ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ НА ЭТАПАХ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА И ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ОБЛИКА НОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Аннотация

Обобщение и анализ подходов и методов проектирования технических систем позволили сделать вывод о том, что накоплен большой опыт решения задач проектирования, особенно на этапах рабочего проектирования. В статье исследованы особенности этапов структурного синтеза и параметрической оптимизации. На примере доказывается возможность параллельного выполнения работ на этапах структурного синтеза и параметрической оптимизации, что позволяет сократить время разработки новых технических систем для определенного класса задач.

Ключевые слова: техническая система, параллельное проектирование, структурный синтез, параметрическая оптимизация

Введение
Современный период развития науки и техники характеризуется усложнением создаваемых технических средств, резким увеличением стоимости их разработки, производства, эксплуатации, а также быстрым моральным старением и снижением возможности одновременного существования нескольких изделий близкого назначения. В связи с этим особое значение приобретает решение задачи создания техники, воплощающей новейшие научно-технические достижения и открытия, имеющей высокий технический уровень [1,2]. Огромное число факторов конструктивного, технологического, эксплуатационного и экономического характера, влияющих на процесс создания новой техники, предопределили необходимость использования системного анализа и синтеза при проектировании технических систем (ТС).
Для современной проектировочной деятельности характерны следующие особенности [3]:

Расширение объема информации, который рассматривается в процессе проектирования. Сегодня необходимо учитывать широкие связи и отношения систем, большое число различных профессиональных сфер, которые замыкаются на проектировочную деятельность. Эта тенденция проявляется и в создании многоцелевых банков информации и автоматизированных систем. Сложные проекты дают возможность многоцелевого применения данных на различных этапах процесса проектирования, использования и эксплуатации.
Возрастающая сложность и математическая трудность инженерных расчетов в процессе проектирования. Эта тенденция появляется из-за необходимости более детального анализа и моделирования основных компонентов с помощью вычислительной техники. В области применения теории вычислительных машин можно выделить две сферы – обработка данных и научно-технические расчеты.
Сложность процесса проектирования выдвигает настоятельную необходимость его специального исследования, имитации, проверки возможности различных вариантов планируемых решений. Отсюда возникает совокупность технических, информационных и других требований, включаемых в оценочную деятельность.
Прогностическая сторона проекта. Проектировочная деятельность должна быть научно и технически обоснована на базе новейших результатов исследования и разработок, доступных здесь и сейчас. Но в тоже время проектировщик всегда должен принимать во внимание более или менее отдаленное будущее, перспективу. Т. е. проектирование все более смещается с эмпирически данного мира на область "возможных миров", которые могут и улучшить и ухудшить ситуацию, существующую в нашем современном мире.

Однако до настоящего времени большие надежды, возлагаемые на использование в процессе проектирования вычислительных средств, оправдываются далеко не в полной мере. Сложившаяся ситуация описывается в [4,5], где указывается на определенную недоработанность общей теории проектирования, что заставляет внимательно рассмотреть особенности и содержание процесса проектирования.

Структурный и параметрических синтез технических систем
В практическом плане "...методологически, с позиций формальных методов, проектирование устройства (системы, процесса) следует рассматривать как совокупность двух основных задач: выбора структуры, или структурного синтеза, и выбора числовых значений параметров элементов данной структуры, или синтеза параметров" [1].
В этих терминах можно рассматривать проектирование практически любого объекта на любом этапе его создания [6]. Методы решения этих задач существенно различаются. Различается и их сложность. Задачи параметрического синтеза, как правило, сводятся к поиску решений, удовлетворяющих метрическим критериям, что делает их формально разрешимыми. Совершенно иной является задача структурного синтеза, которая не может быть в общем случае отнесена к классу формально разрешимых задач. Результатом структурного синтеза является выбор рациональной структуры объекта. Формально под структурой может пониматься некоторая семантическая конструкция, описывающая совокупность элементов проектируемого устройства и связи между ними. При формировании такого описания приходится иметь дело с неопределенными структурными связями, неметрическими признаками элементов структуры, качественными критериями. Именно решение задачи структурного синтеза и составляет главное содержание творческой деятельности инженера. Формальные методы синтеза разработаны для крайне ограниченного класса объектов: конечных автоматов, тестов, коммуникационных устройств и некоторых других систем. Таким образом, теория проектирования далека от завершения, и прежде всего в области структурного синтеза [3].
Процесс проектирования можно также разделить на 2 этапа (рис.1). После постановки задачи на 1 этапе выбираются рациональные состав и структура системы (качественные параметры), а на 2 этапе проводится параметрическая оптимизация с фиксированными составом и структурой (количественные параметры). При необходимости процесс повторяется. Задачи параметрической оптимизации поддаются формализации и хорошо изучены. В тоже время задачи 1 этапа трудноформализуемы, и для их решения существует лишь небольшая группа методов.
В существующих процессах проектирования ТС этапы структурного синтеза и параметрической оптимизации выполняются хронологически последовательно один за другим, т.е. выполняется условие t1 < t2 < t3 < t4 (знак < обозначает временную последовательность выполнения этапов).

