ГЛАВА 2. ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

2.1. Процедуры на стадии разработки технического задания

Техническое задание согласно ГОСТ 15.001-73 устанавливает: основ­ ное назначение, технические и тактико-технические характеристики, показа­ тели качества и технико-экономические требования, предъявляемые к разра­ батываемому изделию, необходимые стадии разработки конструкторской документации и ее состав, а также специальные требования к изделию. Тех­ ническое задание составляет разработчик на основе заявки заказчика. Заявка уже должна содержать обоснование технико-экономических требований к продукции. Обоснование требований приводит к необходимости системных исследований. Выполнить это заказчику, не располагающему кадрами науч­ ных работников, затруднительно. Поэтому должное обоснование требований возлагается на разработчика.

Продукция, подлежащая разработке и изготовлению, по техническому уровню и качеству должна быть такой, чтобы к моменту выпуска она была на уровне лучших отечественных и мировых достижений, конкурентоспо­ собной, экономически эффективной и удовлетворяла потребности внутрен­ него и внешнего рынка.

На стадии технического задания выполняются следующие процедуры: определение потребности в проектировании, выбор целей и определение признаков объекта проектирования.

2.1.1. Определение потребности в проектировании

Потребность в новой технике не всегда связана с потребностью проек­ тирования. Во-первых, нужные объекты уже могут существовать, во-вторых, рационализация технологии может изменить потребность в технических средствах, в-третьих, если потребность связана с улучшением характеристик уже существующей техники, то ее удовлетворение должно дать эффект, в противном случае создание нового объекта нерационально.

Всегда нужно помнить, что проектирование - сложный и трудоемкий процесс. Развертывать его следует только в тех случаях, когда без этого обойтись нельзя. С учетом изложенного, процедуру определения потребно­ сти в проектировании можно представить как решение задачи об установле­ нии истинности сложного высказывания, заключающегося в следующем.

Технический объект нужно проектировать тогда, когда подобных объ­ ектов не существует, и от него нельзя отказаться, когда затраты на проекти­ рование, подготовку производства и изготовление окупаются в установлен­ ный срок и приносят эффект.

Выделим из приведенного сложного высказывания элементарные: Л - технический объект имеется в нашей стране; Y1 - технический объект

имеется за рубежом; УЗ - можно отказаться от объекта; Y4 - применение объекта дает эффект; Y5 - можно приобрести объект за рубежом.

Формула высказывания, определяющая потребность в проектировании,

имеет вид:
Y = ПЛГЗЛУ4Л(Г5ЛУ2).
Область определения функции следующая:
Y= (FALSE, TRUE),	_____
где TRUE ~ проектировать нужно, FALSE - проектировать не надо; У \, Y3 и
т.д. - операция отрицания в алгебре высказываний, У1	истинно (TRUE) то­

гда, когда Y 1 ложно (FALSE); Л - знак операции конъюнкции (и). Определение истинности элементарных высказываний составляет от­

дельные операции. Часть из них ( У\ и Y 2 ) можно выполнить, обратившись к базе данных о существующих объектах соответствующего класса. Истин­ ность высказывания УЗ устанавливается при решении задачи, рассматри­ вающей объект проектирования внутри системы более высокого уровня. Ис­ тинность У4 (определение эффективности) строится на основе прошлых и будущих затрат.

2.1.2. Выбор целей проектирования

При проектировании того или иного объекта на первых стадиях мы не представляем себе, как он выглядит (какую имеет форму, размеры, тип рабо­ чею органа), однако известно, что он должен делать, известны его ориенти­ ровочная производительность, стоимость и некоторые исходные данные. Кроме того, можно установить, в каких условиях он будет работать (клима­ тические условия, квалификация обслуживающего персонала и др.). Объект окажется жизнеспособным, если он будет приспособлен к окружающей сре­ де и к заданным функциям не в настоящем времени, а в будущем. В связи с этим распознавание (с точки зрения теории познания проектирование - это распознавание) объекта связано с прогнозированием. В этом случае уместно обратиться к одному из приемов драматургии приему составления сцена­ рия.

Под сценарием в практике социально экономического и научнотехнического прогнозирования подразумевается обзор, содержащий данные о ситуации, внутри которой протекают процессы, являющиеся объектом про­ гноза.

Описать ситуацию - значит установить факторы окружения проекти­ руемого объекта, к которым относятся: окружающая среда, внутри которой будет обитать объект; научно-техническая, экономическая и социальная си­ туации.

Описание факторов окружения начинается с изложения существующе­ го положения и заканчивается прогнозом на будущее. Существует свыше 100 методов прогнозирования, среди которых: математическая подгонка поли-

номами, экстраполяция факторов, множественные регрессии, технические прогнозы по опережающей области, коллективный экспертный опрос, мор­ фологический анализ, метод «Дельфи» (считаются баллы, рейтинги 4 - 6 раз, пока не будет изменений), коллективная генерация идей, экономические иг­ ровые модели и др.

Инженерное прогнозирование использует такие методы, как коллек­ тивный экспертный опрос, экстраполяция, морфологический анализ.

Экспертные методы прогнозирования основаны на обработке мнений специалистов (expertus в переводе с латинского означает опытный). Опрос экспертов производится в устной форме (интервью), в форме анкет. Иногда достаточно обратиться к публикациям, в которых можно найти высказыва­ ния экспертов по интересующему вопросу. С учетом выделенных четырех сфер окружения объекта проектирования можно сформировать четыре груп­ пы экспертов, специализирующихся в областях: научных исследований (на­ учно-техническая ситуация), экономики (экономическая ситуация), произ­ водства и потребления (социальная ситуация), экологии (окружающая сре­ да).

Экстраполяционные методы прогнозирования основаны на переносе событий и состояний из прошлого в будущее. Они используются с успехом для ситуаций, медленно изменяющихся во времени, т.е для ситуаций, нахо­ дящихся в эволюционном развитии.

Морфологический анализ применим как к эволюционному развитию, так и к резким изменениям. На его основе можно предсказать преимущест­ венное развитие того или иного объекта или целого направления техники. Конкурирующие направления сравниваются по ряду характеристик, имею­ щих определенный вес, такое сравнение может производиться на основе оп­ роса экспертов. Для обработки полученных данных прибегают к статистиче­ ским методам.

Сценарий вскрывает множество факторов, определяющих в дальней­ шем направление поиска технического решения проектируемою изделия. На основе сценария можно сформировать цели проектирования, исходя из раз­ личных сфер окружения. Все окружение разбивается на уровни. На первом уровне помещается сфера, охватывающая интересы всего человечества, на втором - интересы государства, далее - сферы интересов отрасли, предпри­ ятия (заказчика), проектной организации (исполнителя), отдела и, наконец, сфера личных интересов. На каждом уровне возникают свои цели, связанные с целями более высокого уровня. Граф, вершины которого означают цели, а дуги - их отношения, носит название графа целей (рис. 2.1).

