Автоматизация начальных стадий проектирования технических объектов

1. Актуальность темы

Задачи первого типа связаны с выбором потребности (технической функции), которую будет удовлетворять разрабатываемый технический объект (ТО). Также сюда относят составление списка требований и выбор критериев эффективности ТО (надежности, точности, стоимости и т.п.).

Второй тип – задачи выбора и обоснования функциональной структуры (ФС) ТО. При решении этих задач для заданной потребности (функции изделия), из множества альтернатив выбирают набор подфункций и взаимосвязей между ними, которые позволяют наиболее рационально реализовать заданную потребность.

Третий тип – задачи выбора или поиска наиболее эффективного физического принципа действия (ФПД) для конкретной ФС. При решении этих задач варьируют физическими эффектами и явлениями до нахождения наиболее целесообразного их сочетания.

Четвертый тип – задачи выбора или поиска наиболее рационального технического решения (ТР) при заданном ФПД. При решении этих задач варьируют конструктивными элементами и признаками до нахождения наиболее целесообразного их сочетания.

Пятый тип – задачи определения оптимальных значений параметров заданного ТР. При решении этих задач варьируют значениями параметров до нахождения их оптимального соотношения.

Перечисленные типы задач имеют отношение к начальным стадиям проектирования, а именно, Техническому заданию, Техническому предложению и Эскизному проекту. Пятый тип задачи можно соотнести со стадией Технический проект.

Следует отметить, что успешное решение задач первого типа дает больший экономический эффект и вызывает более заметный технический прогресс по сравнению с решением задач последнего типа. Это подтверждается практическими данными, которые показывают, что за счет оптимизации параметров эффект не превышает в среднем 10-30%. Уже существенно больший эффект, в среднем 30-50%, можно получить за счет изменений конструктивных элементов и признаков (четвертый тип задач). А решение задач первого типа увеличивает эффективность в разы. Следовательно при разработке изделий особенно тщательным образом надо прорабатывать задачи первых типов.

Сложность разрабатываемых технических объектов растет с каждым годом, растет и объем научно-технической информации, используемой в конструкторских разработках. Все это ведет к тому, что начальные стадии проектирования все менее и менее прорабатываются. Поэтому появление программных решений призванных автоматизировать начальные стадии проектирования будут способствовать качеству разрабатываемых изделий и сокращению сроков разработки.

На сегодняшний день я не нашел отечественных программных решений, способных решать поставленную задачу. Существуют в том или ином виде решения отдельных задач, например, системы синтеза ФПД (система САПФИТ, один из авторов —С.Фоменков), системы синтеза ТР (система Интеллект) и т.п., но системы, в которой решались бы задачи автоматизации начальных стадий проектирования в комплексе пока нет. Комплексное решение – это такое решение, в моем понимании, в котором присутствуют не только методы решения задач проектирования, базы знаний, но и механизмы для согласованной коллективной работы разработчиков, механизмы управления разработкой и т.п.

Что касается иностранных разработчиков инженерных программных систем, то можно говорить о заинтересованности в создании подобных решений, например, компания Dassault Systemes со своими решениями SmartTeam, 3DEXPERIENCE; компания Aras, которая в своей системе поддерживает процессы связанные с управлением качеством (QM) и управлением требованиями (RM) и другие.

2. Цель создания программного комплекса KATET Systems

• включение начальных стадий проектирования в единое информационное пространство (в PLM-систему);
• расширение кругозора разработчиков, повышение их профессионального уровня;
• использование по максимуму потенциала компании-производителя (за счет включения в разработку Баз Данных с наработками компании).

3. Идея создания программного комплекса KATET Systems

Благодаря работе в качестве одного из разработчиков PLM-системы DEXMA, я получил определенные знания в области создания информационных систем. Эти знания, совместно с представлением о методах проектирования, помогли мне понять, каким должен быть программный комплекс, какими техническими характеристиками должен обладать, и как может осуществляться работа в нем.

4. Описание KATET Systems

1. Краткая справка по методам проектирования

Методы проектирования условно разделяются на две группы, а именно, эвристические методы технического творчества и компьютерные методы поискового конструирования. Под эвристическими методами технического творчества следует понимать методы, основанные на использовании достаточно четко описанных методик и правил поиска новых технических решений. На сегодняшний день известно более 100 таких методов.

Под методами поискового конструирования следует понимать методы, основанные на использовании компьютеров в решении творческих инженерных задач. В настоящее время известны десятки различных подходов и методов поискового конструирования.