Рис.1. Макроописание процесса проектирования (последовательная модель):
t1, t2 – начало и окончание этапа структурного синтеза,
t3, t4 – начало и окончание этапа параметрической оптимизации

Одна из современных концепций проектирования [1] рассматривает проектирование не с позиций различий, вытекающих из разнообразия проектируемых систем, а с позиций общности таких систем, т.е. в центре внимания оказывается процесс проектирования, который почти полностью игнорировался традиционным подходом. В отличие от традиционной практики проектирования при разработке сложных ТС возникают проблемы, меньше связанные с рассмотрением свойств и законов функционирования элементов, а больше - с выбором наилучшей структуры, наилучшей организацией взаимодействия элементов, определением оптимальных режимов функционирования и учетом влияния внешней среды. ТР могут иметь разную степень новизны, различный уровень от усовершенствования известного прототипа до новой идеи и открытия. Последнее уже выходит за рамки инженерного творчества и относится к творчеству научному. Между научным и инженерным творчеством имеется принципиальное различие. В науке - это открытия новых фактов и закономерностей, а в инженерно-технической области - это создание на основе этих закономерностей новых образцов техники. Нередко при этом получаются и новые научные данные, вплоть до открытий. Наиболее часто это происходит при создании принципиально новых видов техники, что само по себе должно рассматриваться как научная деятельность, поскольку такие разработки не могут полностью базироваться на научно обоснованных методах расчетов, конструирования и т. д. [7].

Параллельное выполнение этапов структурного синтеза и параметрической оптимизации
В существующих процессах проектирования ТС этапы структурного синтеза и параметрической оптимизации выполняются последовательно один за другим (рис. 1) с выполнением условия:
                                      t1 < t2 < t3 < t4,                                                           (1)
В предложенном подходе некоторые процессы этапов структурного синтеза и параметрической оптимизации могут идти параллельно, при выполнении условий:
                                      t1 < t2,                                                                         (2)
                                      t3 < t4,                                                                         (3)
                                      t2 > t3,                                                                        (4)
                                      t2 > tP > t3,                                                              (5)
где tP – передача данных.

Параллельность выполнения работ позволяет уменьшить время затрачиваемое на формирование облика создаваемой ТС, и тем самым увеличить эффективность процесса проектирования в целом. После окончания этапа структурного синтеза задания для этапа параметрической оптимизации при необходимости уточняются и корректируются.

Рис. 2. Макроописание процесса проектирования (параллельная модель)

      Создание новых транспортных систем

Одной из главных проблем при создании новых транспортных систем - аэростатических летательных аппаратов является выбор систем снабжения энергией, обеспечивающих долговременное крейсирование аппаратов в стратосфере. По результатам анализа построено поле возможных технических решений. В результате синтезированы несколько перспективных систем (рис. 3). Синтез ТС проходил при помощи морфологического подхода. На этапе структурного синтеза из исходных таблиц вычленены элементы признаков. Для них было создано некоторое базовое множество моделей, которые легли в основу разрабатывающегося параллельно алгоритма расчета массовых, аэродинамических и геометрических параметров исследуемых ТС. При исследовании сгенерированных вариантов были синтезированы системы, основанные на гибридной схеме.
      Для различных вариантов аэростатов как существующих, так синтезированных составлены модели и рассчитаны баллистические, аэродинамические и массово-геометрические характеристики конкретных аппаратов (рис.3). Все модели сравнивались между собой по критерию массовой эффективности. Синтезированные ТР имеют массовую эффективность до 68% лучшую по отношению к прототипам (по полезной нагрузке).

Рис. 3. Морфологическое поле решений транспортных технических систем

Выводы
В заключении можно сформулировать следующее - обобщение и анализ подходов и методов проектирования ТС позволили сделать вывод о том, что накоплен большой опыт решения задач проектирования, особенно на стадии рабочего проектирования. Исследованы особенности этапов структурного синтеза и параметрической оптимизации. На примере показана возможность параллельного выполнения работ на этапах структурного синтеза и параметрической оптимизации, что позволяет сократить время разработки новых технических систем для определенного класса задач.

PARALLEL DESIGNING FOR STAGES OF THE STRUCTURAL SYNTHESIS AND PARAMETRICAL OPTIMIZATION FOR FORMATION
SHAPE OF NEW TECHNICAL SYSTEMS

Summary
Generalization and the analysis of approaches and methods of technical systems designing have allowed to draw a conclusion that the wide experience of the decision of designing problems, especially at design engineering stages is saved up. In article features of structural synthesis and parametrical optimization are investigated. On an example possibility of parallel performance of works at structural synthesis and parametrical optimization stages is shown. It allows to reduce time of working out of new technical systems for a certain class of problems.

Keywords: technical system, parallel designing, structural synthesis, parametrical optimization

Общество с ограниченной ответственностью "Оккам"	En Ru De

Главная Проекты и Технологии Программы Услуги	Контакт

© Okkam		mail@okkam.com