Сущность и методология проектирования.

Существует много определений термина «проектирование». Но чаще всего под «проектированием» подразумевают практическую деятельность, направленную на удовлетворение новых потребностей людей. Конечным итогом проектной деятельности является проект, т.е. комплект документации, предназначенной для создания определенного объекта, его эксплуатации, ремонта и ликвидации, а также для проверки или воспроизведения промежуточных и конечных решений, на основе которых был разработан данный объект. Объектом проектирования может быть материальный предмет, выполнение работы, оказание услуги.

Проектирование связано не только с техническими объектами. Так, имеется социальное проектирование, проектирование программного обеспечения и другие. Отличительной особенностью проектирования является его практическая направленность (обязательное наличие практических результатов, иначе это будет «прожект», «маниловщина», творчество ради творчества) и персональная ответственность за полученные и переданные заказчику результаты.

Внутри процесса проектирования, наряду с расчетными этапами и экспериментальными исследованиями, часто выделяют процесс конструирования. Конструирование — деятельность по созданию материального образа разрабатываемого объекта, ему свойственна работа с физическими моделями и их графическими изображениями. Эти модели и изображения, а также некоторые виды изделий называют конструкциями.

Основные методы, методологические подходы и принципы технических наук и методологии проектирования:

Системное проектирование комплексно решает поставленные задачи, принимает во внимание взаимодействие и взаимосвязь отдельных объектов-систем и их частей как между собой, так и с внешней средой, учитывает социально-экономические и экологические последствия их функционирования. Системное проектирование основывается на тщательном совместном рассмотрении объекта проектирования и процесса проектирования, которые в свою очередь включают еще ряд важных частей, показанных на рис.1.

В методологии проектирования используется системно-структурный метод - способ исследования объекта, в качестве которого в данном случае выступают техника, технология и инженерная деятельность, рассматриваемые как системы, что достигается посредством использования общенаучных методологических принципов, специальных понятий.

Данный метод предполагает:

1) рассмотрение объекта как системы;

2) определение состава, структуры и организации элементов и частей системы;

3) выявление зависимости каждого элемента от его места и функций в системе с учетом того, что свойства целого не сводимы к сумме свойств его элементов;

4) анализ того, насколько поведение системы обусловлено как особенностями ее элементов, так и свойствами структуры;

5) исследование механизма взаимозависимости системы и среды;

6) изучение характера иерархичности, присущего данной системе;

7) определение функций системы и ее роли среди других систем;

8) обеспечение множественности описаний с целью множественного охвата системы;

9) рассмотрение динамики системы, представление ее как развивающейся целостности, обнаружение на этой основе закономерностей и тенденций развития системы

В рамках системного подхода познавательный процесс ориентируется на раскрытие функционально-целостной взаимосвязи исследуемого объекта, выявление типов связей между его подсистемами. Онтологическим основанием интегральных функций системного подхода служит целостный характер общественной реальности.

ПРИМЕР: Станок (система элементов-подсистем), сам он - подсистема целостного технологического процесса, а тот в свою очередь рассматривается как подсистема целостного межтехнологического процесса и т.д.

В технических науках выдвижение системного подхода на одно из ведущих мест связано с появлением все более сложных технических систем, с возрастанием масштабности технических проектов, с изучением систем «человек и машина». Системный подход не связан однозначно с конкретной совокупностью познавательных принципов, это общая методологическая установка при исследовании объектов как систем (особенно сложных систем). С позиций системного подхода все технические объекты представляют элементы или системы, взаимодействующие, в свою очередь, с другими системами.

Системный анализ, как и системный подход, не представляет строгой методологической концепции. Однако системный анализ связан с более частными, в том числе формализованными, методами и процедурами. Методы системного анализа направлены на выдвижение различных вариантов решения задачи при наличии некоторой неопределенности в условиях задачи. Выбор наиболее приемлемого для реализации варианта решения задачи осуществляется как на основе научного исследования, так и в ряде случаев на основе личного опыта, интуиции и других субъективных моментов.

Поскольку применение методов системного анализа связано с процессом принятия решений по практическим проблемам управления (системами), постольку системный анализ выступает как прикладное направление современной методологии познавательной и практической деятельности. В процессе принятия технических решений методологические средства системного анализа служат действенным фактором интеграции технических наук и производства.

Системный анализ в области конструирования сложных технических систем иногда называют системотехникой. Более часто системотехнику определяют как научно-техническую дисциплину, охватывающую вопросы проектирования, создания, испытания и эксплуатации сложных систем. В таком понимании системный анализ наряду с моделированием составляет методологическую основу системотехники [58].

Математическое моделирование- процесс математизации технологического знания, то есть использование математики в описании соответствующих процессов. Математическое (информационное) моделирование - это когда исследуемый объект, характеризуемый определенными количественными параметрами, изучается с помощью ЭВМ. В основе этого метода лежит концепция "черного ящика" ("вход" и "выход", на которые задаются данные). Исследователь выявляет оптимальные показатели системы, обеспечивающие заданные характеристики объекта (процесса). Задача заполнения "черного ящика" распадается на два этапа. И именно: создание исходного образца и его оптимизация.

В простейшем случае выдвигается конкретная техническая идея, воплощенная в объекте (образце). В сложном случае реализация технической идеи предваряется экспериментированием на модели, которая может быть упрощена, дабы выявить ее потенциальные возможности, приближающиеся к реальному объекту.

