Математика/5. Математическое моделирование

К.т.н., доцент Тарутин А.В.

Пермский военный институт внутренних войск, Россия

Компетентностный подход к проектированию

сложных технических систем

Процесс проектирования сложных технических систем (СТС) связан с решением ряда задач по достижению технического совершенства, в том числе с задачей структурно-параметрической оптимизации.

Структура процесса организации проектирования, с учетом связей между заказчиком, научно-исследовательскими учреждениями, конструкторскими бюро и непосредственными изготовителями, может быть представлена в виде, изображенном на рисунке 1 [4, 6, 9].

Схема со структурой функционального управления четко обозначает подчиненность лиц. Техническими отделами такой организации являются специализированные отделы.

Задача обоснования в рамках рассмотренной организации относится к задачам управления в иерархических нерефлекторных системах, и их решение в значительной степени зависит от мотивов поведения каждого участника этой системы, от эффективности действий заказчика, от располагаемого ресурса и т.п. Не затрагивая собственно задач оптимального управления, рассмотрим существующую схему принятия технических решений в процессе обоснования перспектив развития СТС. Эту схему поясняет рис. 2.

Пусть определяются перспективы развития некоторой n-уровневой сложной технической системы. В сложившихся условиях, заказчик на основе анализа целей и задач надсистемы (0-уровень) и своих оценок о возможностях научно-промышленной базы ; , путем решения задачи структурно-параметрической оптимизации находит вектор , составляющий основу общих технических требований (ОТТ) к перспективной СТС.

Эти требования он передает головному исполнителю (1-уровень). Тот, в свою очередь, на основе полученных ОТТ и своих оценок ; , решает задачу структурно-параметрической оптимизации и находит вектор , который ложится в основу технических требований (ТТ-1) для подсистем второго уровня. И так далее. Замыкают этот процесс звенья нижнего уровня, которые в результате решения задачи оптимизации находят параметры элементов системы - .

Значения параметров являются той исходной информацией, на основе которой принимаются решения относительно перспектив развития исследуемой СТС и распределения ресурсов внутри соответствующей отрасли.

Существующую технологию принятия технических решений, как на этапе предпроектных, так и на этапах проектных исследований, можно назвать информационно и алгоритмически изолированной. Это связано с тем, что, несмотря на единство целей и действий участников разработки новой техники, решение ими собственных задач структурно-параметрической оптимизации осуществляется в рамках самостоятельных и самодостаточных алгоритмов. А для того, чтобы полученные решения не были условно оптимальными, каждый участник процесса принятия решений объективно вынужден выходить за границы исследуемой им системы (подсистемы) и включать в число собственных моделей модели подсистем и элементов иерархически соподчиненных звеньев. При такой схеме принятия решений движение информационных потоков и процесс обработки информации идут сверху вниз.

Таким образом, заказчик, формально стоящий в вершине процесса обоснования перспектив развития СТС, должен обладать и уметь проанализировать объем информации существенно больший, чем любой другой участник этого процесса.

В условиях существенного сокращения штатной численности специалистов и при отсутствии реальных рычагов воздействия на исполнителей, заказчик оказывается заложником существующей системы отношений и технологии принятия решений.

Широкое использование современных компьютерных технологий многократно увеличивает эффективность использования формализованной части процесса обоснования, отражающей накопленный опыт в форме моделей и алгоритмов. При этом может сложиться впечатление, что многие промежуточные звенья старой системы становятся лишними, поскольку задача оптимизации может быть решена, например, головным исполнителем самостоятельно. Однако, это ложное впечатление. Базируясь на старом опыте можно получить улучшенную копию прототипа – и не более того. При разработке более совершенных образцов СТС необходимы принципиально новые решения, новый опыт, носителем которого является человеческий интеллект.

Заметим, что существующая практика сбора и анализа информации о достижимом уровне ТТХ СТС, осуществляемая силами научно-исследовательских и учебных заведений не может решить стоящих перед заказчиком проблем.

Во-первых, это связано с невозможностью получить полную и качественную информацию о существующем научно-техническом заделе КБ и предприятий.

Во-вторых, коллективам и отдельным лицам, не вовлеченным непосредственно в процесс разработки вооружения и не обремененными правами и обязанностями принимать решения, в принципе невозможно знать и тонко чувствовать технические нюансы, традиции проектирования, наконец, атмосферу, конъюнктурные мотивы и все то, что определяет возможность реализации новых технических решений.

Поэтому, говоря о возможных путях совершенствования технологии принятия решений в процессе обоснования, необходимо исходить из простого и очевидного факта, что об объекте проектирования никто не может быть информирован более, чем его непосредственный исполнитель. И, следовательно, систему отношений между участниками проектирования и саму технологию нужно организовать таким образом, чтобы, во-первых, не формально, а фактически была организована иерархическая вертикаль управления процессом принятия решений, а во-вторых, информация о научно-техническом заделе исходила не из вторых рук, а от непосредственного исполнителя.

С этой целью предлагается изменить технологию принятия решений в процессе обоснования перспектив СТС и при проектировании в соответствии со схемой, изображенной на рис. 2, б [5]. Принципиально важным здесь является то, что каждый участник проектирования использует одно- или двухуровневые модели, описывающие собственный объект проектирования, в которых подсистемы выступают в форме элементов, за свойство и описание которых отвечают иерархически соподчиненные звенья. Это условие приводит к необходимости организации алгоритмически неизолированной вертикали принятия проектных решений, в которой задействованы все возможные участники разработки СТС.