Многие методы, которые были разработаны десятки лет назад, создавались для безмашинного применения в поиске решений инженерных задач. Большинство этих методов можно запрограммировать и использовать с помощью компьютера, тем самым сделав их более эффективными. Это значит, что в KATET Systems может быть задействовано много методов проектирования, нужно только отобрать самые эффективные.

Подробную информацию данных методов можно узнать из литературы. Соответствующий список источников будет указан ниже.

Приведу краткий обзор методов, которые следует использовать в первую очередь.

Функционально-физический анализ. Метод используется тогда, когда надо углубленно изучить конструкцию и структуру ТО, который требуется усовершенствовать. Функционально-физический анализ основывается на разделении ТО на элементы, имеющие вполне определенные функции, и поиске средств реализации этих функций. В ходе анализа происходит уточнение следующих моментов:

• какие функции выполняет каждый элемент ТО и как элементы функционально связаны между собой;
• какие физические операции (преобразования) выполняет каждый элемент и как они взаимосвязаны между собой;
• на основе каких физико-технических эффектов работает каждый элемент ТО и как они взаимосвязаны между собой.

Функционально-стоимостный анализ (ФСА).

ФСА проводится для существующих продуктов и процессов с целью снижения затрат, а также для разрабатываемых продуктов с целью снижения их себестоимости. При проведении функционально-стоимостного анализа определяют функции элементов ТО или системы и проводят оценку затрат на реализацию этих функций для того, что-бы эти затраты снизить.

Автоматизированный анализ технических решений на И - ИЛИ графах.

Данный метод предназначен для решения задач, связанных с выбором наиболее рациональных ТР. С математической точки зрения суть метода состоит в том, что информацию о прототипах или известных ТР определенного назначения представляют и записывают в виде И - ИЛИ-дерева (И - ИЛИ-графа). Варьируя на этом дереве конструктивными элементами и признаками, можно получить как известные, так и новые ТР.

Анализ конструктивной эволюции ТО.

Цель анализа конструктивной эволюции ТО с одинаковыми или близкими функциями заключается в:

• выявлении устойчивых (постоянно действующих) критериев развития ТО и показателей их качества;
• формулировании закономерностей строения и развития ТО;
• формулировании правил получения улучшенных технических решений путем преобразования прототипа.

Морфологический анализ и синтез ТР.

Морфологический метод основан на комбинаторике. Суть его состоит в том, что в интересующем изделии или объекте выделяют группу основных конструктивных или других признаков. Для каждого выбирают альтернативные варианты, т.е. возможные варианты его исполнения или реализации. Комбинируя их между собой, можно получить множество различных решений, в том числе представляющих практический интерес.
В Программном комплексе я планирую использование наиболее распространенной модификации морфологического метода, основанного на функциональном подходе. В качестве признаков берутся функции элементов (узлов, деталей) рассматриваемого ТО, а в качестве альтернативных вариантов - различные способы реализации каждой функции.

Морфологический синтез Физического Принципа Действия (ФПД).

Как и в рассмотренном выше методе, данный метод основан на комбинаторике. Только комбинируются не способы реализации функций, а различные способы реализации физических операций.

Метод эвристических приемов.

В основе метода лежит опыт конструкторов и изобретателей, которые в ходе своей деятельности выявили определенные правила и приемы решений инженерных задач. Такие приемы и правила стали называть Эвристическими приемами (ЭП). На основании ЭП был получен фонд ЭП, информация из которого может использоваться при решении инженерных задач в разных областях техники.

2. Основные задачи, которые можно будет решать с помощью KATET Systems

• Прорабатывать совместно с заказчиками потребности, которые будут удовлетворены за счет разрабатываемых ТО;
• Формировать Техническое задание;
• Планировать и управлять процессом разработки;
• Формировать список требований;
• Делать постановку и анализ задачи на разработку технических объектов (ТО);
• Проводить анализ конструктивной эволюции ТО;
• Проводить функционально-физический анализ ТО;
• Формировать разного рода отчеты;
• Задействовать эвристические методы проектирования и методы поискового проектирования при синтезе принципов действия и структурного синтеза ТО;
• Использовать алгоритмы оптимизации для выбора оптимальных технических решений, структурных схем, физических принципов действия и параметров.

