6. Основы теории проектирования

Творческий процесс

Независимо от уровня проявляемого на данный момент таланта каждый будущий инженер должен и может развивать имеющиеся у него задатки. Для этого необходимо понять, что такое творческий процесс. Следует иметь ввиду, что единой формулы творчества нет. Творческие идеи могут быть получены когда процесс протекает в более предпочтительной последовательности нежели перечисленные ниже этапы. Важно, чтобы проектант сформировал правильное представление о творческой стороне умственной деятельности.

Этап 1. Беспокойство и осознание задачи. Часто творчество начинается с того, что человек сталкивается с проблемой, заставляющей его принимать решение, предпринимать некоторые шаги. («Потребность – мать изобретения», но только деятельность рождает изобретателя.)

Этап 2. Подготовка. Этап представляет собой период сознательной и направленной умственной деятельности. На этом этапе подробно исследуются все возможные решения, способные дать положительный результат.

Этап 3. Вынашивание идеи. Ум насыщен всевозможными вариантами и поиском, выбором нужного, лучшего.

Этап 4. Озарение. Озарение – когда творческая идея или оригинальное решение приходит мгновенно, обычно в период не связанный с решением данной задачи.

Этап 5. Проверка. Найдена творческая идея. Необходимо ее оценить и определить, действительно ли она является решением задачи. В этом можно убедиться путем анализа, с помощью эксперимента, иногда прибегнуть к мнению признанных авторитетов.

Главной составляющей процесса разработки проектов новых технических объектов является творческое мышление, основанное на базе законов и категорий диалектики, законов логики и теории познания, а также достижений науки и техники. Процесс творческого проектирования характеризуется следующими положениями:

- новые решения появляются в результате постепенного приближения к цели;

- решение сложной задачи проходит путь от общих положений к частным;

- традиционные решения, принимаемые в определенной ситуации, затрудняют нахождение новых в случае изменения ситуации;

- решения, эффективность которых уже была установлена, могут со временем устареть, если они не соответствуют новым ситуациям.

Установлено, что творческая мысль не рождает абсолютно новую идею. Творчески мыслящий человек фактически рождает новые, еще не испытанные комбинации идей, уже существующих в его голове. Мозг – это бездонная кладовая идей куда ежедневно добавляется множество других. Активный и любознательный ум накапливает гораздо больше идей, чем пассивный, поэтому он может создать гораздо больше комбинаций.

Черты творческого мышления могут проявляться в способности устанавливать актуальные задачи, выявлять и формулировать альтернативы, подвергать сомнению очевидные истины, мыслить самостоятельно, не связывая себя с известными положениями.

Конструкторско-изобретательское творчество – одна из самых сложных областей человеческой деятельности, и познание его закономерностей представляет принципиальный интерес.

В настоящее время можно говорить о следующих основных этапах его изучения:

- создание библиотеки всех возможных приемов решения конструкторско-изобретательских задач;

- формирование поля поиска;

- формирование модели конструкторско-изобретательского поиска;

- опытная проверка модели как основы стратегии массового решения конструкторско-изобретательских задач;

- использование модели созданного и созданного информационного массива типовых решений задач в диалоге «проектант-компьютер».

Обзор нетрадиционных методов проектирования

Знакомство с традиционными методами проектирования приводит к мысли, что за внешним разнообразием скрыто несколько новых принципов проектирования, которые представляют для разработчиков большую ценность, чем сами методы.

Более глубокий анализ позволяет утверждать, что объектом новых методов является не столько проектирование в общепринятом смысле, сколько мыслительная деятельность, предшествующая выполнению чертежей и проектов.

Оценим методы стрех точек зрения:

- в какой степени они способствуют творчеству;

- насколько они логичны;

- позволяют ли они управлять процессом проектирования.

С точки зрения исследования творчества разработчик представляет собой «черный ящик», на выходе которого возникает загадочное творческое озарение.

С точки зрения логики разработчик – это «прозрачный ящик», в котором происходит логический процесс, до конца поддающийся объяснению.