Метод моделирования имеет, наряду с экспериментом, наибольшее значение в технических науках в силу специфики возникновения технического объекта. Как уже отмечалось, под моделированием понимается исследование объектов познания посредством построения их моделей, когда реальный объект заменяется его образцом, а знания, полученные на основе исследования модели, переносятся на реальный объект. Однако в техническом познании реальный объект зачастую отсутствует. В этом случае моделирование можно рассматривать как процесс не только познания объекта, но и его создания.

В целом цикл моделирования включает в себя ряд этапов:

1) процедуру создания модели технического объекта;

2) исследование модели;

3) ее преобразование;

4) переход от модели к техническому объекту.

При этом моделирование оказывается непосредственно связано с экспериментом. В силу того, что сегодня масштаб технических исследований очень значителен, затраты велики, как правило, вначале создается упрошенная модель, в которой материализуются основные принципы соответствующей технической системы. В настоящее время часто начинают с имитационного эксперимента, т.е. строится математическая модель, которая переводится на язык программы и вводится в компьютер.

Проективно-прагматический метод, который дает исследователю общую схему действия. Суть его составляет логика так называемого практического вывода. Необходимо не просто подвести информацию о факте под закон, а подчинить поставленной научно-технической цели информацию о средствах ее достижения.

Метод аппроксимации:слово "аппроксимация" в своем первоначальном значении в математике означает замещение каких-либо математических функций или расчетных схем другими, приближенно выражающими их, эквивалентными им в определенном отношении, а также более простыми функциями или расчетными схемами, для которых уже существуют или могут быть получены известные решения. В технических науках это понятие получило более широкое толкование как процедура решения инженерных задач на теоретических схемах с помощью ряда их эквивалентных замен и упрощений. Сущность метода аппроксимации заключается в компромиссе между точностью и сложностью расчетных схем. Точная аппроксимация обычно приводит к сложным математическим соотношениям и расчетам. Слишком упрощенная эквивалентная схема технической системы снижает точность расчетов. Аппроксимирующие выражения и схемы должны по возможности точно выражать характер аппроксимирующей функции или схемы и в то же время быть как можно проще, чтобы и математические решения были более простыми. Надо подчеркнуть, что для одного режима функционирования технической системы может оказаться предпочтительнее один вид аппроксимации, для других режимов - другие виды.

Технический эксперимент - это деятельность по производству технических эффектов, отчасти может быть квалифицирована как инженерная деятельность, т.е. как конструирование машин, как попытка создать искусственные процессы и состояния, однако с целью получения новых научных знании о природе или подтверждения научных законов, а не исследования закономерностей функционирования и создания самих технических устройств.

К особенностям современного научно-технического эксперимента относят:

а) высокий уровень его материально-технического обеспечения, требующий, как правило, работы целого научного коллектива;

б) использование мощных технологий обработки данных (компьютерных методов, схем статистического анализа, приемов математического моделирования);

в) взаимодействие подходов из различных областей науки для решения конкретных проблем.

Впрочем, до сих пор в прикладных технических науках эксперимент нередко заменяет инженерная деятельность. Именно в инженерной деятельности проверяется адекватность теоретических выводов технической теории и черпается новый эмпирический материал.

Метод декомпозиции (как технический вариант единства анализа и синтеза) применяется для решения сложной технической задачи и сводится к расчленению системы на подсистемы или даже на элементы с целью их детального исследования и последующего синтеза. Например, ракетоноситель как сложная техническая система расчленяется на блоки, которые, в свою очередь, делятся на отсеки, имеющие законченное конструктивное и функциональное назначение. Каждый отсек (топливный, переходный, отсек двигательной установки) подвергается аналитической проработке, а для каждого его элемента проводятся тепловые, прочностные и другие расчеты.

Экстраполяция — распространение знаний о какой-то части объектов, явлений на другую их часть или на совокупность объектов в целом, шире — следствий какой-либо гипотезы или теории с одной сферы описываемых явлений на другие сферы. Так, установив для какого-то газа свойство сжатия и выразив его в виде количественного закона, можно перенести это на другие, не исследованные газы с учетом их коэффициента сжатия. Это распространяется и на прикладное техническое познание.

Выводы: на сегодняшний день насчитывается множество методов технического познания. Как и в естественных науках, методология (наука о методах) техникознания служит определению специфики необходимых методов применительно к техническим наукам. Общим подходом можно считать системный подход, поскольку он наилучшим образом помогает изучить систему техника-природа-человек. Комбинационно-синтезирующий метод позволяет комбинировать различные естественные законы, процессы, силы, детали, принципы работы различных подсистем. Необходимым является метод моделирования, в том числе математического моделирования.

Контрольные вопросы.

1. Каковы взаимоотношения знаний, полученных на эмпирическом и теоретическом уровнях исследования в техникознании?

2. Есть ли какое-то отличие теоретического и эмпирического уровней познания технических и естественных наук?

3. Чем техническая теория принципиально отличается от теории естественнонаучной?

4. Какова роль технической теории?

5. Что составляет содержание технической теории?

6. Какую роль выполняют теоретические схемы в техникознании и технической теории?

7. Какие существуют виды схем? Какую роль они выполняют?

8. В чем заключается специфика эксперимента в технических науках?

9. Раскройте особенности метода проектирования в современном техническом знании.

10. Чем проектирование отличается от конструирования?

11. В чем заключается сущность системного подхода в технических науках?

12. В чем заключается сущность метода системного проектирования?

13. В чем заключаются особенности проектно-ориентированного исследования в современной науке?

14. Что такое аппроксимация и какую роль она играет в технических науках и инженерном проектировании?