Оргероектирование на предприятии

В настоящее  время известно множество методов, как универсальных, так и предназначенных  для решения узкого круга задач. 

Основные  группы методов 

В процессе проектирования вид разрабатываемой  системы (устройства, процесса, явления  и т. д.) проходит развитие от первоначально нечётких словесных описаний, приведённых в техническом задании, до детальных чертежей и опытных образцов. Этот процесс сопровождается решением отдельных взаимосвязанных задач, применением тех или иных моделей.

 В  зависимости от объёма и вида сведений о решаемой задаче методы можно подразделить на эвристические, экспериментальные и формализованные. 

Эвристические методы оперируют понятиями и  категориями (абстрактными, отвлеченными, конкретными). Формализованные —  конкретными параметрами или их группами. Экспериментальные — физическими объектами и их характеристиками. 

Обычно задачи с полностью формализованным  решением перестают интересовать человека, их относят к разряду рутинных. 

Поскольку экспериментальные  и формализованные методы используются человеком, то в них в той или иной степени присутствует элемент эвристики. Человек может как усиливать эффективность решения благодаря творческому началу, так и вносить ошибки и искажать результаты (осознанно или неосознанно) в силу субъективности. Совместное использование в процессе проектирования формализованных и эвристических методов называют эвроритмом.

[править]

Эвристические методы 

Эвристические методы основаны на подсознательном  мышлении, не допускают алгоритмизации и характеризуются неосознанным (интуитивным) способом действий для достижения осознанных целей. Эвристические методы ещё называют методами инженерного (изобретательного) творчества. 

Сейчас практически  во всех преуспевающих фирмах, занятых  созданием материальной и нематериальной (программы, методики) продукции, поиск новых идей и решений ведется с помощью тех или иных эвристических методов. А для современного инженера знание этих методов становится столь же необходимым, как и умение писать и читать. Даже журналисты, художники, бизнесмены и представители других профессий, кто остро нуждается в оригинальных идеях, активно используют такие методы. 

Эвристические методы медленно, но постоянно совершенствуются и развиваются: от общих рекомендаций — к последовательности действий, далее — к алгоритмизованным методам и, наконец, к созданию искусственного интеллекта. 

Краткое описание основных групп эвристических методов  и наиболее характерных их представителей.

Метод итераций (последовательного приближения) 

Процесс проектирования ведется в условиях информационного дефицита, который проявляется в следующем:

невозможность заранее точно указать условия  работы проектируемого объекта, не зная его конкретного вида и устройства (исходные данные зависят от вида конечного  решения);

выявление в  процессе проектирования противоречивых исходных данных, то есть невозможность достижения технического решения при первоначально предложенных данных, оказавшихся взаимоисключающими;

появление в  процессе проектирования необходимости  учета дополнительных условий и  ограничений, которые ранее считались несущественными;

перераспределение по степени важности показателей  качества, так как может выясниться, что показатель, ранее считавшийся  второстепенным, очень важен (и наоборот). 

Такая неопределенность устраняется посредством выполнения итерационных процедур:

первоначально задача решается при предположительных  значениях исходных данных и ограниченном числе учитываемых факторов (первый цикл итераций, так называемое «первое  приближение»);

далее возвращаемся в начало задачи и повторяем её решение, но уже с уточненными значениями исходных данных и перечнем факторов, найденными на предыдущем этапе (второй цикл итераций, «второе приближение»).

и т. д. 

Число циклов итераций зависит от степени неопределенности начальной постановки задачи, её сложности, опыта и квалификации проектировщика, требуемой точности решения. В процессе приближений возможно не только уточнение, но и отказ от первоначальных предположений. 

Если хотят  подчеркнуть, что первоначальное решение  задачи выполнялось в условиях полной или большой неопределенности, первый цикл итераций называют «нулевым приближением». 

Хотя итерационный метод решения задачи часто связан с большими затратами времени  и средств (и чем больше циклов итераций, тем больше затраты), ещё  ни одна техническая система (а также законопроект, книга и т. д.) не была создана с первого раза. С другой стороны, желательно не увлекаться итерациями при выполнении дорогих или продолжительных проектных работ. 