II - государственные интересы

III - интересы отрасли

IV - интересы предприятия (заказчика)

V - интересы проектной организации

VI - интересы отдела

VII - интересы личные

а

б

Рис. 2.1. Граф целей: а - уровни сфер окружения объекта проектирования; б - обозначения на вершинах графа целей

Попытаемся с помощью графа найти наиболее важные цели на каждом уровне. Для этого выполним следующее: 1) разобьем каждый кружок на че­ тыре сектора; 2) в верхних секторах поставим номера вершин i-j (/ - номер уровня; j - номер цели на уровне /); 3) в нижних секторах запишем оценки весов целей по их относительной значимости на каждом уровне г,.,. Пока ранжирование целей проведено без учета их связей. Однако достижение не­ которых из них, кроме главной (1 уровень), оказывается средством к дости­ жению связанных с ней целей более высокого уровня. Естественно, что кон­ структор яснее всего осознает свои личные цели. Достигая их, он обеспечи­ вает выполнение связанных с ними более высоких по уровню целей. Скор­ ректируем веса целей с учетом связей и воспользуемся понятием коэффици­ ента связи. Определим его как произведение весов целей, связанных на гра­ фе дугой.

Вновь вернемся к рассмотрению важности целей на каждом уровне. Теперь уже более значимой следует считать ту цель, у которой оказался наи­ больший абсолютный вес, равный сумме относительного веса и коэффици­ ентов связи по заходящим дугам. Поставим значения абсолютных весов R,.j в левых секторах вершин, а в правых - N - место цели на каждом уровне по степени ее важности. Конструктор может обрезать граф, отбрасывая ею от­ дельные вершины, а в некоторых случаях и целые цепи.

Может оказаться, что в число отброшенных целей попадают и личные цели. В этом случае конструктору придется поступиться некоторыми собст­ венными интересами. Вершины, оставшиеся на фафе, определяют более важные цели, на достижение которых и должно быть направлено проектиро­ вание.

Таким образом, процедура выбора целей представляет собой совокуп­ ность операций: по разработке сценария, определению полного множества целей применительно к проектированию объектов данного класса, выбору подмножества целей и ранжирования (построения по степени важности) це­ лей. Результат процедуры выбора целей - это целевое описание объекта про­ ектирования, которое включает в себя выражение потребности проектирова­ ния (а0) и основные цели в ранжированной последовательности:

011,в{Яо[в1,в 2,...,ви]}.

2.1.3. Определение основных признаков объекта проектирования

Как было отмечено, объекты проектирования характеризуются опреде­ ленным множеством признаков, основными из которых являются: показате­ ли назначения, категория качества, показатели надежности, показатели тех­ нологичности, уровень унификации и стандартизации, показатели безопас­ ности работы и обслуживания, показатели эстетичности, характеристики па­ тентной чистоты, патентной защиты, характеристики условий эксплуатации, технического обслуживания и ремонта, показатели экономичности.

Показатели назначения характеризуют эксплуатационно-технологичес­ кие свойства объекта и прогрессивность его конструкции. По способу опре­ деления они могут быть измеряемыми и оцениваемыми в баллах.

К измеряемым показателям относятся: размерные (габаритные размеры всей машины и ее составных частей, зона действия рабочего органа и др.), скоростные (транспортная скорость машины, рабочая скорость, скорость подъема и опускания рабочего органа и др.), массы (конструктивная масса, общая масса, масса противовеса и др.), проходимости (радиус поворота, до­ рожный просвет, угол въезда и съезда, давление на грунт и др.).

К показателям, оцениваемым в баллах, относятся: типы привода и хо­ дового оборудования, наличие бесступенчатого регулирования скорости и элементов автоматики, способ монтажа, демонтажа и др.

35

Категория качества является результирующей оценкой и может быть первой и высшей. К первой категории относят объекты, находящиеся по тех­ нико-экономическим показателям на уровне современных требований на­ родного хозяйства, отвечающие стандартам и нормативно-техническим до­ кументам, входящим в проект, а к высшей - объекты, у которых показатели находятся на уровне лучших мировых достижений и даже превосходят их.

Показатели надежности дают количественные характеристики прояв­ ления одного или нескольких свойств, обуславливающих надежность маши­ ны применительно к определенным промежуткам времени, режимам и усло­ виям эксплуатации.

Надежность машины проявляется в ее безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Показателем безотказности служат: вероятность безотказной работы; средняя наработка до отказа; интенсивность отказов; параметр потока отка­ зов; наработка на отказ.

Долговечность определяется свойством объекта длительно (с учетом ремонтов) сохранять работоспособность в условиях эксплуатации до разру­ шения или другого состояния, при котором не возможна нормальная экс­ плуатация.

Ремонтопригодность означает приспособленность машины к восста­ новлению ее работоспособности и поддержанию технического ресурса путем предупреждения, обнаружения и устранения неисправности и отказов.

Сохраняемость подразумевает свойство сохранять эксплуатационные показатели в течение и после срока хранения или транспортирования, уста­ новленного в технической документации.

Основные показатели технологичности распределены по шести группам: 1) по трудоемкости (изготовления изделия, изготовления по видам ра­ бот, подготовки к функционированию, ремонта), 2) по себестоимости; 3) по унификации и взаимозаменяемости (коэффициенты унификации изделия, стандартизации); 4) но расходу материала (масса, коэффициенты использо­ вания материала и применимости материала); 5) по обработке (коэффициен­ ты точности обработки и шероховатости поверхностей); 6) по составу конст­ рукции (коэффициенты сборности и использования в других изделиях).

Уровень стандартизации и унификации характеризует насыщенность объекта стандартными и унифицированными частями. Для оценки исполь­ зуются два коэффициента: применяемости и повторяемости.

Показатели безопасности работы и обслуживания характеризуют ряд свойств объекта, обеспечивающих активную (динамические и тормозные ка­ чества, обзорность из кабин управления, обеспеченность сигнализацией, на­ личие устройств блокировки), пассивную (применение безосколочных сте­ кол, жесткость кабины, наличие защитных решеток и др.) и послеаварийную (наличие аварийного люка, возможность выхода людей) безопасность.

Признаки зршномнчности отражают соответствие конструкции объек­ та гигиеническим условиям жизнедеятельности человека, а также его антро­ пометрическим и физиологическим свойствам.

Основные показатели эстетичности: композиционная целостность формы; товарный вид, определяемый состоянием наружной отделки и др.

Признаки экологичности характеризуют воздействие объекта на окру­ жающую среду, людей, животных. Показатели экологичности - уровень внешнего шума, содержание углекислого газа в продуктах сгорания топлива идр.