С точки зрения управления проектант является самоорганизующейся системой, которая способна отыскивать кратчайшие пути на неведомой территории.

Последняя, наименее привычная точка зрения прямо ведет к вопросу о практической ценности теории проектирования и о дальнейших шагах в разработке эффективных методов проектирования.

Мозговая атака. Можно считать, что данный метод снимает социальные запреты, налагаемые каждым человеком на свои высказывания в обычном разговоре, это сознательный возврат к нелогичной болтовне. Устранение фильтров на выходе, по меньшей мере, увеличит количество выходных сигналов, если не повысит их качество. Практическая ценность мозговой атаки заключается в том, что на ранних этапах проектирования, когда структура задачи еще не ясна, резко повышается скорость генерирования данных, имеющих отношение к этой задачи.

Синектика. В этом методе основной упор делается на биологические и анатомические аналогии, т.е. преследуется цель использовать те отделы нервной системы, которые управляют движением тела и обычно не контролируются сознанием.

Таким образом, когда проектант «черный ящик», можно сделать следующие выводы:

- выходные действия разработчика определяются выходными сигналами от подлежащей решению задачи и прошлым опытом;

- ослабление социальных запретов ускоряет образование выходных сигналов, приобретающих более случайный характер;

- необходимо время на осознание и переработку образов, отражающих структуру задачи в целом и повышение вероятности выходных реакций, содержащих решение задачи.

В большинстве методы проектирование преследуют цель объективирования процесса и результатов мышления, поэтому исходя из логических предположений, что разработчик осознает свои действия и их причины.

В случае проектант как «прозрачный ящик», логическое, или систематическое, поведение проектанта напоминает работу компьютера: он пользуется только той информацией, которая в него введена, и действует по заданной схеме, проводя анализ, синтез, оценку и повторение циклов до тех пор, пока не найдет наилучшее из всех решений.

Такое предположение справедливо в случае оптимизации переменных, и оно лежит в основе системных методов проектирования – морфология и системотехника позволяющие решать задачи проектирования «машинными» приемами.

Морфологический метод основан на комбинаторике, т.е. в объекте выделяют группу основных конструктивных или других признаков и заносят их морфологическую таблицу. Для каждого признака выбирают альтернативные варианты его исполнения или реализации. Комбинируя их между собой, можно получить множество различных решений, представляющих интерес.

Методы мозговой атаки при проектировании технического объекта

Известно, что критика или даже ее боязнь, служит помехой творческому мышлению. Разумеется, любая новая идея может оказаться неверной. В этом случае многие потенциально хорошие идеи оказываются потерянными. Чтобы устранить препятствия, вызываемые боязнью критики при генерации идей, был разработан метод мозгового штурма или мозговой атаки. Метод нельзя рассматривать как универсальный. Для эффективного применения метода необходимо представлять его возможности и целесообразность применения, при таких условиях он может служить мощным средством генерации идей.

Мозговой штурм – метод получения новых идей путем творческого сотрудничества организованной группы, которая как единый мозг штурмует творческие решения рассматриваемых проблем. Это делается энергично, все члены группы должны сосредоточивать свое внимание на одном и том же вопросе. Данный метод изобрел А.Осборн, заместитель ректора университета в городе Буффало и основатель Института творческих методов обучения.

Метод мозгового штурма основывается на следующем психологическом эффекте. Если собрать группу в 5-8 человек и каждому предложить независимо и индивидуально высказать идеи и предложения по решению поставленной задачи, то в сумме можно получить N идей. Если предложить этой группе коллективно высказывать идеи по этой же задаче, то получится Nk идей. При этом оказывается, что Nk намного больше N. Во время сеанса МШ происходит как бы цепная реакция идей, приводящая к интеллектуальному взрыву. В одном из американских руководств по методу МА говорится «Девяносто девять процентов ваших конструктивных идей возникает подобно электрической искре при контакте с мыслями других людей». Изучение методов МА не требует специальной подготовки.

