Принципы инновационного проектирования

Сложившаяся в отечественных вузах практика учебного проектирования такова, что, как правило, студенту предлагается задача с известным решением. В самом деле, широко применяемые при курсовом и дипломном проектировании расчетные методики представляют собой по существу общие решения известных задач. Если к этому добавить, что нередко в таких проектах анализ преобладает над синтезом и что вместо системного рассмотрения культивируется узкоспециальный подход, то становится очевидным заведомо рутинный, нетворческий характер типовых учебных проектов.

Главная особенность инновационного проектирования состоит в том, что оно всегда опирается на новую идею проектируемого изделия или процесса — то, что иначе принято называть проектированием на уровне изобретения. С другой стороны, современные компьютерные технологии позволяют почти полностью автоматизировать рутинную часть работы. Поэтому творческий подход здесь насущно необходим. С этим, в свою очередь, связана необходимость подготовки проектировщиков нового типа.

В инженерном сообществе можно выделить: а) новаторов, которые выдвигают новые идеи, определяющие в какой-то мере ход развития данного класса технических систем или даже отрасли; б) разработчиков, которые берут за основу предложения новаторов, продумывают их до конца и преобразуют в форму, пригодную для практической реализации; в) исполнителей; г) инертные элементы. Данная информация имеет цель направить студентов на то, чтобы они были склонны попасть в первые две категории.

Основные этапы процесса инновационного проектирования не особенно зависят от степени сложности или вида проекта (технических, организационных, управленческих, художественных и т.д.). При решении любой задачи проектирования необходимо определенное сочетание интуиции и логики, но пути такого сочетания интуитивного с логическим не установлены и вряд ли их можно установить в общем виде, в отрыве от конкретной задачи и конкретного человека. Они зависят от того, какое количество информации имеется в распоряжении проектировщика, а также от его творческой квалификации и опыта.

Научно-технический прогресс, который признан во всем мире как важнейший фактор экономического развития, все чаще в настоящее время связывают с понятием инновационного процесса (процесса нововве­дений), который объединяет науку, технику, экономику и менеджмент, распространяясь от зарождения идеи до ее практического воплощения и коммерческой реализации. Его цель состоит в создании того или иного новшества (изделия или услуги), способного удовлетворить какую-либо реальную, общественную или индивидуальную, потребность или жела­ние. Инновационный процесс органично включает наряду с собственно инженерным проектированием систем также и принятие управленческих решений.

Цель проектирования может быть задана или она может сформи­роваться в контексте других работ. Цель инновационного проекта формулируется более широко, чем при традиционном инженерном проектировании. Это может быть, например, разработка, производство и реализация некоего изделия, подсказанная будущими потребителями или выявленная маркетинговыми исследованиями. Уяснение цели означает глубокое осознание ожидаемого результата проектирования.

На этапе выбора пути достижения поставленной цели должна быть сформулирована конкретная проблема, которая должна быть для этого решена.

Следующий важнейший этап касается генерирования идеи решения проблемы, от качества которой в значительной степени зависит качество пока еще не найденного решения. Большинство идей, приходящих в голову на этом этапе, слабые, некоторые идеи — получше, но могут появиться также несколько по-настоящему хороших идей и, возможно, одна-две выдающиеся.

Выдающаяся идея характеризуется, во-первых, цельностью или законченностью. Так, если это идея продукта, то она должна охватывать также его рынок, упаковку и рекламу. Во-вторых, такая идея отличается оригинальностью, т.е. новизной. В-третьих, она проста, т.е. доступна для понимания. Для оценки идеи по этому показателю можно попытаться выразить ее сначала в 50-ти, а затем в 25-ти и 12-ти словах. Наконец, в-четвертых, идея должна быть привлекательной для потребителя.

Плохие и посредственные идеи не стоят дальнейшего рассмотрения и должны быть отсеяны.

Хорошие же и выдающиеся идеи заслуживают дополнительного вни­мания и должны быть подвергнуты инженерному анализу с целью их детальной проработки и оптимизации. На этом этапе определяют задачи и план анализа, строят необходимые модели, выполняют оптимизационные и др. расчеты, оценивают альтернативные решения и делают окончательный выбор. Выполняют дизайн изделий.

Конкретизация полученного решения означает его переработку с учетом производственных возможностей данного предприятия. Осуществляется технологическая подготовка производства.

На этапе производства решаются специфические задачи организации и менеджмента.