Признаки патентной чистоты характеризуют конструкцию объекта с точки зрения патентов и свидетельств, а также товарных знаков.

Условия эксплуатации, технического обслуживания и ремонта харак­ теризуются показателями: продуктивности, качественной работоспособно­ сти, ресурсопотребляемости, транспортабельности.

Наиболее существенные, по мнению конструктора, признаки включа­ ются в техническое задание на проектирование, другие учитываются как критерии или критериальные ограничения при выборе наиболее рациональ­ ного варианта и оптимальных параметров объекта. Установить признаки объекта на данной стадии еще не означает выбрать его конструктивное ре­ шение. Признаковое пространство достаточно широко для вмещения многих вариантов технического решения, хотя и определяет направление дальней­ шего поиска.

Для автоматизированного выполнения процедуры нужно построить полные множества целей и признаков, установить бинарные отношения ме­ жду элементами этих множеств и произвести срез внутри этих отношений по выбранному подмножеству целей А0.

Бинарное отношение между целями и признаками можно отразить в

виде таблицы или матрицы соответствий
л	Рг	Рш
^ко	С|(2)	Сцт)
^2(1)	С?(2)	^2(т)
С„(1)	Г„(2)	Сп(т)

Строки матрицы соответствуют целям проектирования, а столбцы - основным признакам. В ячейках на пересечении строк и столбцов простав­ ляются +1,-1 или 0 (+1 означает, что признак соответствует цели, а для ее достижения показатели должны быть увеличены; -1 - признак отвечает цели, показатели должны быть уменьшены; 0 - признак не отвечает цели).

На основании целевого описания и матрицы соответствий можно со­ ставить концептуальное описание. Оно включает в себя: выражение потреб­

ности проектирования, цели в ранжированной последовательности и призна­ ки, соответствующие целям:

ОП2 = {а0[а,{р„ Р2\ fl2 (/*„/>,)...]},

Р), Р2 - признаки, соответствующие целям проектирования я, из полного множества признаков; Ръ, Р5- признаки, соответствующие цели а2.

Пример. Цель на уровне заказчика при проектировании машины для разработки мерзлых грунтов - снижение себестоимости разработки грунтов - связана с признаками: показателями надежности и технологичности, ха­ рактеристиками условий эксплуатации, технического обслуживания и ре­ монта, показателями экономичности.

2.2. Процедуры на стадии разработки технического предложения

Техническое предложение - это совокупность конструкторских доку­ ментов, разработанных на основе технического задания и содержащих опи­ сание вариантов возможных решений и оптимального среди них.

Поиск вариантов решений выполняет инженер-конструктор. Однако уже на этой стадии целесообразно привлекать к работе над проектом инже- неров-технологов и художников-конструкторов.

Технологи, участвуя вместе с конструкторами в выборе вариантов, за­ ботятся о лучших предпосылках для использования рационального членения и компоновки будущей конструкции, лучших предпосылках для использова­ ния стандартных и унифицированных узлов, типовых технологических про­ цессов и ограничении номенклатуры конструкционных материалов. Худож­ ник-конструктор формирует требования технической эстетики и эргономики, разрабатывает варианты художественно-конструкторского решения.

В техническом предложении отражаются результаты исследований по проверке патентной чистоты выбранного варианта решения. В число доку­ ментов технического предложения входят пояснительная записка и ведо­ мость технического предложения. Кроме того, в него могут дополнительно включаться: чертеж общего вида или габаритный чертеж, схемы, таблицы, расчеты и патентный формуляр.

Чертеж общего вида определяет конструкцию изделия и взаимодейст­ вие его составных частей и поясняет принцип работы изделия. Он включает в себя виды, разрезы изделия, надписи, текстовую часть; наименования составных частей, для которых объясняется принцип работы. Составные части изображают упрощенно.

Габаритные чертежи выполняют с максимальными упрощениями, но так, чтобы были видны крайние положения перемещающихся частей. На чертеж наносят габаритные, установочные и присоединительные размеры.

Схемы в зависимости от входящих в состав изделия элементов подраз­ деляются на следующие виды, обозначаемые буквами: электрические - Э, гидравлические - Г, вакуумные - В, пневматические - П, кинематические - К, оптические - Л, и т.д. В зависимости от основного назначения схемы де­ лятся на типы, обозначаемые цифрами: структурные - 1, функциональные - 2, принципиальные (полные) - 3, соединений (монтажные) - 4,и т.д.

Структурная схема определяет основные функциональные части изде­ лия, их назначение и взаимосвязи.

Функциональная схема разъясняет процессы, протекающие в функ­ циональных цепях изделия или в изделии в целом.

Принципиальная (полная) схема определяет полный состав элементов и связей между ними и дает детальное представление о принципах работы изделия.

Исходя из содержания технического предложения выделены три ос­ новные процедуры: поиск вариантов технических решений с разработкой функциональных и структурных моделей объекта проектирования, выбор оптимального варианта и анализ принятого варианта решения.

2.2.1. Поиск вариантов технических решений

На входе процедура поиска возможных решений имеет цели проекти­ рования и основные признаки. А выходом ее должны стать варианты дости­ жения поставленных целей, т.е. варианты проектируемого объекта. Этап проектирования в наибольшей степени носит творческий характер, когда на­ глядно проявляются способности конструктора к изобретательству. Разгадка механизма творчества - неотъемлемое условие создания искусственного ин­ теллекта. На заре технического творчества поиск конструктивною решения всецело относился к области искусства. В настоящее время этот процесс все ближе примыкает к науке. Использование систематизированных и обобщен­ ных знаний в поиске технических решений - характерная черта современно­ го проектирования. Знания нужны не для того, чтобы освободить человека от творчества, а для того, чтобы сделать это творчество более целенаправлен­ ным. Стремление к сокращению сроков проектирования не позволяет наде­ яться на спонтанное озарение, его нужно стимулировать. Нередки случаи, когда наиболее удачный вариант технического решения возникает в конце разработки и уже не может быть использован.

Известные в настоящее время приемы и методы поиска технических решений по степени формализации делят на три группы: 1) неформализо­ ванные эвристические приемы и методы, состоящие из набора эвристик (для неструктурированных задач); 2) частично формализованные эвристические методы (для слабоструктурных задач); 3) полностью формализованные приемы и методы - алгоритмы.

Названные группы отличаются по численности входящих в них прие­ мов и методов. Наиболее многочисленна первая группа. Она включает в себя

как общие (инвариантные) методы, применимые к любым объектам, так и частичные, относящиеся к определенному классу технических систем и их элементов.

