Методы проектирования и связь с научными исследованиями

Литература о методах проектирования начинает появляться в 50 – 60-е гг. XIX в., но до настоящего времени нет единого определения процесса проектирования. Ранее, да и сейчас многие считают, что это то, чем занимаются инженеры или архитекторы, когда создают чертежи. Имеется множество различных определений проектирования, создающих впечатление множества процессов. Объединяет эти определения стремление к преодолению недостатков традиционных методов проектирования и то, что все нашли что-то существенное, позволяющее преодолеть недостатки. Самым существенным является разнообразие методов. Во всех определениях есть общая черта: они говорят не о результатах проектирования, а о его составных частях [34, с.43-45]. Дж. К. Джонс определил цель проектирования: «Положить начало изменениям в окружающей человека искусственной среде». Это всеобъемлющее определение охватывает деятельность не только конструкторов и др. профессиональных проектировщиков, но также плановиков, экономистов, законодателей, администраторов, ученых, политиков, экологов и т.д.

Монография Дж. К. Джонса [34] является энциклопедией методов проектирования, но в ней отсутствует фактор времени и только между прочим упомянуты прикладные исследования, а фундаментальные выпущены. Длительность сроков проектирования может привести к тому, что проектируемый объект может морально устареть. Проектирование производства новой техники зачастую ориентируется на прошлое (на стандартное технологическое оборудование), тогда как необходимо ориентироваться на будущее, что достигается созданием гибких технологий, позволяющих усовершенствовать их и обновлять технологическое оборудование. Проектируемый объект также должен предполагать возможность его дальнейшего совершенствования (аналогично природной самоорганизации), но это требует уже не только прикладных исследований, но и фундаментальных.

Проектирование переросло рамки таинственного умения чертить. Сложность проектирования состоит в том, что проектировщик должен на основании современных данных прогнозировать некоторое будущее состояние, которое возникает, если его прогнозы верны, при этом он вынужден прослеживать события в обратном порядке от следствий к причинам, от ожидаемого влияния данной разработки на мир – к началу цепочки событий, создающих это влияние.

На начальном этапе проектирования имеется выбор траекторий развития конструкции или технологии. Проектировщики всегда вынуждены считать реальным то, что существует лишь в воображаемом будущем, но эти представления должны опираться на научные знания (в т.ч. и из смежных научных дисциплин), а также на знания требований к проектируемому объекту и условий его применения. Это делает более целенаправленным выбор проектного решения. При недостаточности знаний результат может быть отрицательным, или же при хорошем функциональном эффекте в будущем выявляются отрицательные побочные эффекты.

Проектирование – процесс самоорганизующийся, хотя кажется, что он жестко направляется проектировщиком. Так годами или даже веками совершенствуется та или иная конструкция. Имеется множество причин для подбора, например, формы узла или детали. Конструкция и форма изделия являются хранилищем информации. Частично такая информация хранится в виде эталонов (профили сечений и т.п.), а также в виде методов и приемов, усваиваемых при обучении. В этих «хранилищах» содержится «генетический код» эволюции конструкции.

В конструировании     можно   выделить: 1) оценку осуществимости;  2) эскизное проектирование; 3) рабочее конструирование; 4) планирование – оценку и изменение концепции в соответствии с требованиями производства, сбыта, эксплуатации и ликвидации использованного изделия.

Имеются различные взгляды на проектировщика. Одни считают его «черным ящиком», другие – «прозрачным ящиком». Такое деление неверно. Принципиально новое решение находится в виде озарения (бессознательно), хотя на основе базы знаний, но очень важно и логическое мышление (анализ, предшествующий озарению, оценка и последующий синтез). Проектирование – самоорганизующийся процесс, а проектировщик – самоорганизующаяся система, что позволяет вместо слепого перебора вариантов осуществлять осознанный поиск проектного решения.

Проектирование – трехступенчатый процесс, включающий в себя три основные стадии: анализ, синтез и оценку. Такое разделение необходимо для внесения изменений (в т.ч. методологических) на всех стадиях и должно предшествовать их воссоединению в единый процесс проектирования на уровне систем. При внесении изменений эти стадии повторяются многократно и каждый последующий цикл отличается от предыдущего. Эти три ступени можно назвать дивергенцией, трансформацией и конвергенцией, причем названия эти в большей мере соответствуют задачам проектирования систем, чем традиционным методам проектирования и конструирования.