Распределение и сбыт продукции требуют проведения маркетинговой компании, в основу которой были положены идеи изделий или услуг, а также рекламные идеи.

Определение и классификация творческих задач. Наиболее общее определение таково, что творческой является любая задача (проблема), в которой содержится противоречие (конфликт, разрыв) между тем, что дано, и тем, чего необходимо достичь (найти, доказать, объяснить, создать, усовершенствовать, обработать, переместить и т.д.).

В этом смысле всякая ранее неизвестная субъекту задача будет для него творческой, если, конечно, нет очевидной (или легко логически выводимой) связи между данными и неизвестным.

Творческие задачи могут иметь форму предметных (математика, физика и т.д.), исследовательских в любой области науки, а также изобретательских задач в области техники, экономики, менеджмента, предпринимательства и т.д.

Решение исследовательских (изобретательских) задач ведут к откры­тиям явлений, законов и, вообще, всему тому, что уже существовало, но не было известно.

Изобретательские задачи в технике условно разделяют на пять уровней.

Первый уровень. Решение таких задач не связано с устранением технических противоречий и сопровождается мельчайшими изобрете­ниями. Средства решения находятся в пределах данной узкой области техники. Задачи этого уровня — рутинно-конструкторские, мало относя­щиеся к изобретательству.

Второй уровень. Задачи с техническими противоречиями, которые легко преодолеваются с помощью методов, известных по применению в данной отрасли. Ответы к задачам этого уровня — мелкие изобретения.

Третий уровень. Противоречие и способ его разрешения находятся в пределах одной области науки. Так, механическая задача решается с применением способов, известных в механике. В итоге — среднее изобретение.

Четвертый уровень. Синтезируется новая техническая система путем разрешения технических противоречий, присущих ее прототипу — старой системе. Противоречия устраняются средствами, подчас далеко выходя­щими за пределы той области науки, в которой они относятся (так, механическая задача решается с применением способов, известных в химии). Принцип действия исходной системы может быть изменен коренным образом, например, использован малоизвестный эффект или явление. Результат — крупное изобретение.

Пятый уровень. Изобретательская ситуация представляет собой сложное переплетение проблем. Нередко задача решается с выходом за грань известного. Поэтому сначала нужно сделать открытие, а потом, опираясь на новое знание, решать изобретательскую задачу. Результатом может быть крупнейшее изобретение.

Особенность изобретательских задач высоких уровней, а, следова­тельно, и задач инновационного проектирования состоит в том, что каждая имеет не единственное, а множество приемлемых решений. Задачи такого рода называются дивергентными и требуют творческого подхода к нахождению решений.

Общая характеристика процесса решения конструкторской (изобре­тательской) задачи по свидетельствам ряда выдающихся изобретателей и ученых и включает следующие пять основных этапов.

Этап 1. Подготовка. Формулирование (постановка) задачи, осуществ­ляемое, как правило, путем анализа исходной проблемной ситуации. В ходе анализа ситуацию расчленяют на данное (известное) и искомое (неиз­вестное), являющиеся главными элементами задачи. Ее решение тогда состоит в соотнесении условий задачи с ее требованиями (в разрешении противоречия того или иного вида). Накопление и мобилизация знаний.

Этап 2. Концентрация интеллектуальных усилий. Упорная работа с целью получить решение. Использование эвристических приемов, пред­метных и методических, для генерирования идеи решения. Применение психологических, переборных или алгоритмических методов активизации мышления. Использование эмоционального фактора.

Этап 3. Передышка (инкубационный период). Период умственного отдыха посредством прекращения сознательных усилий по решению задачи. Включение работы подсознания для своеобразного вынашивания идеи решения.

Этап 4. Озарение (инсайд). Внезапное продвижение вперед в решении задачи путем нахождения новой или видоизменения уже известной идеи.

Этап 5. Завершение процесса решения.

Специфика проектной деятельности

Проектная деятельность имеет ряд специфических особенностей:

Продуктом проектной деятельности является упорядоченная совокупность сведений, служащих знаковой моделью объекта, в момент проектирования еще не существующего.

Процедуры проектирования реального объекта, соответствуют преобразованию его исходного описания в некотором конечном пространстве.

Способы преобразования информации при проектировании нельзя выразить в виде математических соотношений, то есть невозможно построить строгую математическую модель такого процесса преобразования.

В связи со сложностью проектируемых объектов на каждом этапе разработки в процесс вовлекаются различные специалисты, что придает проектированию характер коллективной деятельности.