Полностью формализованные методы (алгоритмы) составляют самую малочисленную группу и относятся лишь к конкретным объектам техники. Однако с развитием методики проектирования все большее число методов переходит из первой группы во вторую и из второй в третью. Автоматизиро­ ванное проектирование строится на второй группе методов, а автоматиче­ ское - на третьей.

Эвристические методы рождаются в результате анализа уже выпол­ ненных проектных разработок. Некоторые из них являются сугубо индиви­ дуальными, связанными с образом мышления конкретной личности. Переда­ ваемые от учителя к ученикам, они зачастую не приносят последним тех ре­ зультатов, которых добился учитель. Другие приемы и методы, несомненно, полезны всем, помогают преодолеть инерцию мышления, служат ориенти­ рами в поиске технических решений.

Примерами первой группы методов поиска решений являются эври­ стические приемы, метод гирлянд ассоциаций, метод мозгового штурма, синектика, метод идеального объекта.

Эвристические приемы. Они указывают на то, как преобразовать имеющееся техническое решение для получения искомого, т.е. имеется не­ который объект (прототип), к которому применяется преобразование (эври­ стический прием), после чего полученный результат сравнивается с целевым. Большинство приемов включает в себя две части. Первая отвечает на вопрос «Что изменить?», вторая - «Как изменить?». Первая часть может содержать несколько переменных, а вторая - несколько способов их изменения. Поэто­ му приемы зачастую содержат несколько поисковых шагов. Известно более двухсот эвристических приемов, в том числе «от целого к частному», анало­ гии, элементарные вопросы и др.

При поиске технических решений, используя эвристические приемы, следует: 1) уяснить цели проектирования, изложенные в техническом зада­ нии, и составить список признаков искомого технического решения; 2) вы­ брать из известных технических решений (если решение не задано) один или несколько прототипов, в наибольшей степени отвечающих списку призна­ ков; 3) проанализировать прототипы, выявив несоответствие их признаков искомому решению; 4) в соответствии с признаками, подлежащими измене­ нию, выбрать наиболее подходящий прием.

Метод гирлянд ассоциаций. В некоторых случаях, когда цель проек­ тирования определяет единственный признак объекта - новизну, можно вос­ пользоваться методом гирлянд ассоциаций. Для этого объекту подбирают синонимы (если это возможно), а затем случайным образом называют другие объекты и составляют комбинации из тех и других. Каждую пару объектов дополняют тем или иным признаком случайного объекта или ассоциациями, которые они вызывают. Основной смысл заключается в том, чтобы «расша­

тать» устоявшееся представление об объекте. Конечно же, подавляющее большинство комбинаций - объект (синоним), признаки и ассоциации - окажутся абсурдными. Однако на практике 10 - 15 % комбинаций представ­ ляют интересные идеи.

Мозговой штурм. Метод позволяет организовать коллективную рабо­ ту конструкторов. Руководитель (главный конструктор) собирает группу спе­ циалистов, как правило, не более 10 человек, и ставит перед ними задачу поиска технических решений, удовлетворяющих определенным признакам. Каждый участник сеанса мозгового штурма, продолжающегося не более од­ ного часа, может высказать любые идеи. Анализ и критика их во время сеан­ са не допускается. Основной девиз - чем больше идей, тем лучше. Если в хо­ де сеанса высказано мало идей, то он может быть повторен, возможно, с дру­ гим составом специалистов. Все высказывания стенофафируются или запи­ сываются на магнитную ленту.

Сннектика. Метод подобен методу мозгового штурма, но отличается от него тем, что основная его задача сводится к детальному обсуждению од­ ного-двух вариантов технических решений. В группу участников обсужде­ ния включаются специалисты различных профессий.

Метод идеального объекта. Прежде чем отыскать идеальное техниче­ ское решение, рекомендуется пофантазировать, представить себе «идеаль­ ное» решение поставленной задачи. Скажем, для перемещения предложить ковер-самолет. Конечно, полет фантазии должен быть офаничен пределами осуществимого. Выбрав идеальный объект или способ удовлетворения по­ требности, в дальнейшем надлежит установить препятствия к его реализа­ ции. На борьбе с этими препятствиями и следует построить поиск техниче­ ских решений. Изложенный метод, несомненно, организует поиск. Однако представление идеального способа достижения цели в некоторых случаях и составляет основную трудность.

Морфологический анализ. Как было отмечено, рассмотренные до сих пор приемы и мегоды относятся к первой фуппе по степени формализации. Морфологический анализ включает в себя операции, выполняемые алгорит­ мически, и, следовательно, принадлежит ко второй фуппе. Сущность его со­ стоит в расчленении общей функции проектируемого объекта на частные и в отыскании возможных способов их выполнения. То или иное сочетание спо­ собов выполнения всех частных функций и составляет вариант техническою решения. Конечно, некоторые варианты абсурдны, многие средства выпол­ нения частных функций несовместимы. Однако обычно представление уда­ ется «сломать», появляются интересные варианты.

Результаты разработки вариантов проектируемого объекта удобно представить в виде табл. 2.1.

Таблица 2.1

Разработка вариантов технического решения

Частная функция У]		Частная функция У2		Частная функция Уп	Общая
					функция У
U n и »	V u	и 21	V u
1				1
1		1		1	* 2
					...
		1		1	Хт

В ней указываются общая и частные функции, а также средства выпол­ нения частных функций Uij%Хт- элемент множества технических решений. Единицы в ячейках на пересечении строк и столбцов таблицы означают ис­ пользование того или иного средства для выполнения частной функции в данном варианте технического решения.

Процедура поиска технических решений определена как установление бинарных отношений между множествами признаков и технических реше­ ний. Множество признаков объекта эквивалентно множеству частных функ­ ций, которые составляют функциональную модель объекта проектирования.

2.2.2. Функциональная и структурная модель объекта проектирования

Функциональная модель включает в себя множество признаков, опре­ деляющих взаимодействие системы со средой и правило упорядочения сме­ ны состояний в ходе достижения цели. Рассмотрим 3 подхода к функцио­ нальному описанию:

1. Во всяком техническом устройстве имеется связь между причиной и

	действием, г.е. существует как минимум од-
	на входная и выходная величина. Связь ме­
	жду ними зависит от ряда постоянных
	структурных и управляющих величин. На
	этой основе любое техническое решение
	может быть представлено схемой, приве­
	денной на рис. 2.2. На ней прямоугольника­
	ми обозначены функциональные элементы,
	стрелками - множества: fVBX - входных ве­
	личин, 1¥шх - выходных величин, Р{к) - по­
Рис. 2,2. Функциональная	стоянных структурных величин, Z(y) -
схема любого технического	управляющих величин. Выделив частные
объекта	функции, можно построить дифференциро­
	ванную функциональную схему.

