Эволюция процессов конструирования

Первоначально орудия производства изготовлялись ремесленниками. Конструирование как профессия появилось лишь после того, как технические объекты стали достаточно большими и сложными.

Поэтому эволюцию процесса создания новой техники нужно рассматривать, начиная с ремесленного производства.

Среди старых кустарей и ремесленников редко встречалась такие, которые помимо обладания профессиональным мастерством, были еще и грамотны. Поэтому огромную ценность представляет книга одного из них - Джоржа Стэрта "Колесная мастерская", в которой дан очерк тележного производства XIX в. Достаточно нескольких цитат, чтобы понять те скрытые причины и процессы, которые управляют действиями кустаря. Начнем с описания точной подгонки форм к условиям эксплуатации. "… мы удивительно точно знали особые нужды наших соседей. Изготовляя телегу или тачку, водовозку или плуг, или что-нибудь еще, мы выбирали такие размеры, такие формы кривых (а почти каждая деревянная деталь была изогнутой), чтобы они соответствовали особенностям почвы на той или иной ферме, крутизне того или иного холма, темпераменту того или иного клиента и даже его пристрастиям при выборе лошадей".

Далее Стэрт рассуждает о том, зачем колесам телеги придается развал и чашеобразная форма.

"Какой смысл в развале и чашеобразности колес? К стыду своему, я должен признаться, что этот вопрос мучил меня много лет даже после того, как я убедился в многочисленных преимуществах этой странной формы и в том, что колеса без развала могут не пройти и мили…"

Стэрт обсуждает много вариантов ответа на поставленный вопрос.

Вряд ли Стэрт отыскал все причины чашеобразности колес, а также множества прочих изгибов, дуг и скруглений, из которых состоит повозка. Для наших целей достаточно отметить, что форма каждой детали в повозке определяется не одной, а многими причинами и что изделие в целом возникает в результате тонкой отладки целого с оптимальным использованием каждой его части. Заметим также, что когда кустарь воспроизводит или изменяет какую-либо форму, он едва ли точно отдает себе отчет, почему поступает именно так, а не иначе; он знает лишь, как ему следует это сделать.

Говоря о том, почему колеса имеют всегда одни и те же размеры, Стэрт замечает:

"По сути дела, сама необходимость определила линии повозки, которая не должна быть не слишком высокой, ни слишком низкой; не одно поколение фермеров экспериментировало, чтобы отыскать эти невидимые линии, а колесники научились заставлять каждую телегу катиться в соответствии с ними.

Здесь, как в капле воды, отразились все те условия, благодаря которым телега стала красивой - такой же красивой, как скрипка или лодка. Необходимость определила законы построения каждой детали и десятками способов заставила добиться согласованности.

Тележник был вынужден во всем сохранять верность этим законам, всегда знать, каким требованиям должны удовлетворять колеса, оглобли, оси, кузов телеги, все ее детали. Нужно отметить особый характер этих знаний. Их не найти ни в одной книге. Они не научны. Я не встречал никого, кто мог бы похвастать, что знает тележное производство не только эмпирически. Я сам - типичный тому пример. Я знал, что задние колеса должны быть высотой пять футов и два дюйма, а передние - четыре фута и два дюйма, что "боковины" нужно резать из четырехдюймовой сердцевины лучшего дуба и т.д. Это я знал, и чем дальше, тем уверенней, но я редко знал, почему. То же и большинство ремесленников. Весь свод их знаний представлял собой путанную сеть деревенских предрассудков, некоторые основания которых были известны в одной местности, а другие - в другой и т.д.

В крестьянском дворе, в пивной, на рынке все снова и снова заводился разговор о тех или иных деталях; приобретенные знания сводились воедино в деревенской кузнице или мастерской ремесленника. Возчики, кузнецы, фермеры, колесники - тысячи ремесленников из века в век передавали своим детям или подмастерьям те крупицы понимания, что им удалось собрать. Но по большей части понимание деталей было весьма туманным, а весь свод знаний был чем-то таинственным, частью народной мудрости, он принадлежал коллективно всем людям, но ни одна отдельная личность никогда не владела им целиком".