Итерационный  подход широко применяется в конструировании. Например, при разработке эскиза узла сначала детали и их расположение показывают предположительно, а затем анализируют получившееся изображение и вносят в него необходимые изменения (согласовываются формы и расположение поверхностей деталей, проверяется нормальное функционирование, увязывается с требованиями стандартов). 

В частном случае, когда нет никаких предположений  по решению задачи, метод последовательных приближений можно сформулировать в виде совета:

Если не известно, что и как делать (нет идей, данных, определенности и т. п.), возьмите в качестве исходного решения любое известное (идею, схему, данные,…) или предположите какое-нибудь (но желательно разумное) решение задачи. Проанализировав выбранное решение на соответствие условиям задачи, станет видно, что вас в нём не устраивает и в каком направлении его надо улучшать.

[править]

Метод декомпозиции

Любую исследуемую  систему можно рассматривать  как сложную, состоящую из отдельных  взаимосвязанных подсистем, которые, в свою очередь, также могут быть расчленены на части. Такой процесс расчленения системы называется декомпозицией. В качестве систем могут выступать не только материальные объекты, но и процессы, явления и понятия.

Метод декомпозиции позволяет разложить сложную  задачу на ряд простых, но взаимосвязанных задач, представить её в виде иерархической структуры. 

Упрощенное графическое  представление иерархической структуры  может быть изображено в виде ветвящейся блок-схемы, на подобие представленной на рисунке.

 Здесь на  нулевом уровне располагается исходная система С1 , на следующих уровнях — её подсистемы (число уровней и количество подсистем, показанных на рисунке, выбрано произвольно). С целью получения более полного представления о системе и её связях в структуру включают надсистему и составляющие её части (системы нулевого уровня, например, вторая система С2). 

В процессе проектирования декомпозиция неразрывно связана с  последующей композицией, то есть сборкой  и увязкой отдельных частей (подсистем) в единую систему с проверкой  на реализуемость в целом, совместимость (особенно подсистем, принадлежащих разным ветвям) и согласованность параметров (восходящее проектирование). В процессе согласования может возникать потребность в новой, корректирующей декомпозиции. 

Методы декомпозиции и последовательных приближений очень распространены, причем часто те, кто применяет их, даже не воспринимают их как методы. Очень эффективным является совместное использование этих методов. 

Метод контрольных  вопросов 

Суть метода контрольных вопросов заключается в ответе на специально подобранные по содержанию и определенным образом расставленные наводящие вопросы.

 Вдумчиво  и, по возможности, полно отвечая  на них, фиксируя основные положения  ответов, например, на бумаге в  виде ключевых слов, схем и  эскизов, удается всесторонне представить решаемую задачу, отыскать новые пути её решения.

 Контрольные  вопросы, с одной стороны, подобны  консультанту, в ненавязчивой форме  предлагающему попробовать те  или иные подходы и пути  решения проблемы, а с другой  стороны, позволяют спокойно и не спеша поразмышлять в одиночестве. В составлении и группировании вопросов участвуют и психологи. 

Метод контрольных  вопросов широко применяется в процессе обучения как способ развития мышления. Этот метод служит основой для  ведения диалога с компьютером при работе с интеллектуальными программными комплексами: здесь сочетается использование обширной информационной базы и иерархического представления множества вопросов.

 Например, при  анализе известного решения с  целью его улучшения рекомендуют задавать себе следующие вопросы:

Почему так  или такое? А как ещё иначе? (применительно к назначению узлов  и деталей, их частей и форм, к  последовательности выполнения действий и т. д.).

Зачем это нужно?

Что произойдет, если этого не будет?

И другие. 

Метод мозговой атаки (штурма) 

Многие согласятся с тем, что легче выбрать хорошее  решение из нескольких вариантов, чем  сразу предложить требуемое решение. Естественно, чем больше вариантов, тем лучшее решение можно найти. Для отыскания большого количества идей в сжатые сроки и предназначен метод мозговой атаки (или, как его ещё называют, мозгового штурма). 

Метод основан  на коллективном обсуждении проблемы в психологически комфортной обстановке. Он направлен на преодоление психологической  инерции. Отличается простотой и эффективностью.

 Метод применяется  не только для поиска путей  решения задачи, но и уточнения  её формулировки, выявления возможных  недостатков или побочных эффектов (так называемый метод обратной  мозговой атаки).

