертом этапе – на чисто физическом уровне. При этом для выбранной функциональной структуры ищут и обосновывают наиболее эффективный принцип действия из всех возможных и допустимых физических, химических и биологических принципов действия. Особое внимание уделяется последним научным достижениям в виде новейших физических, химических и биологических эффектов. Одновременно с выбором принципа действия в первом приближении формируется список технико-экономических требований (ТЭТ), которому должно удовлетворять разрабатываемое изделие. Список ТЭТ наряду с показателями потребительского качества включает показатели технологичности изготовления, стандартизации и унификации, патентно-правовые показатели, обобщенные показатели эффективности. Пятый уровень – выбор технического решения. На этом этапе проводится эскизная конструкторская разработка принятого принципа действия, которая связана с выбором комплектующих изделий, разработкой новых конструктивных элементов, выбором их формы и материала, компоновкой изделия в целом и т. п. При этом должно быть выбрано наиболее 5 рациональное техническое решение из практически бесконечного множества возможных альтернатив с учетом последних достижений техники и технологии. Поскольку на этом этапе происходит более углубленная и детальная разработка изделия, то появляется возможность уточнения и расширения показателей потребительского качества и всего списка ТЭТ. Шестой уровень – определение оптимальных параметров изделия. Выбранное техническое решение может иметь различные параметры и размеры. В связи с этим среди большого множества возможных комбинаций допустимых параметров существуют так называемые оптимальные параметры, при которых потребительские качества изделия имеют существенно лучшее значение. Цель шестого этапа – найти такие параметры. После решения этой задачи также имеет смысл еще раз уточнить список ТЭТ и, кроме того, вообще оценить результаты работы по всем этапам, сравнивая технический уровень изделия с аналогами в других странах. Следует заметить, что при осуществлении выбора на каждом этапе (уровне) среди альтернативного множества вариантов обязательно должны присутствовать варианты, относящиеся к лучшим мировым образцам и конкурентоспособным образцам на интересующем рынке сбыта. Рассмотрим изложенные этапы выбора с точки зрения технологии проектирования и разработки новых изделий. Первый и второй этапы часто относят к внешнему проектированию изделий или маркетингу, а третий, четвертый, пятый и шестой – к внутреннему проектированию. В целом, методология системного иерархического выбора в виде шести этапов имеет отношение к двум начальным стадиям проектирования изделий: разработке и обоснованию технического задания и технического предложения (эскизного проекта). Однако третий, четвертый, пятый и шестой этапы могут быть использованы и на стадии разработки технического проекта, когда ведется внутреннее проектирование (выбор и обоснование конструкторско-технологических решений агрегатов, блоков и узлов изделий). Главное достоинство методологии системного иерархического выбора решений заключается в том, что она является той системной методической основой, которая открывает возможности и гарантирует разработку изделий, конкурентоспособных на международном рынке при выполнении следующих условий. Если разработчик на каждом уровне выбора решения (рис. 1) будет иметь достаточно полное информационное обеспечение для синтеза и просмотра всего множества возможных альтернатив и эффективные методы выбора глобально оптимальных решений, то получаемые при этом конструкторско-технологические решения трудно превзойти конкурентам. 6 Эффективность решения задач от шестого до первого уровней возрастает. Так, на шестом уровне принятия решений может быть получено улучшение потребительских качеств и технико-экономических показателей изделия на 10–30 %, на пятом уровне – на 30–50 %, а иногда в несколько раз, на третьем – четвертом уровнях показатели часто улучшаются в несколько раз, а иногда на порядок и более; от принятых на первом– втором уровнях прибыль может изменяться в несколько раз или на несколько порядков, или вообще принятое решение может обернуться значительными убытками и разорением предприятия. Таким образом, от шестого до первого уровней сильно повышается роль задач принятия решений. Поэтому при всегда ограниченных временных и других ресурсах