Проектируемый объект входит в упорядоченную иерархию объектов и, с одной стороны, выступает как элемент системы более высокого уровня, а с другой - как система объектов более низкого уровня.

В соответствии с этим процесс проектирования можно разделить на два этапа: внешнего (объект как элемент системы более высокого ранга) и внутреннего проектирования (объект - система элементов более низкого ранга).

Проектирование, как правило, имеет итерационный многовариантный характер.

Для проектного творчества характерна декомпозиция - разбиение общей задачи на составные части.

При разработке проекта на создание нового изделия очень важны такие методы, как прогнозиро­вание, структурирование синтеза и принятия решений, однако они не всегда дают должное целостное представление о техническом объекте, которого пока нет. Даже самые привлекательные подходы к генерации вариантов технических объектов с помощью современной компьютер­ной техники пока не сравнимы с возможностями сознания высококвалифицированного профессио­нала.

Целостную структуру, которая моделирует в сознании проекти­ровщика объект предстоящей проектной деятельности трудно описать даже вербально, не говоря о представлении чего-либо подобного средствами компьютерной техники.

Профессионал в данном виде деятельности обладает значительно большими возможностями, нежели все компьютеризиро­ванное окружение, включая специалистов к нему приставленных.

Ранние стадии проектной деятельности пока не поддаются автоматизации и внимание нужно сосредоточить на создании благоприят­ной информационной среды для профессионала с целью повышения его эффективности функционирования. Объектом рассмотрения должно стать не все конструкторское бюро, а его ведущие специалисты.

Целесообразно решать в первую очередь следую­щие задачи:

- обеспечение ведущих специалистов релевантной (собираемой под конкретную задачу) информацией на основе категориального анализа и теории познания применительно к данной предметной области,

- построение прогнозов относительно требований, которые будут предъявлены к изделию в будущем, и технических характеристик изделия на основе теории парадигмы, т. е. системы основных научных достижений (теорий, методов), по образу которых организуется исследовательская практика ученых в конкретной области знаний в данный период и разработка методологии поддержки деятельности конструктора в процессе формирования гипотетического образа будущего изделия,

- поиск подходов к структурированию среды деятельности профессионала на основе моделей, приемлемых для ранних стадий проектирования,

- поиск путей повышения эффективности работы профессионала в процессе целеполагания и принятия решений.

При этом очень важна роль категориального анализа. Категориаль­ный анализ определяется как учение о категориях исследующих природу и области применения.

Понятие «категория» часто распространяется на все непосредст­венно данные элементы мышления, которые не могут быть определены, а лишь объяснены (дефиниции).

Дефиниции вместе с категориями (в узком смысле) образуют катего­риальные понятия. Категориальный анализ естественным образом акцентирует внимание на важнейших понятиях конкретной области знаний. В его основе лежит стремление максимально сократить число фундаментных сущностей и тем самым добиться обозримости исследуе­мых структур.

Комплекс категориальных понятий представляет для процесса проектирования особый интерес, так как именно он составляет основу когнитивных структур профессионала-проектировщика, чему и будет посвящено наше внимание в последующей информации.

При решении проектных задач можно выделить следующие проектные ситуации:

Проектируемый объект может быть скомпонован из готовых элементов и блоков. При этом имеются наибольшие возможности применения ЭВМ для автоматизации процедур документирования, хранения архивов, решения задач компоновки объекта из готовых элементов и т.д.

Для проектирования объекта нет полного набора компонентов, но существуют аналогичные, из которых изменением параметров можно получить недостающие. В данном случае ЭВМ используется для анализа и оценки вариантов построения компонентов, выбора их оптимальных параметров, компоновки и деталировки и т.д.

Не существует аналогичных элементов, но известны принципы их построения. Применение ЭВМ в этом случае возможно при использовании математических моделей, соответствующих используемым принципам.

Принципы построения элементов объекта не известны. Проектирование опирается на результаты проводимых фундаментальных и прикладных исследований ЭВМ в этом случае применяется для моделирования различных процессов и явлений, обработки данных и управления модельными и натурными испытаниями и пр.

Возрастание сложности проектируемых объектов привело к формированию концепции и методологии автоматизации проектирования, в которых моделирование является одним из основных методов обеспечения проектных работ. Поэтому можно сказать, что САПР основана на регулярном применении современных математических методов и средств вычислительной техники в процессе принятия проектных решений, в организации и управлении проектированием.