Преимущества предлагаемой технологии очевидны. Во-первых, все участники процесса принятия решений становятся равноправными партнерами, образуя иерархическую вертикаль принятия решений, подчиненную общим целям и задачам, определяемым заказчиком.

Во-вторых, такая технология исключает необходимость выхода любым участникам проектирования за границы, отведенной ему компетенции, и тем самым существенно ограничивает объем информации, необходимый для решения частных задач.

В-третьих, решение задачи оптимизации в рамках простых одноуровневых моделей неизбежно приведет их к усложнению, и, следовательно, к более адекватному описанию объекта проектирования. Другими словами говоря, это позволит исполнителю обратиться к собственным проблемам и задачам.

В-четвертых, исключается неопределенность, вызванная наличием неизбежных промахов и ошибок при разработке моделей и сборе информации об объектах, выходящих за рамки компетенции лица принимающего решение.

В-пятых, появляется возможность более объективно оценивать вклад каждого участника проектирования в общий результат и тем самым эффективно стимулировать деятельность, направленную на совершенствование СТС.

Однако, схема взаимодействия участников разработки новой техники не должна являться результатом простого переноса некоторого общего алгоритма оптимального проектирования СТС на их организационные структуры. Это низвело бы проектирующие звенья до уровня придатков некоторого гипералгоритма и, по-существу, исключило бы их участие в процессе принятия решений. Непременным условием совершенствования технологии исследовательского проектирования должно стать максимальное привлечение существующего интеллектуального потенциала к процессу выработки и принятия технических решений. А этого невозможно добиться без соответствующей автономности работ, проводимых исполнителями.

Реализация предлагаемой схемы связана с рядом трудностей. Во-первых, в настоящее время отсутствуют алгоритмы оптимального проектирования, в которых задача оптимизации решалась бы более чем одним лицом. Формально для этих целей можно использовать существующие алгоритмы последовательной частной оптимизации [1, 2, 8]. Однако, поскольку процесс оптимизации в них является итеративным, то при коллективном решении задачи это привело бы к неэффективному использованию времени. Кроме того, применение единой целевой функции для всех участников процесса принятия решения означало бы выход большинством из них за границы собственной компетенции, поскольку такая целевая функция должна описывать всю систему в целом.

Во-вторых, решение задач оптимального проектирования предполагает использование математических методов поиска экстремума. Хорошо известно [3, 7], что они плохо приспособлены для решения технических задач, особенно с ограничениями в виде неравенств, накладываемых на проект. Обычно в этих случаях математические методы адаптируются к условиям конкретной задачи. Очевидно, что в силу использования различных математических методов поиска экстремума и различной квалификации исполнителей, велика вероятность возникновения ошибок и неустойчивости счета при коллективном решении экстремальной задачи.

В-третьих, оценка технического совершенства СТС и ее составных частей является необходимым, но недостаточным условиям для принятия правильных технических решений относительно перспектив развития. Для выработки решений необходима база для сравнения. Такая база должна позволить по формальным признакам, без привлечения экспертов, дать оценку эффективности и реализуемости технических решений, предлагаемых исполнителями, а также определить факторы, сдерживающие совершенствование СТС.

Таким образом, реализация предлагаемой схемы принятия решений предусматривает решение следующих задач:

- разработки общей схемы коллективного принятия решений в рамках единого алгоритма структурно-параметрической оптимизации СТС по показателям технического совершенства;

- декомпозиции обобщенных показателей технического совершенства СТС на совокупность частных показателей, по которым осуществляется последовательная частная оптимизация конкретных объектов проектирования в соответствии с общим замыслом проекта;

- формализации результатов оценки технического совершенства СТС и ее составных частей с целью проверки реализуемости предлагаемых технических решений и определения факторов, сдерживающих дальнейшее совершенствование СТС;

- разработки методики поиска экстремума в частных задачах структурно-параметрической оптимизации.

Литература:

1. Аоки М. Введение в теорию оптимизации. М.: Наука, 1977. 344 с.

2. Джонс Дж. К. Методы проектирования: Пер. с англ. М.: Мир, 1986. 327 с.

3. Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: Наука, 1978. 512 с.

4. Керимов З.Г., Багиров С.А. Автоматизированное проектирование конструкций. М.: Машиностроение, 1985. 224 с.

5. Моисеев Н.Н. Элементы теории оптимальных систем. М.: Наука, 1975. 526 с.

6. Системы автоматизированного проектирования: Учеб. пособие для втузов / Под ред. И.П. Норенкова. М.: Высшая школа, 1986.

7. Уайлд Д. Оптимальное проектирование: Пер. с англ. М.: Мир, 1981. 272 с.

8. Хог Э., Арора Я. Прикладное оптимальное проектирование: Механические системы и конструкции: Пер. с англ. М.: Мир, 1983. 478 с.

9. Щеверов Д.Н., Смолянинов В.В. Основы построения САПР КБ: Учебное пособие. М.: МАИ, 1989. 48 с.