нужно наибольшие затраты производить на первых этапах. Такой стратегии придерживаются фирмы технически развитых стран. Наши предприятия ранее, наоборот, большую часть ресурсов зачастую отдавали последним этапам и часто вообще не прорабатывали первые два уровня. В этом заключалась одна из главных причин неконкурентоспособности нашей продукции. Следует отметить, что разделение процесса принятия решений на этапы 3, 4, 5 довольно условно, поскольку поиск и выбор функциональной структуры на третьем уровне часто происходят одновременно с представлением этой структуры в виде хотя бы одного допустимого варианта принципа действия или технического решения. Также и поиск принципа действия на четвертом уровне часто сопровождается эскизным представлением технического решения. Несмотря на такие локальные спуски на нижележащие уровни, разделение на предлагаемые уровни (этапы) оправдывается тем, что на каждом уровне делается попытка формирования и рассмотрения всего множества интересных допустимых функциональных структур или принципов действия, или технических решений, чтобы не упустить какую-либо возможность. Отметим также, что рассматриваемая методология основывается на некоторых законах развития техники [1], [3]: - закономерностях возникновения и развития потребностей; - законе прогрессивной эволюции техники; - законе стадийного развития техники; - законе соответствия между функциями и структурой технической системы (ТС). 2. Методика инженерного проектирования 2.1. Структура инженерного проектирования Разработанная в МЭИ структура инженерного проектирования (ИП) изображена на рис. 2 [2, с. 12–19]. 7 Процесс ИП представлен как совокупность целенаправленных действий – процедур (П1 – П8). Эти действия переводят объект ИП из одного состояния в другое (С1 – С6). Состояние – это "срез" системных представлений проектировщика с точки зрения целей данного этапа его деятельности. До начала ИП (состояние С1) должно быть концептуально осознано и проанализировано "дерево потребностей" в новом объекте и желаемом его отличии от старого (если таковой имеется). Чтобы получить количественное сопоставление вариантов проекта, необходимо перевести концептуальные требования к объекту в количественную форму – сформулировать техническое задание (ТЗ) – состояние С2. Опытные разработчики считают, что хорошее ТЗ предопределяет 60 % успеха. Намерение инженера создать конкурентоспособные изделия должно быть отражено прежде всего в ТЗ. На рис. 2 С2 – компоненты ТЗ. Для совершенствования объекта ключевую роль играют показатели качества (ПК). Их выбор является ядром постановки задачи создания объекта, выполняющего заданные функции наилучшим образом, с минимальными отрицательными последствиями и наименьшими затратами. Принципиально, что ИП любого объекта требует учета многих ПК. Сокращение числа ПК и перевод их части в условия и / или ограничения – вынужденная мера. Это делается для упрощения моделей и облегчения процедуры оптимизации. Уменьшение числа ПК, как правило, отрицательно сказывается на качестве результата ИП. Поэтому выбор состава ПК, вводимых в ТЗ, – одна из важнейших концептуальных задач инженера. Следующая частичная цель ИП – творческая. Это – подбор, генерация, изобретение максимального числа вариантов обликов объекта: идей, схем, видов конструкции (С3). Чтобы получить возможность задействовать мощь физикоматематического аппарата, инженер должен описать все облики моделями (С4). Назначение моделей – связать конструктивные (внутренние) параметры объекта с ПК и другими параметрами ТЗ. Состояния С3 и С4 – наиболее емкие состояния объекта. В выборе их объема скрыто одно из противоречий ИП – это противоречие между вероятностью найти решение желаемого уровня качества и требующимися для поиска материалами, трудовыми и временными ресурсами. 