42

2. Следующий, второй, подход к функциональному описанию основывается на модели «черного ящика» и указывает лишь начальное состояние и конечный результат. Формула такого представления имеет вид

П,

где У(,) - функция рассматриваемой технической системы; SH - начальное

описание системы; S* - конечный результат; -> - знак, обозначающий пре­ образование.

3. Третий подход, называемый естественным, кроме уже названных во втором подходе компонентов включает условия и ограничения и имеет сле­ дующий вид

Y{S) =({S » ^ S ' \ H J ,

где Н(0) описание особых условий и ограничений.

Структурное описание объекта строится по функциональному описа­ нию и включает в себя множество связей между элементами. Элементы и множество связей между ними и их признаками могут быть представлены в форме графа, носящего название И-ИЛИ дерева. И-ИЛИ дерево способно хранить в компактном виде информацию о множестве всех технических ре­ шений, относящихся как к объекту в целом, так и к его функциональным элементам. Альтернативные функциональные элементы могут быть пред­ ставлены в дереве своими конструктивными признаками. На рис. 2.3 верши­ ны И помечены темными кружочками, а вершины ИЛИ - светлыми.

Рис. 2.3. И-ИЛИ дерево технических решений рабочего оборудования экскаватора

Построение дерева технических решений - трудоемкий процесс. По­ этому можно ограничить исходное множество только наиболее перспектив­ ными техническими решениями, обладающими к тому же наиболее высоки­ ми технико-экономическими показателями. В дальнейшем расширение мно­ жества может осуществляться с использованием различных источников, включая авторские свидетельства и патенты. Однако дерево несет информа­ цию лишь о структуре технических решений и об их конструктивных при­ знаках. Этого недостаточно для выбора вариантов, отвечающих другим эле­ ментам множества признаков из концептуального описания. Поэтому дерево нужно дополнить средством формального отражения отношений на множе­ ствах технических решений, их функций и признаков. Воспользуемся для этого матрицей соответствия.

В строках матрицы соответствия (табл. 2.2) представлены функцио­ нальные элементы, в столбцах - признаки из полного их множества. Матри­ ца определена на множестве значений + 1,0,-!. +1 означает, что техническое решение функционального элемента улучшает соответствующий признак; 0 - техническое решение не характеризуется данным признаком; -1 - техни­ ческое решение ухудшает признак.

				Таблица 2.2
	Матрица соответствий
	Техническое решение в		Признак Р
	виде функционального	Р,	р2	1	ря
	элемента			Рз
		-I	0	1	0
		0	1	1	-1
		0	0	0	0
		1	0	-1	1

Рассмотренное дерево технических решений, матрица соответствий, концептуальное, функциональное и структурное описание объекта проекти­ рования представляют необходимые данные для выработки вариантов объ­ екта проектирования.

2.2.3. Выбор оптимального варианта технического решения

Переходя к процедуре принятия решения, конструктор располагает не­ которыми вариантами технического решения. Теперь ему нужно выбрать лучший из них. С подобными задачами встречаются не только при проекти­ ровании. Выбор того или иного действия из множества вариантов - ситуа­ ция, свойственная любой деятельности человека. В каждом случае ему нуж-

но вначале дагь оценку вариантам, затем эти оценки сравнить и только после этого выбрать вариант с наивысшей оценкой. Эта процедура заключается в отображении множества вариантов технического решения на множество оценок и выборе оптимального из них:

(F :Jf0 ->K )-»opt.

Выполнить процедуру принятия решения было бы просто, если бы все варианты можно было измерить по одной шкале. Однако в действительности каждый вариант характеризуется многими измерениями. Кроме того, не все­ гда можно воспользоваться абсолютной шкалой. Варианты технического решения представлены пока лишь функциональной и структурной схемой, а дать количественную оценку даже таким свойствам объекта, как масса, про­ изводительность, стоимость, сложно. Еще сложнее обстоит дело с оценкой надежности, эргономичности, эстетичности. Попытка уточнить количест­ венные оценки по варианту технического решения приведет, по существу, к последующей его разработке, а это связано с трудовыми и временными рас­ ходами. Вот и приходится принимать решение в условиях неопределенности. И это еще не все. Сравнивать варианты зачастую приходится по многим их признакам, т.е. пользоваться несколькими шкалами. Причем по одной шкале лучшими оказываются одни варианты, а по другой - иные.

И еще одно обстоятельство. Признаки, используемые для сравнения, неравнозначны: одни более важны, другие менее. Некоторые из них проти­ воречивы.

Рассмотрим теперь общую постановку решаемой задачи:

1.Каждый вариант технического решения характеризуется некоторы­ ми параметрами Pj ; j - 1,..., п .

2.Оценка вариантов производится по совокупности критериев:

v= {v,}; / = 1,/я.

3.В качестве критериев выбираются признаки, отвечающие наиболее важным целям проектирования.

Втакой постановке задача принятия решения примыкает к задачам многокритериальной оптимизации. Особенность таких задач состоит в том, что одновременное достижение оптимума по всем критериям практически невозможно. Приходится идти на компромисс, т.е. на соглашение, достигну­ тое путем взаимных уступок. В одних случаях он просто связан с уравнива­ нием критериев, в других - с выбором из них главного.

Компромисс упрощает решение задачи, сводя ее в некоторых случаях к однокритериальной. Схемы компромиссов могут строиться на основе сле­ дующих принципов: равномерности, справедливой уступки, выделения глав­ ного критерия, последовательной уступки.

Принцип равномерности может требовать: 1) равенства всех критери­ ев; 2) «подтягивания» наихудшего из критериев; 3) квазиравенства критери­ ев, т.е. равенства с допустимой погрешностью. Возможны и другие условия равномерности.

Принцип справедливой уступки требует или абсолютной, или относи­ тельной уступки. Абсолютная уступка считается справедливой, если сум­ марный абсолютный уровень снижения величины одного или нескольких критериев не превосходит суммарного абсолютного уровня повышения ве­ личины других критериев.

При относительной уступке оперируют относительными величинами, являющимися безразмерными, которые определяют путем деления значения критерия на заданное или желаемое значение.

Относительная уступка обеспечивает справедливый компромисс, если суммарный относительный уровень снижения качества по одному или не­ скольким критериям не превосходит суммарного относительного уровня по­ вышения качества по остальным критериям.

Принцип выделения главного критерия сводит многокритериальную задачу к однокритериальной. Оптимизация происходит по главному крите­ рию, на все остальные накладываются ограничения.

Принцип последовательной уступки позволяет отыскать оптимальное решение, отвечающее достижению максимума по всем критериям, разме­ щаемым в ранжированной последовательности по степени их важности. Отыскание оптимального решения начинается с учета первого по важности критерия. Затем с учетом практических соображений и точности, с которой заданы исходные данные, назначается «уступка» по первому критерию Дv,. В пределах и v, - Av1(Vj-максимально возможное значение v,) находится решение, отвечающее максимуму по второму критерию. Дальнейшие шаги состоят в «уступке» по второму и следующим критериям. В итоге находится компромиссное решение, у которого все критерии достигают максимума или находятся вблизи него, не выходя за пределы, установленные «уступкой» области.

