CC BY
62
Таблица 2
Длина отрывной области для нескольких вариантов входных данных
Вариант Расстояние от кормы до точки отрыва Расстояние от среза сопла до точки отрыва
Равномерный поток на срезе сопла без пограничного слоя 0 0?
Равномерный поток на срезе с пограничным слоем у кромки 1,45 2,74
Неравномерный поток на срезе без пограничного слоя 0,75 2,04
Неравномерный поток на срезе с пограничным слоем 3,42 4,71
Литература
1. Шокин Ю.И. Метод дифференциального приближения. Новосибирск: Наука, 1979. - 219 с.
2. Weatherill N.P. Mixed Structured-Unstructured Meshes for Aerodynamic Flow Simulation // The Aeronautical Journal. 1990. V.94. №934. PI 11-123.
3. Hwang C.J., Yang S.Y. Locally Implicit Total Variation Diminishing Schemes on Mixed Quadrilateral-Triangular Meshes // AIAA Journal. 1993. V.31. №11. P.2008-2015.
4. Емеличев B.A., Мельников О.И., Сарванов В.И.,Тышкевич Р.И. Лекции по теории графов. -М.:Наука, 1990. - 384 с.
5. Мышенков Е.В., Мышенкова Е.В. Расчет донных и боковых отрывных течений с применением адаптированной к решению сетки // Тезисы
XI Международной конф. по вычислительной механике и современным прикладным средствам, Москва - Истра, 2-6 июля 2001 г. М.: МАИ, 2001. С. 265-267.
6. Мышенков Е.В., Шманенков В.Н. Расчет донного турбулентного течения при наличии центральной струи // Космонавтика и ракетострение - 1999. - №17. - С.44-52.
7. Мышенков Е.В., Мышенков В.И. О численном и экспериментальном моделировании бокового отрыва, вызванного струей маршевого двигателя // Теплофизика высоких температур. -1997. -Т.35, №2. - С.293-300.
8. Klineberg J.M., Kubota Т., Lees L. Theory of Exhaust Plume / Boundary Layer Interactions at Supersonic Speeds//AIAA J. 1972. V.10. №5. P.581-588.
СОВРЕМЕННЫЙ ВЗГЛЯД НА ПРОЦЕССЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
A.B. ЧУРКИН, проф. кафедры информационно-измерительных систем МГУЛа, д. т. н.
В названии отражены два фундаментальных понятия: проектирование,
как процесс интеллектуальной деятельности инженера проектировщика, и техническая система, как объект проектирования.
В современной отечественной научно-технической литературе вопросы проектной деятельности не нашли должного освещения, в то время как в зарубежной литературе эти вопросы широко освещаются с конца 50-х гг. прошлого века.
Особую актуальность в последние десятилетия приобрели вопросы проектирования технических систем.
Необходимость создания таких систем оборонного и хозяйственного назначе-
ния лавинообразно нарастала. Появилось осознание того, что только система, а не отдельные изделия, решает эффективно задачу. Поэтому в США с конца 50 - ых г.г. начались широкомасштабные исследования методов проектирования систем. К сожалению, в СССР такие исследования проводились весьма ограниченно.
Настоящая работа является попыткой в сжатой форме изложить основные идеи и методы современного проектирования технических систем. Основой излагаемого материала являются зарубежные литературные источники и личный опыт автора по проектированию технических систем.
Сценарий проектирования технической системы (рис.1) представляется следующим:
входы системы
Рис.1
- необходимо описать входы системы; описать выходы системы;
- подобрать функции, преобразующие входы системы в её выходы;
- подобрать или разработать аппаратные и программные средства, реализующие преобразования функций;
все вышеизложенные процессы должны быть выполнены в оговорённые временные сроки и объёмы финансирования.
Подчеркнём следующие две особенности:
процесс проектирования системы включает в себя не только поиск научно обоснованных преобразований входов системы в её выходы, как это часто представляется в отечественных литературных источниках, но и научно обоснованные все этапы и стадии процесса проектирования, обеспечивающие создание системы в оговорённые сроки и объёмы затрат;
проектировщик технической системы должен провести исследование перспектив развития направления техники, т.к. проектируемая система должна отвечать моральным и техническим требованиям будущего времени, когда она будет эксплуатироваться, а не на момент начала проектирования.