3. Техническое исполнение программного комплекса KATET Systems

Укрупненно примерная структура комплекса может выглядеть так (по мере разработки структура будет дополняться или изменяться):

4. Организация работы в KATET Systems. На каких пользователей ориентирован комплекс

Укрупненно действие пользователей можно описать так:

• Пользователи, ответственные за начало разработки, получив первоначальное ТЗ от заказчика (определенный список требований, описание потребности), создают в Программном комплексе соответствующий документ, который будет изменяться в процессе работы (наполняться информаций).
  К процессу проработки ТЗ можно (при необходимости) подключать представителей заказчика. Для этого в Программном комплексе будет предусмотрен соответствующий функционал (система пользовательских прав) и возможности подключаться к корпоративной сети удаленно. Это позволит работать над ТЗ в «режиме реального времени», вносить коррективы, находить возможные пути решения, что существенно сократит время разработки;
• В ходе работы над ТЗ, пользователи могут использовать информацию, находящуюся в Базах Данных (различные патентные описания, фонды ФТЭ, архив Технических решений и т.п.), для этого будет предусмотрен удобный механизм поиска информации. Пользователи также могут использовать различные методы проектирования (Функционально-Физический метод, Анализ конструктивной эволюции, Морфологический синтез ФПД и др.);
• Результат работы с ТЗ может быть таким, что разработка нового ТО не потребуется, достаточно будет доработать уже раннее созданный ТО, а возможно будет найдено решение, в основе которого будет лежать новейший физический или химический эффект.
  В любом случае будет найдено одна или несколько функциональных структур, из которых с помощью функционала Программного комплекса надо будет выбрать оптимальную. После этого будет выбран (найден и обоснован) наиболее эффективный ФПД;
• После завершения работы с ТЗ можно будет сформировать соответствующий отчет, который отправить на согласование (получение подписей) заказчику (т.е. результатом выполнения этапа будет Техническое предложение). В отчете будет отражены все полученные результаты (обоснование технико-экономических требований, показателей качества, критериев развития и т.п.);
• После получения согласования можно переходить к следующему этапу разработки. Для этого надо будет перейти в соответствующее приложение. В Программном комплексе разные этапы разработки будут выполняться в разных приложениях и у пользователей, участвующих в разработке, наличие того или иного приложения будет определяться системой пользовательских прав;
• Новый этап можно соотнести со стадией «Эскизный проект». Для его реализации будет предусмотрен соответствующий функционал, информация из Баз Данных, задействование методов проектирования (Морфологический анализ и синтез Технических решений, Автоматизированный анализ Технических решений на И – ИЛИ-графах и др.). В комплексе будет предусмотрен механизм работы с графической информацией, схемы, структуры (возможно 3D модели);
• Результатом проведения этого этапа будут найденные Технические решения, в большом количестве, из которых надо будет выбрать оптимальное с помощью функционала комплекса;
• Следующим шагом работы в KATET Systems будет переключение в приложение, отвечающее за определение оптимальных параметров выбранного на предыдущем этапе Технического решения. Результатом данного этапа будет полностью проработанный проект. Полученную документацию можно будет передавать для оформления КД.

Основными пользователями программного комплекса, я считаю, будут маркетологи, главные конструктора, технические директора, ведущие конструктора, в общем, пользователи, отвечающие за создание концепции будущего ТО. Помимо этого к разработке можно будет привлекать (по необходимости) разного рода специалистов.

5. Преимущества использования программного комплекса KATET Systems:

• Выявление действительно необходимых потребностей;
• Сокращение времени создания технического задания, постановки задачи и т.д.;
• Задействование по максимуму потенциала компании-разработчика за счет использования БД ранее спроектированных объектов и наработок;
• Возможность получения новых закономерностей строения и развития техники;
• Повышение общего уровня развития разработчиков;
• Выявление оптимальных технических решений;
• Использование одновременно нескольких методов проектирования для решения задач, что усилит вероятность получения оптимального решения;
• Использование при создании новых ТО информации, взятой из словарей технических функций, международной классификации изобретений и патентных описаний.

5. Заключение

Программный комплекс KATET Systems должен тесно взаимодействовать с системами 3D-моделирования (CAD-системы), но пока этот вопрос не рассматривался.

На данном этапе разработки Программного комплекса я продолжаю исследование литературы как отечественной, так и зарубежной. Занимаюсь проработкой структуры комплекса и возможных вариантов технического исполнения. Продумываю разные варианты сценариев работы в комплексе.

6. Используемые источники информации

Половинкин А.И., Основы инженерного творчества, 2007
Хорошев А.Н., Основы системного проектирования,
Воинов Б.С., Принципы поискового проектирования, 1982
Автоматизация поискового конструирования, под ред. Половинкина А.И., 1981
Джонс Дж., Методы проектирования, 1986
Каменев А.Ф., Технические системы: закономерности развития, 1985 Половинкин А.И., Законы строения и развития техники, 1985
Системное проектирование и закономерности развития техники. Сборник научных статей, 1993 и др.