Решение многокритериальной задачи осложняется различием единиц измерения критериев. Исключение составляет принятие решения на основе принципа суммарной относительной уступки, где оперируют с относитель­ ными величинами, являющимися безразмерными. Во всех других случаях стремятся нормализовать критерии, что также связано с переходом к относи­ тельным показателям. Нормализованный вектор критериев имеет безразмер­ ные компоненты, получаемые путем деления компонент рассматриваемого вектора на соответствующие компоненты некоторого идеального вектора:

где Кн - нормализованный вектор критериев; v(M- компоненты идеального вектора.

«Идеальный» вектор критериев может составляться по заданным или желаемым значениям его компонент:

г = Г = =

где v? - заданное значение компонент.

За компоненты идеального вектора могут быть также приняты их воз­ можные максимальные значения

Vи = {max v,}; \ = I ~к

Как уже отмечалось, одной из основных проблем решения многокри­ териальной задачи является проблема приоритета критериев. На первом эта­ пе критерии можно разместить в ряд по степени их важности. На основании ряда строится вектор приоритета С„ (Сi, С2, ..., С\), компоненты которого означают степень превосходства двух соседних критериев. При построении вектора приоритета используют шкалу интервалов; удобно начинать с по­ следней компоненты Сь приравняв ее к единице (все остальные компоненты оказываются равными единице или большими). По вектору приоритета стро­

ится весовой вектор. Компоненты его удовлетворяют условию

г.-

О < X., < 1; / =

- к

IX =1. и-1

Компоненты весового вектора находятся по формуле

' к с -

Выбор оптимального конструктивного решения в условиях многокри­ териальной задачи удобнее всего производить с использованием матрицы решений на основе компромисса, построенного по принципу справедливой уступки (табл. 2.3).

						Таблица 2.3
			Матрица решений
			Критерий и его вес		Комплекс-
	Вари­	V,, X,	у 2Д ,	v*. **	ная оценка Место
	ант				4	о.
					I	V,. х,.
			0,	Ч	1=1
		v ,° ( v ,% )
			V2 ( V2 \	)
	* 2

* 3

•

Примечание: V,0 - оценка варианта по критерию V, (в скобках произведение оценки по

критерию V, на его вес ).

Примеры критериев:

v, - производительность, v2 - расход энергии,

v3 - надежность устройства,

v4 - затраты на проектирование.

Оценку вариантов можно выполнять попарным сравнением. Для этого все варианты рассматриваются последовательно по каждому критерию. Вна­ чале отыскивается лучший вариант. Ему приписывается оценка 10. Затем с ним сравниваются все остальные. При этом множество оценок {1,2, ..., 10} используется как шкала интервалов.

Проще всего производить сравнение, когда параметры вариантов име­ ют численное значение. Когда же этого нет, следует руководствоваться опы­ том и интуицией. Для более обоснованных оценок можно воспользоваться экспертным методом.

Оптимальным вариантом технического решения будет тот, который отвечает условию:

X = maxLv,°Xf,

/-1

где v,0 - оценка варианта по /-критерию.

2.2.4. Анализ принятого варианта технических решений на микроуровне

Процедура анализа принятого решения на стадии разработки техниче­ ских предложений проводится в целях получения необходимой информации

об объекте проектирования. К моменту выполнения процедуры составлены функциональное и структурное описания. В ходе анализа проверяются рабо­ тоспособность объекта, особенности его взаимодействия с факторами окру­ жения, взаимосвязи составляющих подсистем и элементов.

В настоящее время существует целый арсенал методов анализа. Разо­ бьем их условно на два вида:

-эвристические;

-экспериментальные.

Эвристические - «добывают» ту или иную информацию на основе преобразований чувственно-образных моделей, возникающих в сознании че­ ловека. Значительную роль здесь играют воображение и интуиция. Опытный конструктор, длительное время работающий в той или иной области техни­ ки, способен предсказать поведение объекта в iex или иных ситуациях. Эв­ ристические методы включают в себя и мозговой штурм, и синектику.

Экспериментальные методы связаны с испытанием моделей или на­ турного образца объекта. Модели могут быть как математическими, так и вещественными (материальными).

Различают три уровня математической модели (ММ) объекта проекти­ рования: микро-, макро- и метауровень.

Микроуровень - иерархический уровень в описаниях сложных объек­ тов, характерной особенностью которого является рассмотрение физических процессов, протекающих в сплошных средах и непрерывном времени. Сплошная среда - это элемент или деталь проектируемого объекта. Типич­ ные математические модели на микроуровне - дифференциальные уравне­ ния в частных производных (ДУЧП) с заданными краевыми условиями. Краевые условия - совокупность граничных и начальных условий для иссле­ дуемых непрерывных функций. Граничные условия выражают сведения на границах области определения функции, а начальные задают значения функ­ ции в начальный момент времени.

Система уравнений, как правило, известна. Примерами могут быть уравнения Ламе для механики упругих сред, уравнения Навье - Стокса для гидравлики, уравнения теплопроводности для термодинамики. С помощью этих уравнений рассчитываются, т.е. являются объектом анализа, поля на­ пряжений и деформаций в деталях металлических конструкций, электриче­ ского потенциала в электронных приборах, температуры и давления в рабо­ чей полости турбины и т.п.

Применение ММ в виде ДУЧП возможно только для отдельных дета­ лей, поэтому первая задача, возникающая при моделировании, состоит в по­ строении приближенной модели.

Пример. Важная задача проектирования - определение прочности уз­ лов и элементов конструкций при различных видах нагружения. Напряжен­ ное состояние деталей конструкции в зависимости от геометрии, вида на­ грузки и материала описывается в общем виде уравнением

	dq>	dcp	dcp
	dx
где x, у, z -	пространственные координаты; cp -		искомая непрерывная функ­
ция; Кх,	К2- коэффициенты; Q - внешнее воздействие.

На микроуровне используется метод инженерного анализа, называе­ мый методом конечных элементов. Объект разбивается на большое число элементов конечных размеров (обычно прямоугольников или треугольни­ ков), образующих связную сеть узлов концентрации напряжений. Используя вычислительные возможности ЭВМ, можно проанализировать свойства це­ лостного объекта: возникающие механические усилия, передачу тепла и дру^ гие характеристики, исследуя поведение каждого отдельного элемента] Оценка поведения целостного объекта производится на основе определений взаимосвязанного поведения всех его элементов.