Например, какими недостатками обладает освещение в комнате? — Мигает, создает тень,… .

Метод синектики 

На основе метода мозговой атаки разработан ряд других методов, среди которых наиболее известен метод синектики. Его существенной чертой является значительное задействование возможностей подсознания. 

В условиях применения метода синектики избегают преждевременной  четкой формулировки проблемы (творческой задачи), так как это нейтрализует дальнейший поиск решения. Обсуждение начинают не с самой задачи (проблемы), а с анализа некоторых общих признаков, которые как бы вводят в ситуацию постановки проблемы, неоднократно уточняя ее смысл. Активно применяют прямую, личную, фантастическую и символическую аналогии. 

Теория  решения изобретательских задач (ТРИЗ) 

На основе анализа  собственного опыта и многочисленных патентов Г. С. Альтшуллер предложил метод под названием «алгоритм решения изобретательских задач» (АРИЗ, в котором слово «алгоритм» означало «четкая программа действий»). Позднее на его основе был создан более совершенный метод — Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ). 

Этот метод  предназначен для выявления истинных причин (противоречий), мешающих совершенствованию  технической системы, и выбора эффективного средства для их преодоления.

 ТРИЗ предлагает  систему типовых приемов для устранения противоречий: в процессе решения задачи последовательно просматривают все приемы, пытаясь реализовать предлагаемый совет либо на его основе развить решение.

 Применение  данных приёмов во время сеанса  мозговой атаки существенно повышает  её эффективность. 

Метод морфологического анализа 

Метод морфологического анализа предназначен для существенного  расширения области поиска возможных  решений задачи. Он основан на подборе  возможных вариантов решений  для отдельных частей задачи (так  называемых морфологических признаков, характеризующих устройство) и последующем систематизированном получении их сочетаний (комбинировании). 

Это — первый метод, специально созданный для  решения эвристических задач. Употребляются  также другие названия этого метода: метод морфологического ящика, метод морфологических карт. Морфологический анализ удобнее и нагляднее проводить с применением морфологических таблиц. 

Формальное комбинирование вариантов создает впечатление  автоматизма в применении метода. Однако его эвристическая природа весьма существенна и зависит от следующих субъективных факторов:

интуитивное выделение  узлов и их признаков, состава  вариантов. Отсутствие уверенности, что  учтены все (и особенно, перспективные) узлы и варианты;

конкретное решение  является следствием анализа просматриваемых комбинаций, возникновения продуктивных ассоциаций и образов. 

Функционально-стоимостной  анализ 

Основное назначение функционально-стоимостного анализа (ФСА) — добиться максимального снижения стоимости изделия за счет совершенствования его конструкции и технологии изготовления. Широко применяется для повышения конкурентоспособности выпускаемых изделий 

Известно, что  потребитель изделия оплачивает (с его точки зрения) стоимость  удовлетворения своих потребностей, то есть выполнения потребных функций. ФСА, основываясь на выявлении всех функций исследуемого объекта и соотнесении их с его элементами (деталями, узлами, сборочными единицами), нацелен на минимизацию полной стоимости выполнения этих функций. Для этого необходимо знать функциональную структуру объекта, стоимость отдельных функций и их значимость. 

Метод применяется  к уже известным объектам —  подлежащим улучшению технической  системе, технологическому процессу. Решение  задачи методом ФСА конкретно  и зависит от конкретных условий производства и применения исследуемого изделия. 

Методы  конструирования 

Приведенные выше эвристические методы позволяют  найти оригинальные или неожиданные  идею, техническое решение, образ  объекта. Однако на практике такое требуется  примерно в 10 % решаемых задач, когда важны существенные прорыв в новое или отрыв от конкурентов. Чаще необходимо усовершенствовать уже известное решение. Это объясняется тем, что инженерное решение всегда должно увязываться с его практической реализуемостью, с возможностью «воплощения в металле», то есть быть, прежде всего, технологичным, экономичным и не требовать длительных по времени работ. А потому новое решение обычно получают путем постепенного внесения малых изменений в прежнюю, уже существующую конструкцию, используя разные методы и подходы, условно называемые методами конструирования. 

К методам конструирования  относятся методы на основе преемственности, унификации, агрегатирования, модификации, стандартизации, инверсии и другие. По своему характеру эти методы являются эвристическими. 