Приведенные цитаты позволяют отметить следующие характеристики ремесленного производства:

Ремесленник не вычерчивает эскиз своего изделия, - а часто и просто не в состоянии сделать это и не может удовлетворительно объяснить, почему он принимает то или иное решение.

Изменение формы кустарного изделия происходит в результате бесчисленных неудач и успехов в процессе многовекового поиска методом проб и ошибок. Этот медленный и дорогостоящий последовательный поиск "невидимых линий" удачной конструкции может в конечной итоге привести к удивительно точно уравновешенному изделию, которое в очень высокой степени удовлетворяет потребителя.

Хранилищем всей важной информации, собранной в ходе эволюции промысла, является в первую очередь сама форма изделия, которая остается постоянной и изменяется только для исправления ошибок и при возникновении новых потребностей.

Другими словами, вопрос изменения конструкции решаются не на уровне изделия в целом, а на уровне отдельных компонентов этого изделия.

Принципиальная разница между эволюцией форм в кустарных промыслах и принятым сегодня способом разработки формы для изделий машинного производства путем создания чертежей в определенном масштабе заключается в том, что здесь поиск методом проб и ошибок отдален от производства, что эксперименты и изменения проводятся на масштабном чертеже, а не на самом изделии.

В результате:

Стало возможным задавать размеры изделия до его изготовления, а это позволило разделить труд по изготовлению отдельных частей изделия между несколькими исполнителями.

Возникшее с появлением масштабных чертежей разделение труда дало возможность увеличить размеры изделий (необходимость изготовления крупных изделий, требующих одновременного труда нескольких рабочих, собственно и привела к появлению чертежей в первую очередь в судостроении и строительству) и темы их изготовления. Для этого приходится заранее задавать такие размеры, которые ремесленник не стал бы фиксировать, обеспечивая себе возможность маневрирования при взаимной пригонке изделия и частей, при внесении тонких изменений в соответствии с конкретными потребностями данного клиента. Поэтому разделение труда влечет за собой потерю индивидуальности изделия.

Естественно, теперь основная часть трудностей и радостей творчества уходит из производственной сферы и становится уделом тех, кто изготовляет чертежи. Проектно-конструкторские работы выделяются в особую профессию. Этот происходивший некогда переход кустарного промысла к проектированию во многом сходен с происходящим ныне переходом от проектирования к проектным исследованиям.

Когда геометрические аспекты производства были сведены в чертеж, у проектировщика появилось гораздо более обширное "поле представления", чем было у ремесленника. Конструктор может видеть все изделие целиком, манипулировать им, и ничто - ни неполнота сведений, ни боязнь дорогостоящей переделки самого изделия - уже не мешает ему вносить в конструкцию даже принципиальные изменения.

Таким образом, появилась объективная возможность решать вопросы изменения конструкции не на уровне отдельных компонентов изделия, а на уровне изделия в целом.

Но при этом важно отметить следующее: над чертежом одновременно может работать только один человек, и все ситуации, которым должна удовлетворять конструкция, приходится держать в одной голове.

Из-за этого на ранних стадиях проектирования чертежным способом работу ведет всего один человек, - ведущий конструктор или руководитель группы.

Только после того, как ведущему конструктору удалось сформулировать критические подпроблемы данном задачи и найти (на уровне набросков, эскизов) удовлетворительное решение этих подпроблем, можно распределить работу между несколькими исполнителями.

В последнее время разработан целый ряд новых методов, предназначенных в первую очередь как раз для преодоления этого недостатка традиционных методов проектирования - невозможности привлечения многих умов к решению задачи на самом важном этапе проектирования.

Необходимость широкого распространения этих новых методов стала особенно актуальной и наглядной сегодня в связи с бурным развитием теории систем.

Под системой понимают объективное единство закономерно связанных друг с другом предметов, явлений, а также знаний о природе и обществе. Подробнее вопросы систем и системного подхода рассматриваются в следующей теме.

Ограничимся здесь лишь следующими замечаниями. Об общности понятия системы и широте применения теорий систем можно судить по следующему высказыванию крупнейшего специалиста в области теории систем профессора Месаровича: "Я не знаю, что такое система, потому что не знаю ничего, что не было бы системой".