В некоторых САПР имеется возможность автоматического выделения узлов и получения сетевой структуры для данного объекта. Пользователь при этом должен лишь задавать параметры модели на основе метода конечных элементов, а система самостоятельно произведет все нужные вычисления.

Результат анализа по методу конечных элементов лучше в е е т отобра­ жается системой в графической форме на экране дисплея и легко восприни­ мается пользователем благодаря наглядности. Например, при исследовании развиваемых в объекте механических усилий конечный результат может быть отображен на экране в виде деформированной формы, совмещенной с изображением ненагруженного объекта. При этом объект до и после дефор­ мации может воспроизводиться разным цветом. Если результаты анализа свидетельствуют о нежелательных свойствах поведения проектируемого объекта, то конструктор может изменить его форму и повторить анализ ме­ тодом конечных элементов для пересмотренной конструкции.

2.2.5. Анализ технических решений на макроуровне

Макроуровень - иерархический уровень в описаниях объектов, рас­ сматривающий физические процессы, протекающие в непрерывном времени, но дискретизированном (раздельном, прерывном) пространстве по функцио­ нальному признаку.

На этом уровне в качестве компонентов при проектировании объектов машиностроения фигурируют сборочные единицы, а их элементарными час­ тями считаются детали, рассматриваемые на микроуровне. Состояние ком­ понентов макроуровня характеризуется фазовыми переменными. Фазовая переменная - величина, характеризующая физическое или информационное состояние компонента или объекта в целом. Примерами фазовых перемен­ ных Moiyr служить электрические напряжения и токи, механические напря­ жения и деформации, силы и скорости, температуры, давления, расходы и

т.п. На макроуровне фазовыми переменными являются переменные, относя­ щиеся к внешним выводам компонентов. Конкретный смысл этих перемен­ ных для различных компонентов (подсистем) показан в табл. 2.4. Здесь на компоненте типа R происходит преобразование энергии, на компонентах ти­ па С и Z, накапливается потенциальная или кинетическая энергия.

	Фазовые переменные компонентов				Таблица 2.4
	Фазовые переменные		—	Компоненты		!
Подсистема
	типа по­	типа по­	типа R	типа С	типа L
^ ....	i тока	тенциала
Злектриче-	; Ток	Напряже­	Сопротивле-	Емкость	Индуктивность
ская		ние	j; ние
| Мсханиче-	Сила	Скорость	Трение	Масса	j Упругость
1ская посту-
1нательная	Момент		i
Механиче­		Угловая		| Момент	| Вращательная	|
ская враща­		скороегь	i	| инерции	j гибкость
тельная	Расход		1		|
Гидравличе-		Давление		Гидравличе­	I Гидравлическая
ская (пнев­			I	ская емкость	\ индуктивность	|
матическая)			1
		j Температу-	! Теплосопро-	Теплоем­
j Тепловая	Тепловой				i
	поток	1ра	| тивленис	кость	.1.

Математической моделью объекта на макроуровне является система обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ) с заданными началь­ ными условиями. В основе ММ лежат компонентные уравнения отдельных элементов (компонентов) и топологические уравнения.

Компонентные уравнения - уравнения математических моделей эле­ ментов на макроуровне.

Эти уравнения связывают разнотипные фазовые переменные. Для про­ стых элементов компонентные уравнения имеют одну из следующих форм: U = a l j = a (iU ld t\U = a(dl / dr), где a - параметр элемента; /, U - соответ­ ственно фазовые переменные типа потока и типа потенциала.

Математическая модель сложного компонента - система уравнений, в общем случае нелинейных, связывающих разнотипные фазовые переменные, характеризующие состояние компонента.

Топологические уравнения - уравнения, связывающие однотипные фа­ зовые переменные различных компонентов. Примерами топологических уравнений в электрических системах являются уравнения законов Кирхгофа, в механических системах - уравнения, выражающие принципы Даламбера и

сложения скоростей и др.

Для построения ММ на макроуровне используется метод на основе эк­ вивалентных схем.

Эквивалентная схема отражает наиболее общие закономерности про­ цессов, происходящих в подсистемах независимо от физической природы. Метод предполагает, прежде всего, выделение подсистем. Эта неформальная операция выполняется конструктором. При этом он руководствуется сле­ дующими основными принципами:

1.Каждая выделяемая подсистема должна быть физически однород­ ной (механической, электрической, гидравлической, тепловой и др.).

2.Состояние подсистемы описывается множеством фазовых пере­ менных, относящихся к переменным потока или потенциала. Множество фа­ зовых переменных для каждой подсистемы конечно. В этом проявляется дискретизация пространства при переходе к макроуровню.

3.Структура подсистемы представляется множеством элементов и связей между ними. Эти компоненты отражаются на графе соответственно вершинами и ребрами.

Компоненты подсистемы могут быть простыми и сложными. Простые представляются на графе одним ребром, сложные - двумя и более. Каждое ребро характеризуется двумя фазовыми переменными типа потока Ij и типа потенциала U j ( j - номер ребра). Каждый узел, связывающий ребра, характе­

ризуется одной фазовой переменной типа потенциала фу (у - номер узла). Для ребра между узлами а й в

Uj=q>a-<i>e

4.Свойства компонента выражаются взаимозависимостью между фазовыми переменными и представляются компонентными уравнениями.

5.Математическая модель выражается системой компонентных и топологических уравнений. Для представления свойств компонентов и их связей используются обыкновенные дифференциальные уравнения. Форма их с точностью до обозначений физических величин совпадает с формой уравнений для компонентов с различной физической природой. В этом про­ является аналогия, свойственная природе. Использование этой закономерно­ сти позволяет создать инвариантную (неизменяющуюся) методику построе­ ния ММ простых и сложных компонентов.

Для электрических систем основными фазовыми переменными явля­ ются токи и напряжения. В качестве элементов выступают резисторы, кон­ денсаторы, катушки индуктивности, источники тока и напряжения, транс­ форматоры и др. Компонентные уравнения:

U = R/; I = C{dU/di\ U = L{dI/it),

где I - ток, U - напряжение, R - сопротивление, С - емкость, L - индуктивность.

Топологические уравнения относительно узлов и контуров строятся на основе уравнений Кирхгофа. Так, по второму закону Кирхгофа для любо­ го узла

Z 1к = 0, а для контура 1C/, =0.

Для механических систем с поступательным движением основными элементами являются: масса (отображение свойства инерционности), гиб­ кость (свойство упругости), механическое сопротивление (потеря механиче­ ской энергии на трение). Фазовые переменные: сила и скорость либо сила и перемещение. Компонентные уравнения для массы и гибкости (пружина, стержень) соответственно:

F = d(mF)/dr, Р = Е Ю(Д///),

где т - масса элементарного участка; F - сила; V - скорость; Р - механиче­ ское напряжение, действующее в продольном направлении; Ею - модуль уп­ ругости (модуль Юнга); / - размер элемента в продольном направлении; Л/ - изменение размера под воздействием напряжения.