8 Рис. 2. Структура инженерного проектирования 9 Цель следующего этапа – резко сократить область поиска. Способ простой – убрать все лишнее, "худшие" решения, как облики, так и сочетания параметров. В состоянии С5 сохраняется некоторый набор так называемых несравнимых обликов, и каждый представлен множеством нехудших решений (Мнх). Единственное решение в состоянии С5 – редкое исключение. Достижение частичных проектных целей – перевод объекта из одного состояния в другое – осуществляется действиями, называемыми процедурами ИП. Последовательности процедур составляют стратегии ИП. Прямые процедуры (П1 – П5) образуют линейную стратегию, но это, как правило, худшая стратегия. Лучшие результаты и за более короткое время можно получить с помощью циклических итерационных и разветвленных стратегий, включающих "обратные" процедуры (П6 – П8). Формулировка ТЗ (П1) – ответственный этап проекта. Главный "инструмент" инженера в этой процедуре – собственное концептуальное мышление. Процедура П2 – эвристическая, изобретательская. Главные "инструменты" при этом – изобретательность, воображение и интуиция инженера. Может помочь, особенно начинающему проектировщику, и ЭВМ (П2М), если в системе имеются банки физических явлений, схем, структур конструкций, ранее выполненных проектов и их элементов. Безусловно, эта информация должна быть классифицирована и разумно организована. ЭВМ может помочь и в организации процедуры поиска новых решений – рекомендовать последовательность приемов, задавать наводящие вопросы, предлагать проверить условия, уточнить ограничения и т. д. Процедура П3 – описание обликов на языке моделей – наиболее формализованная. В ней многое может сделать ЭВМ (П3М). Однако вместе с аналитическим здесь требуется и концептуальное мышление человека для выбора способа описания, отбора важных факторов и процессов, обоснования возможностей упрощения модели. Цель процедур П4 и П4М – резкое сокращение множества вариантов. Идеально – до одного, но мир не так прост! Если число ПК в С2 больше одного, то с помощью формальных методов оптимизации можно отобрать только нехудшее множество С5. В сложных задачах поиск нехудших решений требует эвристической организации процесса и интуитивного определения направлений поиска. Заключительная процедура П5 – выбор из множества нехудших С5 одного или конечного ряда решений С6. Особенность ее состояний в невозможности формально использовать требования ТЗ (все они уже использованы в П4). Главный "инструмент" – способность человека принимать решения. 10 При этом проектировщик должен учитывать эстетические аспекты, требования экологии и безопасности, "вкус" потребителя и многое другое. Здесь срабатывает вся общечеловеческая и техническая культура инженера, его понимание смысла жизни и принятый им модус бытия. Заметим, что форма области нехудших решений дает объективную информацию о целесообразности выпуска одного типа изделия или ряда типов изделий. Но решения принимает человек, и он должен нести ответственность за них даже тогда, когда ему существенно помогает ЭВМ. Итеративные стратегии – с возвратом через "обратные" процедуры (П6 – П8) – служат для проверки, улучшения результатов, смены и уточнения пути поиска (если нужный результат не достигнут с предыдущей попытки). Они эффективнее прямых, но и сложнее их. Если результат не выдержал испытания в П6, то процесс возвращается к П4 (когда есть надежда улучшить результат с помощью одного из обликов множества С3) или к П2 (когда желательны новые облики) или даже к П1 (в целях коррекции ТЗ). Повышение качества решений в ИП почти всегда "наталкивается" на ситуацию, когда попытки улучшить тот или иной ПК вызывают ухудшение других ПК либо блокируются условиями и / или ограничениями задания. Назовем такую ситуацию техническим противоречием (ТП). Количественно совокупность ТП объекта характеризуется формой области нехудших решений в пространстве ПК. ТП могут быть слабыми и сильными, устранимыми (путем принятия компромиссов) и неустранимыми. Характер "клубка" ТП – это "портрет" проектной ситуации, скрывающей проектируемый объект. Для инженера наиболее важно то, что ТП, как правило, определяются обликом объекта. Меняя облики, можно целенаправленно влиять на характер ТП и находить, таким образом, пути движения вперед. Это – одна из ключевых закономерностей развития объектов ИП. Мы полностью согласны с Г. С. Альтшуллером, одним из первых показавшим, что изобретения предназначены именно для разрешения противоречий. Процедуры П7 и П8 являются ключевыми в технологии совершенствования объекта проектирования. Особое значение они имеют на этапе предпроектных исследований. 2.2. Интеграция системы знаний, системы умений и творческих способностей в инженерное творчество Описанная в предыдущем разделе и основанная на профессиональных приемах структура предоставляет инженеру свободу творческого самовыражения практически в каждой процедуре. 