Конструктивная  преемственность — это постепенное  совершенствование конструкции  путем введения в нее отдельных  новых или дополнительных деталей, узлов, агрегатов взамен морально устаревших и неудовлетворяющих современным  требованиям, либо с целью изменения прежних характеристик изделия. Метод основан на совершенствовании уже существующей конструкции. Он включает следующие этапы:

составление списка новых требований к конструкции  и его анализ,

выявление в  конструкции частей, препятствующих удовлетворению этих требований,

поиск путей  по усовершенствованию данных частей или поиск вариантов для их замены. 

Метод широко использует основные эвристические методы. Так, для поиска слабых мест в конструкции  эффективно применять метод иерархической декомпозиции, расчленяя изделие на как можно более простые или элементарные части и отыскивая те, с которыми связана неудовлетворительная работа всего изделия. Чем элементарнее будет заменяемая часть, тем проще и быстрее будет создана более совершенная конструкция: меньше времени уйдет на разработку, не понадобится существенно переналаживать технологический процесс. При этом необходимо выполнять проверку на состыковку новой части с остальными частями изделия (по геометрическим размерам и формам сопрягаемых поверхностей, усилиям взаимодействия и передаваемой мощности и другим входным и выходным параметрам) и обращать внимание на то, чтобы согласование размеров, создание специальных условий и т. д. не усложняло технологию изготовления и сборки соседних взаимодействующих частей. 

Метод стандартизации — создание конструкции и её последующее  совершенствование на основе применения стандартных деталей и узлов, элементов со стандартными параметрами. Это позволяет, не смотря на сложность  стандартных элементов, использовать уже разработанную техническую документацию и, возможно, покупные части (например, асинхронный электродвигатель, подшипник качения), применять типовые технологические операции и оборудование, упрощает обслуживание и ремонт. 

Метод унификации — устранения излишнего многообразия посредством сокращения перечня допустимых элементов и решений, приведения их к однотипности, многократное применение в конструкции одних и тех же деталей, узлов, форм поверхностей. Унификация позволяет повысить серийность операций и выпуска изделий и, как следствие, удешевить производство, сократить время на его подготовку. 

Метод базового агрегата — выпуск разнообразных  изделий, объединенных наличием у них  общей, базовой части (агрегата). Обычно таким агрегатом является наиболее сложная часть будущих изделий. Разработка базового агрегата ведется  с таким учетом, чтобы, присоединяя к нему дополнительные части, можно было достаточно просто и быстро создавать изделия с измененными внешним видом, числом выполняемых функций, характеристиками. Метод базируется на унификации форм и параметров состыковочных поверхностей, согласованности величин мощности и основных входных и выходных параметров. 

Метод агрегатирования  — создание изделия путем сочленения унифицированных агрегатов, устанавливаемых  в различном сочетании на общем  основании. Для удобства сочленения комбинируемые агрегаты обладают полной взаимозаменяемостью по эксплуатационным показателям и присоединительным размерам. 

Метод модификации  — переделка изделия с целью  его приспособления к новым требования, условиям работы, технологическому процессу (способу изготовления и сборки) без изменения в нем наиболее дорогих и ответственных частей. Часто основывается на замене материалов или изменении их механических или химических свойств, либо замене одних частей на другие. 

Метод инверсии — создание новой конструкции  на основе изменения функций, форм или положения частей существующего изделия. Например, пружину растяжения заменить пружиной сжатия, выпуклую поверхность сделать вогнутой. 

Экспериментальные методы 

Экспериментальные методы основаны на использовании реальных объектов и физических (химических, социальных и т. д.) моделей. Несмотря на сложность, только они позволяют получить наиболее достоверные и надежные исходные данные и результаты решений, служат основой для разработки других методов и моделей. Однако степень объективности результатов исследований зависит от грамотности постановки и проведения эксперимента и обработки его результатов.

