9.2 Методология проектирования
Проектирование - это постепенный и итеративный процесс, который требует творчества, опирается на опыт и компетентность, идет путем проб и ошибок. И, тем не менее, использование сложившейся методологии проектирования вносит в процесс определенную организованность.
Проектирование осуществляется на основе выполнения комплекса работ поискового, исследовательского, экспериментального, расчетного, конструкторского характера. В такой постановке проектирование – процесс переработки информации.
Методы построения процесса проектирования включают методы и средства, позволяющие построить, организовать и управлять процессом проектирования, рассматривая его (процесс проектирования) как систему, функционирующую в определенных внешних условиях и ограничениях (к тому же изменяющихся во времени).
Проектирование - никак не точная наука. Не существует рецептов, которые могли бы заменить ум, опыт и хороший вкус в проектировании, различные фазы проектирования неотделимы друг от друга. Даже в Японии на начальной стадии проектов "все еще по большей части полагаются на неформальный подход - карандаш и бумагу".
Отсюда задачи автоматизации проектирования – выполнение рутинной работы, информационное обеспечение проектирования. Эти системы должны включать в себя развитые средства накопления и использования знаний, возможности параллельного ведения проектов, разделения по стадиям, подсистемам и т.д. Они должны обеспечивать хранение и доступ к информации; поддерживать логические связи; обеспечивать многофункциональную среду проектирования, предполагающую быстрый, легкий и надежный обмен проектными данными.
Методы представления объекта проектирования включают методы и средства, позволяющие описать и представить сам объект проектирования и различные его свойства (описательная модель). Это методы математического, графического, алфавитно-цифрового представления объекта проектирования.
Многоэлементность и разнообразие состава системы, различные типы, виды и классы подсистем, большое число внутренних и внешних связей, определяют большую размерность задачи проектирования, что делает невозможным создание единых формализованных методов проектирования.
Методология и методы проектирования (синтеза) системы определяются сложностью системы и особенностями процесса проектирования.
Различают общую и специальную методологии проектирования.
Общая методология рассматривает методы построения процесса проектирования и методы представления объекта проектирования.
Общая методология проектирования для всех типов систем основана на представлении процесса проектирования как процесса системных исследований.
При системных исследованиях в процессе проектирования широко используются наработанные методы и процедуры других дисциплин: экономических, исследования операций, теории информации и др., они основываются на современных технологиях автоматизированного проектирования, имеющемся программном, методическом и информационном обеспечениях, развитие которых также стимулируется вновь возникающими потребностями проектирования новых сложных систем.
Применение системного подхода в проектировании предполагает рассмотрение проектируемой системы как элемента системы более высокого уровня, во всем многообразии ее связей с внешним миром, что обеспечивает расширение множества вариантов, среди которых осуществляется выбор, с одновременным указанием способов отбрасывания наименее приемлемых - повышает обоснованность принимаемого проектного решения. Пренебрежение системным подходом приводит к принятию безграмотных проектных решений порой с непоправимыми последствиями, всё более губительными по мере того, как у лиц, принимающих решение, появляются большие возможности. Примеров подобных последствий, к сожалению, предостаточно.
С позиций системного подхода проектирование – это процесс перехода из исходного состояния (потребности, проблемы) в конечное (удовлетворение потребностей, решение проблемы) с учетом возможностей выполнения (обеспечений и ограничений).
Вход - потребности, выход - удовлетворенные потребности. Обеспечение - кадровый и научно-технический потенциал. Ограничения - финансовые, нормативно-правовые, этические, время, уровень качества, внешнее окружение.
Основные принципы системного подхода при построении моделей на этапе внешнего проектирования:
- модель строится как единое целое, все элементы, связи, действия системы подчинены достижению конечной цели (каждый компонент системы разрабатывается так, чтобы обеспечить системе достижение цели с максимальной эффективностью);
- строится иерархия моделей исходя из иерархического характера системы;
- обеспечивается совместное рассмотрение структуры системы и ее функций.
При проектировании сложных технических систем практически невозможно полное описание объекта в рамках одной математической модели - требуется структурирование модели, что позволяет распределять работы по проектированию между отдельными группами исполнителей.
Декомпозиция процесса и объекта проектирования предполагает блочно-иерархический подход к проектированию - переход от исходной обобщенной модели системы к иерархии детальных моделей.
Соответственно иерархии объектов проектирования строится и иерархия их моделей. Получение моделей процедура неформализованная - для каждого из элементов системы разрабатываются несколько моделей, описывающих различные его свойства. При различных исследованиях используются различные сочетания моделей.
Пример: колесо автомобиля. Необходимы отдельные модели для описания его состава, формы, тяговых, упругих, амортизирующих свойств, свойств, определяющих его грузоподъемность, влияние на управляемость и устойчивость движения и т.д.
Проектируемая система выступает, с одной стороны, как часть системы более высокого уровня, с другой – как система для объектов более низкого уровня (подсистем).