Мозговую атаку целесообразно использовать :

- при решении изобретательских задач в самых разных областях техники;

- при постановках задач, различающихся по форме, детальности и глубине проработки;

- на различных этапах разработки и проектирования изделий;

- в сочетании с другими эвристическими методами.

Полная продолжительность сеанса МА составляет 1,5-2 часа. Сеанс имеет следующий порядок проведения:

- представление участников и ознакомление с правилами проведения сеанса (5-10 мин);

- постановка задачи ведущим с ответами на вопросы (10-15 мин);

- проведение МА (20-30 мин);

- перерыв (10 мин);

- составление отредактированного списка идей (30-45 мин).

Повышают эффективность сеанса мероприятия по психологической настройке:

- показ фильма, активизирующего постановку задачи;

- включение негромкой фоновой музыки;

- показ натурного образца или макета объекта, требующего улучшения;

- угощение чаем, кофе;

- объявление перед сеансом о гонораре сразу после сеанса.

Метод проектирования Мэтчетта

Цель метода Мэтчетта (английский специалист в области методологии проектирования) – научить проектанта понимать и контролировать свой образ мыслей и более точно соотносить его со всеми аспектами проектной ситуации.

Фундаментальный метод проектирования включает последовательное выполнение следующих этапов:

- обучение принципам этого метода;

- использование особых «режимов мышления», сформулированных Мэтчеттом для осознания, контроля и приспособления образа мышления к задачам проектирования;

- исследование характера проектной ситуации с помощью определенной методики проектирование и контрольных перечней.

Основой такого мышления по фундаментальному методу проектирования являются два определения проектирования:

- «хороший проект – это оптимальное решение, удовлетворяющее сумме истинных потребностей в конкретном комплексе обстоятельств»;

- «проектирование – это выявление и решение конфликтов в многомерных ситуациях».

После обучения приступают к использованию следующих режимов мышления, удовлетворяющих задачам проектирования:

1. Мышление стратегическими схемами

- заранее выбрать стратегию, т.е. последовательность действий и мыслей проектанта;

- сравнить достигнутое с намеченным;

- разрабатывать стратегии для разработки стратегий.

2.Мышление в параллельных плоскостях

- это «отстраненное» наблюдение проектанта за своими мыслями и за мыслями и действиями своих сотрудников в ходе выполнения проектных работ.

3. Мышление с нескольких точек зрения

- этот режим аналогичен предыдущему, но направлен на решение задачи проектирования, а не на процесс ее выявления; это означает определение целей через функции объекта проектирования, когда объект «обеспечивает возможность» что-то сделать.

4. Мышление образами

- режим заключается в том, чтобы предельно представить себе или вычертить геометрические схемы, позволяющие проектанту сопоставить контрольные перечни фундаментального метода проектирования с формами его собственного опыта и мышления; основное назначение – дать проектанту запоминающийся образ взаимосвязей между задачей проектирования, процессом проектирования и решением.

Методика проектирования излагается следующим образом:

- исследуется проектная ситуация;

- определяются потребности, на удовлетворение которых направлено проектирование;

- исследуются альтернативные принципы, на которых могло бы быть построено средство для удовлетворения основной потребности;

- выполняется эскизный проект, способный удовлетворить основную и дополнительную потребности;

- оценивается функциональная эффективность проекта;

- оценивается материалоемкость и трудоемкость выполнения проекта;

- определяется качество деталей и узлов, совершенство внешнего вида и т.д.

Допустимо не придерживаться строго данной последовательности, главное, чтобы проектант мог изменить структуру своего опыта и мышления в соответствии с существенными особенностями проектной ситуации.

Контрольные перечни фундаментального метода проектирования представляют собой развитие обычных в анализе трудовых операций вопросов «что?», «почему?», «когда?» и т.д.:

- какие потребности являются – жизненно важными, очень важными, желательными;

- каковы потребности – функциональной схемы, потребителя, фирмы, внешнего мира;

- каковы потребности на каждом из этапов существования изделия – проектирование и деталировка, изготовление деталей, сборка, испытание и отладка, сбыт, монтаж, техническое обслуживание и уход.