На основе теории систем родился так называемый системный подход к решению различных проблем, в том числе, к проектированию и системный анализ.

Системный подход в проектировании проявляется в расширении процесса проектирования за счет включения в него помимо вопросов создания изделия также и задач проектирования систем (т.е. связей и отношений между изделиями).

Чтобы это было понятнее, рассмотрим один пример.

Традиционным методом получения SO₂ в производстве серной кислоты был обжиг серного колчедана. Проектирование на уровне изделий приводило к постоянному усовершенствованию печей для этого обжига. С точки зрения только процесса получения SO₂ колчедан наиболее подходящее сырье. Однако, рассматривая проблему шире, в частности, в рамках экологической системы, мы сталкиваемся с вопросом утилизации огарка, который сегодня засоряет огромные территории вокруг сернокислотных заводов. Отсюда понятно, почему сегодня заводы переходят на использование более дорогой серы вместо серного колчедана, что приводит и к использованию совсем других типов печей.

Включение в процесс проектирования задач проектирования систем приводит к добавлению к иерархии предметов, относящихся к традиционной сфере деятельности проектировщика, еще одной ступени - уровня систем.

Если же еще более расширять объем понятия "проектирование", включив в него политические и социальные аспекты поведения потребителей, связанные с отношениями между системами, обнаружится наличие еще одной, четвертой ступени, - уровня общественных групп, или "социальной сферы".

Увеличение (с двух до четырех) количества иерархических ступеней, открытых для проектирования, означает резкое повышение его сложности. Такое расширение сферы проектирования по меньшей мере равноценно совершенному ранее переходу от кустарного промысла к чертежному способу проектирования.

Теперь задача проектирования состоит по существу в изменении окружающей нас искусственной сферы. Это, безусловно, затрагивает политическую сферу.

Говоря о реальных условиях современного проектирования, можно отметить ряд конкретных дополнительных осложнений, которые не встречались проектировщикам раньше

Внешние осложнения:

Перенес технических решений, т.е. планомерный поиск в отдаленных отраслях технологии таких изобретений и разработок, которые позволяют решать данную задачу проектирования.

Возможность возникновения побочных эффектов при использовании нового разрабатываемого изделия, которую необходимо прогнозировать на ранней стадии проектирования, когда еще можно с их учетом изменить конструкцию изделия и организацию системы (например, шум реактивных самолетов).

Применение единых отраслевых, национальных и международных стандартов для обеспечения совместимости изделий взаимодействующих систем, (например, вилки электроприборов).

Внутренние осложнения:

Постоянный рост капиталовложений, необходимых для получения существенного экономического эффекта от новой конструкции, в результате которого стоимость ошибки проектировщика возрастает настолько, что каждый проект должен быть удачным с первого раза.

Крайняя сложность определения рациональной последовательности принятия решений, когда поток новых потребностей, новых технологических процессов и новых идей непрерывно изменяет систему отношений между параметрами решения.

Все изложенное говорит о том, что современная ситуация расширила существовавшее ранее понятие проектирования.

Вот некоторые из современных определений:

Азимов: "Проектирование - это принятие решений в условиях неопределенности с тяжелыми последствиями в случае ошибки".

Букер: "моделирование предполагаемых действий до их осуществления, повторяемое до тех пор, пока не появится полная уверенность в конечном результате".

Филден: "техническое конструирование - это использование научных принципов, технической информации и воображения для определения механической структуры машины или системы предназначенной для выполнения заранее заданных функций с наибольшей экономичностью и эффективностью".

Ризуик: "творческая деятельность, которая вызывает к жизни нечто новое и полезное, чего ранее не существовало".

ГОСТ 22487-77: Проектирование - это процесс становления описания, необходимого для создания еще не существующего объекта, который осуществляется преобразованием первичного описания (технического задания), оптимизацией заданных характеристик объекта и алгоритма его функционирования, устранением некорректности первичного описания детализируемого объекта на различных языках для различных этапов проектирования.