Независимо от разбиения конкретной сложной системы на подсистемы при проектировании каждой из них необходимо выполнять внешнее проектирование (создание концепции системы - макропроектирование) и внутреннее проектирование (детальное описание системы - микропроектирование). Так как на этих стадиях разработчик преследует различные цели, то и используемые при этом методы и средства моделирования могут существенно отличаться.
При формировании концепции (структурное проектирование) создается единая укрупненная модель всей системы, целью которой является приближенная сравнительная оценка эффективности альтернативных вариантов концепций (структуры и состава основных компонентов) для выбора наилучшей (нескольких). При этом игнорируется детальная структура системы и анализируется только общее поведение системы как единого целого, оцениваются ее интегративные характеристики и взаимодействие ее с внешней средой.
При детальном проектировании разрабатываются модели с целью создания эффективных подсистем. Причем используемые методы и средства моделирования зависят от того, какие конкретно обеспечивающие подсистемы разрабатываются: информационные, математические, технические, программные и т. д.
Модель системы на этапе внешнего проектирования создается по результатам выполнения следующих системных процедур.
В модели устанавливаются функциональные зависимости, определяющие поведение системы - соотношения между параметрами системы, внешней среды и критериями эффективности для системы в целом и каждого из ее основных компонентов.
В состав системы входят только те компоненты, параметры которых признаны определяющими. Исследуется влияние изменения параметров системы и среды на эффективность (анализ чувствительности).
К числу укрупненных характеристик относятся: границы системы, тип структуры, характер взаимосвязей "вход – выход", особенности функционирования, особенности протекающих процессов, особенности жизненного цикла системы.
Как и весь процесс проектирования, построение моделей имеет циклический итеративный, спиралевидный характер с последовательным расширением понимания системы на каждом шаге с постепенным углублением исследований и пониманием системы, ее сущности, условий функционирования и эффективности.
Основное требование к модели этапа внешнего проектирования - модель не только должна адекватно отражать явления и процессы, но должна быть удобной для использования.
Основным здесь выступает принятая степень упрощения (при разработке матмоделей, выборе состава оптимизируемых параметров системы, определении ограничений) адекватная поставленной задаче - теория упрощений как основа теории систем к настоящему времени не сложилась - все определяет опыт и интуиция проектанта.
Исследование системы происходит с использованием математических моделей с соответствующей степенью упрощенности, с постепенным углублением и уточнением модели, декомпозицией ее на частные модели для конкретных исследований, композицией в общую и т.д.
Сложную систему чаще всего невозможно полностью и детально представить. Возникает проблема компромисса между простотой описания и необходимостью учета многочисленных и разноплановых характеристик системы.
Система любой степени сложности рассматривается, как целостная и организованная, состоящая из отдельных взаимосвязанных элементов, во взаимодействии с внешней средой, находящейся в непрерывном развитии. При этом рассматривается весь комплекс условий функционирования системы во внешней среде – технических, политических, социальных.
В основе общей методологии – сочетание методов анализа и синтеза. Синтез заключается в создании описания объекта, анализ – в определении свойств объекта по его описанию, т.е. при синтезе формируются, а при анализе оцениваются проекты объектов.
Ясно, что не существует универсального метода проектирования любой сложной системы: проектирование сложной системы отнюдь не сводится к слепому следованию некоему набору рецептов.
Процесс проектирования можно представить как последовательное сжатие множества конкурирующих вариантов системы, исходная сложная задача заменяется на последовательность простых. Соответствующие процедуры последовательного анализа вариантов интерпретируются как процесс последовательного снятия неопределенностей.
Процесс проектирования организовывается как многоуровневый процесс переработки информации для принятия проектного решения.
Ключевой проблемой при этом является координация принимаемых проектных решений отдельных задач проектирования. На практике решение этой проблемы основывается на реализации итерационного процесса последовательного согласования проектных решений. Это решается разработкой специальной технологии проектирования.
Если решение задач высоких иерархических уровней предшествует решению задач более низких иерархических уровней, то проектирование называют нисходящим. Если раньше выполняются этапы, связанные с низшими иерархическими уровнями, проектирование называют восходящим.
У каждого из этих двух видов проектирования имеются преимущества и недостатки. При нисходящем проектировании система разрабатывается в условиях, когда ее элементы еще не определены, и, следовательно, сведения о ее возможностях носят предположительный характер. При восходящем проектировании, наоборот, элементы проектируются раньше системы, и, следовательно, предположительный характер имеют требования к элементам.
Принятие оптимального решения обеспечивается последовательным приближением при чередующемся выполнении обоих видов проектирования, что обуславливает итерационный циклический характер процесса проектирования.
Часто этапы проектирования трудно четко разграничить: может проходить параллельное выполнение некоторых этапов и неоднократное повторение пройденных этапов итеративным путем. Например, на каждом этапе может потребоваться уточнение как общей постановки задачи, так и частных.
Любой процесс проектирования имеет свою стратегию проектирования, логическую схему построения проекта и технологию проектирования.
Стратегия проектирования предполагает поиск и определение типов последовательности действий, методов и алгоритмов для решения проектной задачи.
В общем случае стратегии проектирования могут быть линейными, циклическими, разветвленными, адаптивными, смешанными.