1. Еще до П1 (рис. 2) необходимо творчество в выборе или генерации новых потребностей и функций объекта. 11 2 В П1 очень важно разделить требования в ПК, условия и ограничения. Это разделение всегда неоднозначно, и здесь существенно влияет система ценностей и предпочтений автора проекта. 3. О творческом характере П2 можно было бы и не говорить, но если генерация нового облика происходит после П8, то творчество приобретает новое качество – оно опирается на все, что можно физически описать и математически рассчитать. 4. В П3 творчество инженера состоит в выборе модели, правильнее сказать - совокупности моделей. Опыт показывает, что, как правило, требуется, как минимум, три вида моделей: - самые быстродействующие (но возможно, не очень точные) для предварительного обзора пространства ПК и выявления характера области нехудших решений в П4; - более точные (но, возможно, требующие большего времени счета) для определения области Мнх и выбора решения в П5; - наиболее точные (хотя и медленно считающие) для проверки в П6 одного или нескольких вариантов, выбранных в П5. 5. Процедура П4 в простых ситуациях может быть полностью формализована. Но если число ПК в П1 выбрано достаточно большим, а модели в П3 достаточно сложны, то без опыта и творческой интуиции проектировщика не обойтись. 6. В П7 творчество инженера выступает в весьма своеобразном виде. Здесь требуется определенная смекалка и развитое образное и ассоциативное мышление, чтобы по форме и характеру многомерной области Мнх выбрать направление поиска нового облика с тем, чтобы в П8 его реализовать. Назовем еще некоторые свойства описанной структуры: 1. Чрезвычайно важно, что "образы качества" разных обликов, удовлетворяющих принятую потребность, можно сравнивать друг с другом, так как ТР с различными обликами не только описываются разными уравнениями, но и в разных множествах параметров. 2. Инженер получает объективный количественный критерий полезности изобретательского предложения: новый облик полезен, если он имеет лучший образ качества. Изобретатель оказывается более заинтересован в проведении процедур многокритериального усечения. Получение образов качества, требующее большого объема вычислительных и оптимизационных операций, - вот естественное применение быстродействующих вычислительных средств. Сопоставление образов различных обликов и выбор направлений поиска новых обликов – дело человека. 12 3. Еще одна область проявления творчества и индивидуальности личности инженера связана с тем, что после П4, как правило, получается не одно ТР, а целое множество их. Возможность (и необходимость) выбора одного или нескольких ТР и Мнх в П5 придает методологии ИП минимум три принципиально новых качества: a) выбор – это тоже творчество (без свободы выбора нет творчества). Но здесь выбор необычный. Он производится после формализации, моделирования и оптимизации. При выборе в П5 требуется творчество качественно нового уровня; b) так как формализованные ПК уже учтены в П1, то инженеру в П5 необходимы гуманистические, экологические и эстетические задания и знания проектировщика. Именно подготовка к принятию решения о выборе в П5 более всего требует гуманизации образования; c) если объект проектирования (ОП) удовлетворяет потребности человека не сам по себе, а в системе с другими объектами, то появляется возможность облегчения выбора в Мнх. Дело в том, что системные связи ОП в надсистеме могут связать его ПК с ПК других частей системы и друг с другом через глобальные целевые функции системы. Оптимизация этих функций потребует выполнения определенных соотношений между ПК, а эти соотношения, в свою очередь, уменьшат число степеней свободы выбора. Таким образом, многокритериальная постановка задачи проектирования естественно интегрирует изобретательство с системным подходом, физическим анализом и математической оптимизацией. Результат этой интеграции правильнее назвать инженерным творчеством. 13 Библиографический список 1. Половинкин, А. И. Теория проектирования новой техники: закономерности техники и их применение / А. И. Половинкин. - М.: Информэлектро, 1991. 2. Взятышев, В. Ф. Инженерное проектирование и творческие способности / В. Ф. Взятышев //Научные достижения и передовой опыт в области высшего образования. Информационный сборник. М.: НИИ проблем высшей школы, 1992 - Вып. 11. 3.Михайлов, Б. С. Основные принципы и законы развития техники / Б. С. Михайлов. - СПб.: СПГУТД, 2005. 14