Краткие сведения об объекте проектирования - технической системе
Одна из наиболее значительных современных работ в области науки о системах книга Д. Клира «Системология» [3] начинается следующим эпиграфом: «Нужно перестать поступать так, словно природа делится на дисциплины как в университетах». Это же можно сказать и
о технике, заменив слово «природа» словом «техника».
Проектируя какие-то технические изделия, проектировщик в большинстве случаев не задумывается о том, что это изделие должно являться элементом какой-то технической системы. При этом, под системой понимается множество элементов с их связями и отношениями, представляющее целостность и единство в решении целевой задачи.
Современные системы делятся на абстрактные и материальные. К абстрактным относятся различные языковые системы, гипотезы и т.п. Структура материальных систем представлена на рис.2.
Естественные системы образуют естественную, природную среду обитания человека, а искусственные - искусственную среду обитания. Понятие «искусственная среда обитания» было введено теоретиками проектирования примерно в 60-е гг. прошлого столетия в связи с тем, что процессы проектирования представляют собой воспроизведение и развитие искусственной среды обитания, образуемой в большей части техническими системами. К сожалению, понятие «искусственная среда обитания» даже в последних изданиях «Советской энциклопедии» отсутствует.
Для проектирования технических систем необходима их классификация, которая позволяет создавать какие-то унифицированные методы их проектирования. В современных процессах проектирования нашли место два вида классификации систем:
классификация для исследования технических характеристик системы;
- классификация для организации процесса проектирования.
В книге Д. Клира «Системология» в целях исследования характеристик системы разделены по уровням их познания, по уровням, которые позволяют создавать методы исследования их характеристик. (рис.З)
система выходы ь
системы г
Рис.2
Для организации процесса проектирования технические системы и их составляющие изделия и компоненты делятся по уровням проектирования [1]. Для примера на рис. 4 приведено деление системы «Зондирование Земли из Космоса» в уровнях проектирования.
Иерархия уровней проектирования технической системы - это таксономия процесса проектирования по категориям соподчинённости и подходам к нему. В вертикальные уровни компонент и изделий, представляющих собой элементы
систем, отнесены соподчинённые системы, как-то ЭВМ, СОТИЗ и т.д. Кроме того, в горизонтальном уровне изделий могут быть образованы специализированные системы, как, например, показанная * информационно-измерительная система в составе БИТС, НПРС и СОТИЗ.
Существуют и другие виды классификации систем, как-то: динамические, системы с переменной структурой, открытые, замкнутые и т.д. Однако, для темы работы они не несут дополнительной информации
4,5 Метасистемы
__________(отношения между определёнными ниже отношениями)
Структурированные системы (отношения между определёнными ниже моделями)
Порождающие системы (модели, порождающие определённые ниже данные)
Системы данных (наблюдения, описанные на определённом ______________ниже языке)
Исходные системы (язык описания данных)
события
предсказание
действия
Взаимодействие с врешним миром происходит через исходную систему для получения системы данных, которая моделируется системами более высоких уровней
Рис.З
Система дистанционного зондирования Уровень 4 Больш.сист.
Космический аппарат НКУКА целевая наз. система Уровень 3 сист.
автон. СУ БКИС НКИС СОИ Уровень 2 Изделия
двиг.уст. БИТС * НПРС * СОТИЗ *
...
Гироскоп антенны бортовые антенны на-земн. ЭВМ Уровень 1 Компоненты
солнечн. батареи передаю. устройс. приёмные устройс. Каналы связи
Рис. 4. Обозначения: НКУ - наземный автоматизированный комплекс управления КА; БКИС -бортовая командно-измерительная система; НКИС - наземная командно-измерительная система; СОИ -система обработки информации; БИТС - бортовая информационно-телеметрическая система; НПРС -наземная приемо-регистрирующая станция; СОТИЗ - система обработки телеизмерений.