При линейной стратегии проектные операции выполняются последовательно. Циклическая стратегия предполагает возможность повторения предыдущей проектной операции в зависимости от результатов предыдущей. При разветвленной стратегии в зависимости от исхода предыдущей проектной операции можно подключать исполнителей для работы на параллельных операциях, при адаптивной стратегии выбор каждого последующего действия зависит от результатов, полученных на предыдущей операции.
Процесс проектирования можно представить как последовательный процесс принятия решений в условиях неопределенностей. Отдаленность этапа непосредственного применения, нечеткое задание стратегий применения приводят к неопределенности будущих условий применения и соответственно характеристик создаваемой системы. Принятые на каждом цикле решения уменьшают степень неопределенности на каждом последующем этапе, что в свою очередь приводит к необходимости последовательного уточнения и детализации проектных решений.
В процессе анализа исследуются:
- необходимость и достаточность всех функций для решения задач системы;
- порядок выполнения функций и согласование всех входов и выходов;
- работоспособность подсистем и системы в целом в различных условиях функционирования;
- сроки разработки проекта и предполагаемые затраты на разработку проекта и эксплуатацию системы.
В результате анализа уточняются математические модели подсистем опорного варианта системы, на основании которых строится упрощенная математическая модель системы в целом. С помощью новой математической модели вновь решаются задачи синтеза и уточняются варианты структурно-функциональных схем системы, для каждого из которых затем снова решаются задачи анализа, и так до тех пор, пока не будет найден приемлемый вариант системы (определен облик системы).
Модель может быть сосредоточена на функциях системы (функциональная модель) или на ее объектах (модели данных).
Функциональная модель выделяет события в системе, представляет с требуемой степенью детализации систему функций, которые в свою очередь отражают свои взаимоотношения через объекты системы.
Модели данных выделяют объекты системы, которые связывают функции между собой и с их окружением и представляют собой подробное описание объектов системы, связанных системными функциями.
Значительная неопределенность информации на предварительных этапах проектирования приводит к рассмотрению «грубых», обобщенных параметров и многовариантных проектных решений – параллельной разработке нескольких вариантов системы. Сужение области неопределенности по мере выполнения проекта позволяет перейти к более детальному рассмотрению характеристик и отказаться от разработки параллельных вариантов.
Специальная методология определяет проектные действия для конкретных типов систем на определенном этапе проектирования – основные типовые направления работ.
Методы специальной методологии – это множество методов решения проектных задач, возникающих при проектировании системы.
Специальная методология проектирования предполагает рациональное разделение процесса проектирования на неформализованные (поиск альтернатив, конструирование, принятие решений) и формализованные (проектные и поверочные расчеты) задачи, выделение эмпирических задач (физическое моделирование). Проектанту предоставляются различные средства и методы решения этих задач.
Системы создаются для решения той или иной проблемы, выполнения тех или иных потребностей – решения этих задач определяют цель функционирования системы.
Первая, начальная задача проектирования – формулировка проблемы, задачи которой призвана решать проектируемая система, и выявление функциональных свойств системы, которые позволят решить возникшую проблему.
Схема формулировки проблемы и функциональных свойств системы:
- выделение системы из внешней среды и рассмотрение ее как элемента системы более высокого уровня;
- анализ задач, решаемых существующими системами;
- анализ изменения условий функционирования системы (изменение целей, условий внешней среды);
- формирование новых задач и функций системы.
Схема формирования концептуального облика объекта (системы)
Концепция системы - укрупненная структура системы, основные функции системы и подсистем.
Цель системы – желаемый результат функционирования системы, ее назначение исходя из решения проблемы системы более высокого уровня, - что нужно сделать для снятия проблемы.
Эффективность – свойство системы выполнить поставленную цель.
Критерии эффективности – те конкретные свойства системы (признаки), по которым оценивается эффективность.
Показатели эффективности – характеристики свойств системы, количественно выражающие степень выполнения поставленной задачи - численные значения критериев эффективности.
Задачи системы – действия (функции) системы, обеспечивающие выполнение цели.
Основные проектные параметры - параметры системы, которые непосредственно обеспечивают эффективность системы.
Схема формирования концепции:
- определение потребностей в системе на основании анализа внешней среды и возможных условий применения системы;
- формулировка цели и требований к системе;
- формулировка основных функций системы, обеспечивающих выполнение поставленной цели;
- определение возможных путей создания системы (формирование функциональной структуры системы и основных ее подсистем).
В структуре системы учитываются только основные элементы, критичные при определении соответствия системы поставленным целям и при оценке эффективности системы.
Структура формируется на основании сравнительного анализа альтернативных вариантов системы, обеспечивающих решение проблемы с учетом внешней среды и неопределенностей будущего функционирования.
Исходя из сформулированных функций системы определяются основные требования к системе в результате выполнения следующих основных системных процедур: формирование понятия эффективности системы (цели, критерии, показатели эффективности), анализ внешней среды и условий функционирования системы, формирование требований к системе.
На основании выбранной концепции системы формируется ее технический облик –определяется перечень задач системы, ее структура и основные характеристики функциональных подсистем.