Функционально-стоимостной анализ технических объектов

С конца 1960-х годов в инженерной практике технически развитых стран все чаще стали подходить к снижению стоимости и повышению качества продукции. Такой подход называется функционально-стоимостным анализом (ФСА). Многочисленная статистика разных стран показывает, что ФСА позволяет на одну денежную единицу затрат получить до 20 единиц экономии.

Основная суть ФСА заключается:

- применение системного подхода к выявлению излишних затрат (трудоемкость, расход материалов и энергии и т.д.);

- систематическое использование методов инженерного творчества при поиске новых технических решений с пониженными затратами;

- четкой организации работ со стороны руководства предприятия, направленных на повышение ФСА.

Решение задач, связанных с понижением себестоимости, предполагает возможность применения двух подходов – предметного и функционального.

Традиционным, используемым в течение десятилетий, является предметный подход. Специалист формулирует задачу снижения себестоимости изделия следующим образом: как снизить затраты на данное изделие.

При функциональном подходе, наоборот, полностью абстрагируется от реальной конструкции анализируемой системы и все внимание обращается на ее функции. При этом изменяется и направление поиска путей снижения себестоимости продукции. Определив функции объекта, их количественные характеристики формируется задача: необходимы ли эти функции. Если да, то необходимы ли предусмотренные количественные характеристики. Каким наиболее экономическим путем можно достичь выполнения функций.

Область применения ФСА весьма широка, т.к. этот подход можно использовать в любой сфере человеческой деятельности, в которой требуется снизить какие-либо затраты. ФСА является очень сильным средством интенсификации экономики. С учетом опыта применения ФСА его рекомендуют использовать при решении следующих задач:

- проектирование новых изделий и технологий;

- модернизация освоенных в производстве моделей;

- снижение затрат основного и вспомогательного производства;

-снижение затрат материалов, сырья, топлива и энергии;

- снижение трудоемкости и экономия людских ресурсов.

Опыт по освоению и использованию ФСА был опробован Министерством электротехнической промышленности СССР в 80-х годах 20-го века.

Порядок проведения ФСА

Основополагающий принцип ФСА – определенная последовательность его проведения, задаваемая рабочим планом. Он включает несколько взаимосвязанных этапов, каждый из которых состоит из нескольких отдельных работ. Последовательность имеет обязательный характер – нельзя приступать к последующему этапу, не выполнив предыдущий.

Рабочий план проведения ФСА

1. Подготовительный этап

1.1. Выбор ТО и определение целей ФСА.

1.2. Подбор и утверждение состава исследуемой группы.

1.3. Обучение специалистов группы основам ФСА.

1.4. Составление и утверждение технического задания (ТЗ) на проведение ФСА.

2.Информационно-аналитический этап

2.1. Сбор и изучение информации по проектно-конструкторским решениям ТО.

2.2. Построение конструктивной функциональной структуры ТО.

2.3. Определение списка основных показателей и требований к ТО.

2.4. Анализ и классификация функций элементов ТО.

2.5. Определение и сравнение стоимостей функций.

2.6. Постановка задач поиска более рациональных и оптимальных конструкторско-технологических решений.

3. Поисково-исследовательский этап

3.1. Поиск улучшенных технических решений (ТР).

3.2. Математическое моделирование улучшенных ТР.

3.3. Экспериментальное испытание новых ТР.

3.4. Выбор наилучших вариантов ТР.

3.5. Оформление результатов в виде технического предложения и эскизного проекта, их согласование с заинтересованными подразделениями и утверждение.

4. Разработка и внедрение результатов ФСА

4.1. Составление и оформление проектно-технологической документации и рекомендаций по реализации результатов ФСА с уточнением расчетов эффективности.

4.2. Согласование предложений по предыдущему пункту с заинтересованными службами, подразделениями и их утверждение.

4.3. Организация работы по реализации предложений.

4.4. Материальное и моральное поощрение участников разработки и внедрение рекомендаций по ФСА. Оформление отчета о выполненной работе с предложениями по улучшению проведения ФСА.