Цели  и виды экспериментальных методов 

Экспериментальные исследования, в основном, ведутся  с двумя целями:

определение закономерностей  и характеристик, присущих исследуемому объекту (например, зависимость удлинения детали при её нагреве), и определение действительных значений его параметров (например, физико-механические свойства используемого материала, степень коррозиоустойчивости и т. п.). Эта деятельность связана с экспериментальными исследованиями, поиском нового и неизвестного;

сбор данных, которые будут содержать достаточные  сведения для подтверждения правильности гипотез или ранее принятых решений (определение фактических характеристик, их соответствие заданным показателям качества, проверка технологических решений и т. д.). Такие работы связаны с проведением испытаний, то есть практической проверкой теорий и предположений. Испытания разработанного объекта обязательны для подтверждения возможности его запуска в производство. Порядок таких испытаний регламентируется ГОСТ 15.309-98[1]. 

Экспериментальные данные получают посредством измерений, анализов, диагностирования, органолептических  методов (вкус, запах и т. п.), фиксации событий (отказы, повреждения) и другими способами. Исследуемые характеристики изделий либо экспериментально оцениваются (задача — получение качественных или количественных оценок), либо контролируются (задача — установление соответствия реальных характеристик требуемым). Характеристики могут замеряться в процессе работы или на нефункционирующем изделии, до либо после приложения воздействия.

 Испытания  проводятся в естественных или  искусственно созданных (моделируемых) условиях, или же в условиях, обусловленных  функционированием самого изделия (например, внутренний нагрев вследствие трения).

 Испытывается  единичное изделие или партия, подвергаемая сплошному или выборочному  контролю. Объектом испытаний может  быть макет или модель изделия,  но принимаемое тогда решение  относится к этим объектам. В процессе испытаний некоторого изделия возможна замена части его элементов моделями или на моделях замеряются отдельные характеристики. 

В зависимости  от целей возможно проведение следующих  видов испытаний:

определительные. Уточняют значения характеристик изделия;

контрольные. Уточнят  качество изделия;

сравнительные. Проводят в идентичных условиях для  сравнения характеристик аналогичных  или одинаковых объектов;

исследовательские. Изучают и уточняют свойства изделия. Этот вид испытаний может проводиться и на промежуточных этапах проектирования: исследуются показатели качества, выбирается наилучший режим эксплуатации или наилучшие характеристики (поисковые исследования), сравниваются проектные варианты изделия и его узлов, оцениваются параметры и вид математических моделей, выявляются существенно влияющие на показатели качества факторы. 

В процессе нормальных испытаний информация об изделии  собирается постепенно, в тот же интервал времени, который соответствует  обычным условиям эксплуатации. Эту же информацию можно получить в более сжатые сроки в результате ускоренных испытаний. При ограниченности времени и материальных ресурсов проводят неполные, сокращенные испытания.

 Необходимо  учитывать, что при повторных  испытаниях результаты в той  или иной степени отклоняются от ранее полученных. Воспроизводимость результатов зависит от непостоянства характеристик испытываемых изделий и разброса их параметров, воспроизводимости самих испытаний, квалификации персонала. 

В зависимости  от степени соответствия реальным условиям испытания подразделяются на следующие:

лабораторные. Это  — в основном исследовательские  испытания. В лабораторных условиях изучается поведение отдельных  узлов и деталей, макетов и  образцов. Часть внешних параметров имитируется;

стендовые (заводские). На испытательном оборудовании (стендах) в работе проверяется взаимодействие механизмов и отдельных узлов, выявляются дефекты, замеряются основные характеристики. Здесь исследуются экспериментальные образцы изделий, и часть внешних воздействий имитируется;

полигонные. Исследования опытных образцов изделий ведется  в условиях, наиболее приближенных к реальным, в две стадии: обкатка  и опробование. Проверяется надежность изделия и соответствие его характеристик. Время обкатки устанавливается  нормативными документами. Изделие последовательно обкатывается на холостом ходу и под частичной нагрузкой. Опробование изделия с целью уточнения фактических характеристик проводится в рабочих условиях, под полной нагрузкой и предусматривает различные варианты условий и режимов работы;

натурные. Испытывается реальное изделие в условиях его  прямого назначения с непосредственной оценкой реальных свойств;

эксплуатационные. Проводятся в условиях непосредственной эксплуатации серийно (промышленно) выпускаемого изделия. Собираются статистические данные об изделии, выявляются скрытые дефекты и дополнительные возможности. 

В зависимости  от ответственности назначения изделия  экспериментальные исследования могут  включать часть или полную систему  этих испытаний. На выбор влияет и то, что затраты на проведение испытаний, при переходе от лабораторных к эксплуатационным, резко возрастают.