Чтобы покончить с определением проектирования как области интеллектуальной деятельности человека, рассмотрим соотношение между проектированием, искусством, наукой в целом и математикой в частности.

Проектирование - это сложный вид деятельности, в котором успех зависит от правильного сочетания остальных трех названных средств познания. Основное его отличие связано с временными отношениями. Деятели искусства и науки имеет дело с физическим миром в том виде, в каком он существует в настоящее время. Математики оперируют с абстрактными отношениями, не зависящими от календарного времени. Проектировщики же всегда вынуждены рассматривать как реальность то, что существует лишь в воображаемом будущем.

В этом - различие. А сходство заключается в следующем. Прежде чем предсказывать будущее, разработчик должен в достаточной мере знать настоящее, а для этого он должен обладать свойствами ученого: скептицизмом, умением поставить эксперимент и проанализировать его результаты.

Подход художника необходим разработчику на том этапе, когда в лабиринте альтернатив приходится отыскивать тропинку, ведущую к новому и непротиворечивому построению, которое могло бы лечь в основу решения.

При этом нужно иметь какой-нибудь податливый материал или аналог, который позволял бы, поспевая за течением мысли, передавать форму решения. Обычно таким материалом служат эскизы. Все чаще для быстрой проверки вариантов геометрии применяются ЭВМ с дисплеями, работающие в режиме диалога с оператором-разработчиком.

Метод математика, манипулирующего абстрактными символами, годится для проектировщика лишь на том этапе, когда задача стабилизировалась, когда для разрешения противоречия между целью и средствами уже не требуется изменить исходные посылки. Но самая сложная часть разработки - это как раз поиск решения путем изменения формулировки задачи. Поэтому можно сказать, что математика полезна в основном только для оптимизации решения после того, как задача уже определилась.

Если задачу проектирования можно сформулировать в математических символах, ее решение может быть получено автоматически на ЭВМ, без участия человека, т.е. методами САПР.

Здесь необходимо заметить следующее. Экономический эффект, получаемый ныне от внедрения САПР, значительно превышает ту сумму, которую дает ускорение проектирования и, соответственно, сокращения штата проектировщиков. Основную долю этого эффекта составляет результат оптимизации конструкции.

Решение крупных нетривиальных проектных задач, в том числе на уровне систем, с приближением к оптимальным решениям - вот область применения новых методов.

Полученное оригинальное решение может в дальнейшем стать основой для САПР - при необходимости использовать аналогичные конструктивные решения и методы расчета в других изделиях.

Новые взгляды на проектирование выдвигают и новые требования к проектировщику и к организации работы.

Несомненно, что нужны проектировщики и организаторы широкого профиля, творческое мышление которых базировалось бы на глубоких теоретических и практических знаниях об изменениях на всех уровнях, от общественных движений до конструкции деталей. Точно так же нам нужны и новые методы, которые обеспечивали бы достаточный объем информации для принятия решений на каждом из этих уровней.

Вот об этих новых методах и пойдет речь дальше.

Нужно заметить, что объектом новых методов является не столько проектирование в общепринятом смысле этого слова, сколько мыслительная деятельность, предшествующая выполнению чертежей и проектов.

Все эти методы направлены на то, чтобы заставить проектировщика "думать вслух", позволить другим людям ознакомиться с процессами мышления, которые до сих пор протекали у него в голове, объектировать процесс проектирования. В одних случаях это достигается с помощью слов, в других - в форме математических символов, но почти всегда используется какая-нибудь схема, позволяющая разделить задачу проектирования на части и указать взаимные связи между этими частями.

Естественно, что в основе всегда лежит стремление добиться большого контроля над процессом проектирования, особенно на уровне систем. Основное преимущество такого обдумывания проекта "в открытую" заключается в том, что другие люди, например, потребители, могут следить за происходящими событиями и участвовать в них, сообщая проектировщику те сведения и оценки, которые выходят за пределы его знаний и опыта.

Основная слабость любого метода проектирования, в том числе и новых методов, заключается в трудности управления стратегией при решении нетривиальных задач проектирования, а также в тех случаях, когда над одним проектом работает много людей. (Паркинсон: "верблюд - это коллективно сконструированная лошадь")