Процессы проектирования технических систем
«Советский энциклопедический словарь» [4] определяет процесс проектирования как создание проекта - прообраза, прототипа проектируемого объекта. Такое толкование процесса проектирования слишком общо и позволяет отнести к процессу проектирования любые нужные и ненужные работы. Поэтому теоретики проектирования на основе многолетних исследований определили иное толкование процесса проектирования, а именно: процесс проектирования - это процесс, который кладёт начало изменениям искусственной среды обитания, а не просто создание проекта. Такое определение обусловлено следующими факторами:
обязательным элементом современного процесса проектирования должно быть неординарное, новое решение системной задачи, обеспечивающее положительный результат;
проектирование систем с характеристиками уже существующих систем бессмысленно и допускается только в учебных целях;
создание системы на новых принципах решения системной задачи должно преследовать цели изменения си-
туации к лучшему; если этого не происходит, то проектирование такой системы в практике получило название «пустое проектирование»;
при проектировании системы должны быть проведены исследования перспектив развития данной отрасли техники, т.к. проектируемая система должна отвечать моральным и техническим требованиям в будущем времени, когда она будет эксплуатироваться, а не на момент начала создания системы.
Приведённое определение процесса проектирования является обобщённым из более чем десяти высказываний теоретиков проектирования, отмеченных в литературных источниках. Характерным, например, является следующее определение: «Процесс проектирования - это вдохновенный прыжок от фактов настоящего к возможностям будущего». (Пейдж Дж. К.)
Практика проектирования технических систем показала, что если руководитель проекта (главный конструктор) гениальный проектировщик, то оговорённые выше условия выполняются. Однако, рождение гениев явление редкое. Поэтому теоретики проектирования США уже с конца 50-х гг. прошлого века начали широкомасштабные исследования процессов проектирования, которые привели к соз-
данию методов, обеспечивающих проектирование систем с выполнением выше высказанных условий.
Основные идеи современных методов проектирования технических систем
Для того, чтобы что-то создать, необходим инструмент. Так для конструирования изделий в течение длительного времени создавался и внедрялся в практику изящный универсальный инструмент - масштабный чертёж и различные теории, позволяющие производить расчёт конструкций. Например, теория сопротивления материалов, теория допусков и посадок, начертательная геометрия
и т.д. Однако, при проектировании систем масштабный чертёж решает лишь часть задач - создания элементов системы и не может решить системные задачи.
Современное понятие проектирования системы представляется двумя элементами (рис. 5):
- проектировщик системы с его интеллектом;
- инструмент проектирования системы, состоящий из двух частей:
• методы исследования технических и проектно-технических характеристик системы;
• методы организации процесса проектирования системы.
П системы. Задачи П
Методы организации процесса проектирования системы
Проектировщик Методы исследования
системы вариантов системы
р
Проект системы
Рис. 5
Примечания:
1. Под техническими характеристиками системы понимаются характеристики её функционирования. Например, информационно-измерительная система характеризуется погрешностью телеизмерений, достоверностью результатов телеизмерений и погрешностями восстановления процессов при их представлении в дискретной форме.
2. Под проектно-техническими характеристиками понимаются показатели надёжности системы, определяющие её свойство выполнять целевую задачу и показатели структурной надёжности, определяющие её свойство выполнять целевую задачу при наличии мешающих факторов (например помех) и отказах различных приборов.
3. Процесс проектирования системы обычно длится многие годы и в за-
висимости от его организации и управления процессом проектирования его длительность может растянуться в несколько раз больше предполагаемой, не редки случаи, когда процесс проектирования вообще разрушался и вообще получался отрицательный результат.
4. Поэтому проектированию целевой системы должен предшествовать процесс проектирования организации процесса проектирования целевой системы. Высказанное положение звучит несколько каламбурно, однако следует обратить внимание на то обстоятельство, что процесс проектирования целевой системы необходимо всегда рассматривать как два взаимно увязанных процесса проектирования.