Топологические уравнения отражают принцип Даламбера (аналог первого закона Кирхгофа)

ER =0

*

и теорему о сложении скоростей

1 ^ 0 , 1 = 13, i

где F* - силы, действующие на тело; У\у Уг, У3- соответственно абсолютная, относительная и переносная скорость.

Эквивалентные схемы помимо структуры отражают физическую сущность отдельных элементов. Их характерные особенности:

1.Эквивалентная схема состоит из множества ветвей и узлов.

2.Каждая ветвь относится к одному из пяти возможных типов (рис.2.4).

3.Каждой ветви соответствует компонентное уравнение:

1)/ = C(dw/dr),

где I - фазовая переменная типа тока; и - фазовая переменная типа напряже­ ния; С - емкость;

2)	U = L ( d l / d t ) y

где L - индуктивность; 3)£ /= */,

где R - сопротивление.

4)£ / = /,(К ,0 ,

где К- вектор фазовых переменных; t - время; 5) / = / 2( М ) .

4. Каждому узлу соответствует значение фазовой переменной типа по тенциала, а каждой ветви - значение фазовых переменных / и U.

Оо

6 6 б

/з

Рис. 2.4. Типы ветвей на эквивалентных схемах: 1 - емкость; 2 - индуктив­ ность; 3 - сопротивление; 4 - источник напряжения;,. 5 - источник тока

Пример. На рис.2.5 представлена кинематическая поступательная пара, состоящая из двух тел. На систему действуют следующие силы: Р - движу­ щая; F - трения; G - тяжести; Рн- инерции.

Движение тела 1 относительно оси ОХ происходит под действием сил Л Л,, F- Граф системы изображен на рис. 2.5, б, где узлы 7 и 2 представляют взаимодействующие тела, а ребра - силы.

2

а

б

в

Рис. 2.5. Схемы поступательной пары: а - кинематическая схема; б - граф пары; в - эквивалентная схема

На эквивалентной схеме (рис. 2.5, в) каждое ребро графа представле­ но ветвью, тип которой раскрывает физическую сущность действующих сил. Так, внешняя сила Р, приложенная к телу 7, представлена ветвью источника потока, сила трения - сопротивлением, а сила инерции чела массой т - ем­ костью.

Рассмотрим два типа программных средств, используемых на макро­ уровне для механических систем с целью решения задач:

-анализа свойств масс;

-кинематического анализа.

Первый тип задач получил в рамках САПР наибольшее распростране­ ние. Программные средства для решения этих задач позволяют использовать такие свойства объектов, как площадь поверхности, масса, объем, центр тя­ жести и момент инерции. Применительно к плоским поверхностям (или по­ перечным сечениям твердых тел) соответствующие расчеты включают в себя вычисления площади, инерционных свойств.

Второй тип задач - это задачи кинематического анализа с целью про­ верки взаимного расположения компонентов. Эта процедура связана с кон­ тролем местоположения элементов компоновочного узла, так как существует риск установки их на места, уже занятые другими компонентами. Одно из наиболее интересных средств такого контроля - это кинематические модели. Программы по кинематике обеспечивают возможность динамического вос­ произведения движения проектируемых механизмов. Наличие таких средств анализа расширяет возможности конструктора в части визуального наблюде­ ния за работой механизма и помогает гарантировать отсутствие столкнове­ ний с другими объектами.

2.2.6. Анализ технических решений на метауровне

На метауровне объект проектирования рассматривается как сложная система, взаимодействующая с факторами окружения. Для построения ММ в данном случае используются: теории автоматического управления и массо­ вого обслуживания, методы планирования эксперимента, теория конечных автоматов, математическая логика, теория множеств, имитационное модели­ рование.

На стадии разработки технических предложений при проектировании сложных систем модель отражает взаимодействие основных подсистем друг с другом и с окружающей средой. Таким образом, ММ на данной стадии со­ ответствует мета- и макроуровням.

Создавая новый образец техники, конструктор должен позаботиться о его жизнеобеспечении. Таким образом, удовлетворение той или иной по­ требности общества, выраженной в заявке на проектирование, достигается не только самим новым изделием, но и целым комплексом технических средств (КТС), включая средства эксплуатации и ремонта. Подход, связан­

ный с представлением объекта проектирования как средства для удовлетво­ рения определенной заявки на обслуживание потребностей общества, предо­ пределяет метод математического моделирования. В его основу должна бьггь положена теория массового обслуживания. Предмет теории массового об­ служивания - построение ММ, связывающих заданные условия работы сис­ темы массового обслуживания (СМО) с интересующими нас характеристи­ ками - показателями эффективности СМО, ее способность справляться с по­ током заявок (или требований). Рассмотрим основные положения теории массового обслуживания:

1.Совокупность технических устройств, машин, аппаратов, сооруже­ ний или их комплексов, предназначенных для выполнения полного набора однотипных работ, называется обслуживающей системой.

2.Каждая отдельная работа, требуемая от ОС, называется требовани­ ем на обслуживание.

3.Требования характеризуются совокупностью признаков и их значе­

ниями.

4.Совокупность требований, подлежащих обработке в течение опре­ деленного промежутка времени, называется заявкой на обслуживание.

5.Требования, распределенные во времени, образуют поток.

6.Критерием оптимальности комплекса технических средств или его самостоятельно функционирующих узлов является сумма собственных за­ трат на проектирование, производство и эксплуатацию соответствующего объекта.

7.Критерием эффективности называют отношение доходов, получен­

ных в процессе эксплуатации системы обслуживания, КТС или изделия, к за­ тратам на проектирование, производство и эксплуатацию соответствующего объекта.

Стоимость всего изделия выражается через стоимость его комплек­ тующих, но ее можно рассматривать и как величину затрат на достижение заданного значения вектора выходных параметров. Зависимость между тех­ ническими параметрами КТС и его стоимостью теоретически установить весьма затруднительно. Однако можно использовать предшествующий опыт создания КТС, собрав и отобрав статистику. Системы массового обслужива­ ния удобны для представления стохастических (случайных, вероятностных) систем с непрерывным временем.

Конечные автоматы удобны для описания любых детерминированных систем (не учитывающих случайные факторы), функционирующих в дис­ кретном времени. Конечным автоматом может считаться объект, который имеет конечное множество состояний. В каждый момент времени на вход автомата подается входной сигнал из конечного множества возможных сиг­ налов. Объект под воздействием входного сигнала переходит в новое со­ стояние и выдает определенный выходной сигнал.

Вероятностные автоматы дают возможность описать элементы сто­ хастических систем с дискретным временем.