Дивергенция – исследование проектной ситуации и расширение ее границ с целью обеспечения достаточно обширного пространства для поиска решения. Трансформация – это стадия поиска идей, создания принципов и концепций, пора вдохновения, догадок и озарений. На этой стадии могут появляться решения на уровне изобретений или совершаться крупные ошибки. Это самая ответственная стадия. Конвергенция – последняя из трех стадий. Задача уже определена, переменные найдены, цели установлены и остается дать оценку найденному и разрешать второстепенные противоречия, до тех пока из возможных вариантов не останется один – окончательное решение.

На последнем этапе достоинствами являются настойчивость и жесткость мышления в противовес неопределенности и гибкости. Основная цель на этом этапе – уменьшение неопределенности. Главный враг – рост затрат с увеличением детализации. Модели становятся менее абстрактными и более детализированными. На этом этапе может обнаружиться, что некоторые подзадачи не могут быть разрешены без изменения ранее принятых решений, что и приводит к цикличности – возврату к первому и второму этапам. Иногда приходится изменять цель, как это было при создании отмеривающего устройства, когда цель (повышение точности) была заменена на другую (повышение эксплуатационных характеристик станка), но цель более высокого уровня (создать отмеривающее устройство, в котором исключено влияние нестабильности) сохранилась (а.с. № 1323257).

На этапе дивергенции могут использоваться методы: формулирование задачи; поиск литературы; выявление несоответствий, в т.ч. визуальных; интервьюирование потребителей; анкетные опросы; исследование поведения потребителей; системные испытания, целью которых является определение действий, способных привести к желаемым изменениям сложной проектной ситуации; выбор шкал измерения, чтобы соотнести измерения и вычисления с погрешностями наблюдений, со стоимостью сбора данных и с задачами проекта; накопление и «свертывание» данных.

На этапах дивергенции и трансформации могут быть применены методы: мозговой штурм, синектика, ликвидация тупиковой ситуации,  морфологические карты и др. [44, 46]. В нашей стране разработана эффективная теория решения изобретательских задач (ТРИЗ), в которой сформированы алгоритмы поиска (АРИЗ) [2, 43]. Автором предложен и опробован метод систем триад как для научных исследований [10, 17, 57], так и для поиска новых технических решений.

На этапе конвергенции могут быть использованы методы: упорядоченный поиск (с применением теории решений); поиск границ – пределов, в которых лежит приемлемое решение; кумулятивная стратегия Пейджа; ранжирование и взвешивание – сравнение альтернативных проектных решений с использованием общей шкалы измерения; составление технического задания – описание приемлемого конечного результата предстоящего процесса проектирования.

Кумулятивная стратегия имеет такие этапы: 1) определение существенных целей; 2) определение внешних помех для достижения хотя бы одной цели;         3) установка критериев, позволяющих однозначно судить о приемлемости проектных решений; 4) разработка методики испытания по каждому из критериев. По этой методике точность результатов не больше, чем необходимо. По ней следует начинать испытания, затрагивающие большое число альтернативных решений, но доля затрат на проектирование не должна превышать заданной величины.

Конвергенция при традиционном подходе занимает почти все время проектирования, но по мере автоматизации проектирования время, затрачиваемое на эту стадию, уменьшается. При хорошей информационной базе и связях время поиска может быть сокращено на несколько порядков.

Проектирование входит в комплекс работ, представленный на рис.2 [25], где виды работ уровня I – непосредственная разработка проектируемого объекта. Принципиально новые разработки начинаются со свободных теоретических исследований (СТИ) и целевых фундаментальных исследований (ЦФИ), переходящих в прикладные исследования (ПИ). Разработка (Р) является центральной частью процесса проектирования и должна целостно охватывать проблемы различных направлений: функциональные, экономические, экологические, технологические, эргономические и т.д. Проектирование (Пр) – завершающий этап создания технической документации, включающей и технологическую. Производство (П) выходит за пределы проектирования, но при доводке конструкции важна обратная связь как с производителями, так и с эксплуатационниками.