Рассмотрим составляющие процесса проектирования (рис. 5).
Кто такой проектировщик и какие к нему предъявляются требования? Всякий ли специалист, которого назначают быть руководителем проекта (или как принято называть - Главным конструктором) способен решать проектные системные задачи.
В проектировании системы должны принимать участие проектировщики с различными образами мышления. И первым методом проектирования системы следует определить метод формирования коллектива проектировщиков.
Теоретики проектирования определили три типа проектировщиков, которые на различных этапах и стадиях проектирования могут решать задачи проектирования системы. Эти три типа проектировщиков были названы: проектировщик как чёрный ящик, проектировщик как прозрачный ящик и проектировщик как самоорганизующаяся система. Эти загадочные и интригующие названия не совсем точно отражают процессы интеллектуальной деятельности проектировщиков. Современные знания учёных о процессах мыслительной деятельности человека позволяют подойти научно обоснованно к определению интеллектуальной деятельности проектировщиков при разрешении различных проектных ситуаций на этапах и стадиях процесса проектирования.
Учёные, изучая мыслительную деятельность человека, установили, что полушария головного мозга (левое и правое) содержат различные механизмы мышления: левое полушарие - механизмы абстрактного мышления, правое - образного мышления. При этом у различных людей доминирует одно из полушарий, либо существует избирательная доминантность левого или правого в соответствии с возможностями решения задачи. В зависимости от того, какое полушарие головного мозга у человека доминирует и определяются его способности в выполнении тех или иных работ. В этой связи определённые три типа проектировщиков назовём так:
проектировщик с выраженным художественным образом мышления (с выраженной доминантностью правого полушария);
проектировщики с адекватным образом мышления (с избирательной доминантностью правого или левого полушарий);
проектировщики с мыслительным образом (с выраженной доминантностью левого полушария).
Основные стадии процесса проектирования системы
Первая стадия процесса проектирования заключается в том, чтобы найти неординарное решение системной задачи, которое обеспечит положительный результат. Для её решения привлекаются проектировщики с художественным образом мышления, это изобретатели, фантазёры. В современных методах проектирования разработаны специальные методы стимулирования изобретательской деятельности. Такие проектировщики предложат несколько вариантов решения системной задачи.
Учёные многие-многие десятилетия пытаются понять как, например, рождается музыка в мозгу человека и до сих пор ответ на этот вопрос не найден. По-видимому, можно утверждать, что неординарное решение системной задачи сродни написанию музыки. Теоретики проектирования назвали эту стадию «дивергентный поиск».
Вторая стадия процесса проектирования заключается в том, чтобы оценить предложенные решения и выбрать из них наилучшее или создать комбинацию из этих решений. Такую задачу лучше могут решить проектировщики с адекватным образом мышления - это учёные с их отличительными свойствами педантизма и скептицизма. Результатами их работы являются методы исследования вариантов решения системной задачи и критерии их оценки, а так же создание системообразующих структурных схем:
Рис.6
Множество / элементов / (множество А)
Рис.7
функциональной структурной схемы (ФСС), представляющей собой последовательность информационных и энергетических преобразований входов системы в её выходы (рис.6);
аппаратной структурной схемы (АСС), представляющей собой множество элементов системы и их связей, реализующих преобразования ФСС (рис. 7).
Вторая стадия процесса проектирования получила название «трансформация».
Функциональная и аппаратная структурные схемы позволяют исследовать технические и проектно-технические
характеристики системы и служат основой создания моделей.Третья стадия проектирования системы заключается в уточнении всех ранее принятых проектных решений и сведений в сходящийся ряд всех характеристик и показателей элементов схемы, обеспечивающих требования технического задания, а так же материализация элементов системы. Наступила пора больших материальных затрат и множества непредсказуемых проектных ситуаций. На этой стадии к выполнению проектных работ должны подключиться проектировщики с мыслительным образом - это прагматики, деловые
люди, которые в то же время могут мыслить категориями прошедших стадий проектирования и находить лучшие решения в сложных проектных ситуациях, умеют приспосабливаться к складывающимся реальным условиям.
Эта стадия теоретиками проектирования названа «конвергенцией».
Понятия дивергенция, трансформация и конвергенция являются сугубо приближёнными синонимами понятий анализ, синтез, оценка.
Для наглядности протекания процесса проектирования на рис.8 представлены основные действия проектировщика и составные части инструмента проектирования (детализирован рис.5), а на рис.9 представлено протекание процесса проектирования по стадиям и взаимодействие частей инструмента проектирования системы на стадии проектирования.
В разделе методы организации процесса проектирования обозначены всего лишь пять основных методов. В книге Д. К. Джонса «Методы проектирования» приведено 35 таких методов.
В процессе проектирования всегда совершается много ошибок, недоработок и недодумок, которые замечаются на последующих стадиях. Если недоработки и ошибки вовремя не будут замечены и исправлены, то в последствии грядут большие переработки, связанные с дополнительными материальными затратами. В этой связи особую роль играет управление процессом проектирования. Стрелки обратных связей (рис.9) и предполагают именно выявление ошибок, как одна из важнейших составляющих управления процессом проектирования. Для этих целей должны быть специально подготовленные проектировщики.
Интеллект проектировщика создаёт
1. Организацию системы: варианты ФСС, варианты АСС
2. Методы исследования ФСС
3. Методы исследования АСС
4. Методы организации процесса проектирования целевой системы
Методы организации процесса проектирования Методы исследования вариантов системы
1. методы стимулирования изобретательской деятельности 2. методы поддержки принятия решений 3. методы сетевого планирования 4. методы стоимостного анализа 5. методы управления процессом проектирования 1. критерии оценки 2. теория системы (модель функционирования системы) 3. теория надёжности 4. теория структурной надёжности 5. модель оценки параметров временной и пространственной избыточности
Рис. 8
«=І
з:
Организация процесса проектирования системы
^--------------- Методы проектирования
Методы исследования системных задач
Формулировка описания исходных данных описание И.Д. на языке
моделирование вариантов сист.
■ способы обработки данных
отношения между моделями экспертные оценки (эксп.
;ист.) I
определение зон устойчивости^ функционирования [
• уточнение отношении
^методы поиска информ. ✓•-постановка задачи Ч-выаеление главных условий
[методы стимулирования .изобретательской деяг. \-выбор шкал измерений свёртывание И. Д. и зариантов построен.систем
-выбор стратегии П.
•метод управл. стратегиями -методы сетевого планиров. -методы принятия решений -классификация проектной информации _
Гвыбор критериев \ -контрольные перечни \ ранжирование проектн. задач •уточнение Т 3
Проект
системы
Рис. 9
В США для подготовки таких проектировщиков создана специальная школа (школа Мэтчетта), куда фирмы, занимающиеся проектированием систем направляют своих проектировщиков для обучения. Смысл обучения сводится к умению проектировщика понимать и
контролировать свой образ мыслей и более точно соотносить его со всеми аспектами складывающихся проектных ситуаций.
В литературных источниках [1] приводятся только названия методов обучения и предположительная расшифровка их назначения, поскольку сами методы являются коммерческой тайной. Приводятся названия следующих методов обучения:
обучение мышлению образами; обучение мышлению
стратегическими схемами;
обучение мышлению в основных элементах;
обучение мышлению с различных точек зрения;
обучение мышлению в
параллельных плоскостях.
В стадию конвергенции включено изготовление опытного образца или опытного участка системы, при испытаниях которых и производится уточнение отношений моделей элементов системы и соответствие требованиям технического задания.
Литература
1. Дж. К. Джонс. Методы проектирования. - М.: Мир, 1986.
2. Дж. Диксон. Проектирование систем: изобретательство, анализ и принятие решений. М.: Мир 1969.
3. Дж. Клир. Системология. Автоматизация решения системных задач. М.: Радио и связь, 1990.
4. Советский энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1985.
5. В. Хубка. Теория технических систем. - М.: Мир, 1987.
