Инженерное проектирование

Инженерное проектирование

Инженерное проектирование - это процесс, в котором научная и техническая информация используется для создания новой системы, устройства или машины, приносящих обществу определенную пользу.

Проектирование - это процесс составления описания, необходимого для создания еще несуществующего объекта (алгоритма его функционирования или алгоритма процесса), путем преобразования первичного описания, оптимизации заданных характеристик объекта (или алгоритма его функционирования), устранения некорректности первичного описания и последовательного представления (при необходимости) описаний на различных языках (ГОСТ 22487-77).

Проектирование как особый вид инженерной деятельности формируется в начале ХХ столетия и связано первоначально с деятельностью чертежников, необходимостью точного графического изображения замысла инженера для его передачи исполнителям на производстве. Однако постепенно эта деятельность связывается с научно-техническими расчетами на чертеже основных параметров будущей технической системы, ее предварительном исследованием.

В инженерном проектировании следует различать "внутреннее" и "внешнее" проектирование. 

Первое связано с созданием рабочих чертежей (технического и рабочего проектов), которые служат основными документами для изготовления технической системы на производстве; второе – направлено на разработку общей идеи системы, ее исследование с помощью теоретических средств, разработанных в соответствующей технической науке. 

Проектирование следует отличать от конструирования. 

Для проектировочной деятельности исходным является социальный заказ, т.е. потребность в создании определенных объектов. Продукт проектировочной деятельности в отличии от конструкторской выражается в особой знаковой форме – в виде текстов, чертежей, таблиц и т.д. 

Результатом конструкторской деятельности является опытный образец, с помощью которого уточняются расчеты, проводимые в проекте и конструктивно-технические характеристики проектируемой технической системы.

В инженерной сфере процесс проектирования часто противопоставляется исследованиям и разработкам и сравнивается с ними, чтобы показать их сходства и различия. Другая тенденция развития проектирования включает анализ и моделирование практических видов деятельности человека, процессов управления и принятия решения. Процесс принятия решения базируется на теории статистических решений, теории решений в конфликтных ситуациях, на анализе операций и методах исследования операций, методе оптимизации и т. д.

Для современной проектировочной деятельности характерны следующие тенденции:

• расширение спектра информации, которая принимается 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 данных и автоматизированных систем. Сложные проекты дают возможность многоцелевого применения данных на различных фазах процесса проектирования и последующих фазах использования;

• возрастающая сложность и математическая трудность инженерных расчетов в процессе проектирования. Эта тенденция проявляется из-за необходимости более детального анализа и моделирования основных компонентов с помощью компьютера. В области применения теории вычислительных машин недавно выделились две новые 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 то же 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.

Инженерное проектирование не может рассматриваться в отрыве от инженерной графики, одной из целей которой является обучение студентов работе с различной по виду и содержанию графической информацией, основам графического представления информации, методам графического моделирования геометрических объектов, правилам разработки и оформления конструкторской документации, графических моделей явлений и процессов.



При изучении инженерного проектирования уделяется особое внимание таким элементам как:

• конструкторская документация;
• оформление чертежей;
• элементы геометрии деталей;
• изображения, надписи, обозначения;
• аксонометрические проекции деталей;
• изображения и обозначения элементов деталей;
• изображение и обозначение резьбы;
• рабочие чертежи деталей;
• выполнение эскизов деталей машин;
• изображения сборочных единиц;
• сборочный чертеж изделий;

Компьютерная графика – составная часть инженерной графики, и предметом ее изучения определены следующие темы:

• геометрическое моделирование и решаемые ими задачи;
• графические объекты, примитивы и их атрибуты;
• представление видеоинформации и ее машинная генерация;
• графические языки;
• архитектура графических терминалов и графических рабочих станций;
• реализация аппаратно-программных модулей графической системы;
• базовая графика;
• пространственная графика;
• современные стандарты компьютерной графики;
• графические диалоговые системы;
• применение интерактивных графических систем;

Принципы системного подхода в инженерном проектировании

Основные идеи и принципы проектирования сложных систем выражены в системном подходе.

Основной общий принцип системного подхода заключается в рассмотрении частей явления или сложной системы с учетом их взаимодействия. Системный подход включает в себя выявление структуры системы, типизацию связи, определения атрибутов, анализ влияние внешней среды.

В технике дисциплину, в которой исследуются сложные технические системы, их проектирование, называются системотехникой. Предметом системотехники являются, во-первых, организация процесса создания, использования и развития технических систем, во-вторых, методы, принципы их проектирования и исследования.

Компоненты системотехники

Таковы структурный, блочно-иерархический, объектно-ориентированный подходы.

При структурном подходе требуется синтезировать варианты системы из компонентов (блоков) и оценивать варианты при их частичном переборе с предварительным прогнозированием характеристик компонентов.

Блочно-иерархический подход к проектированию использует идеи декомпозиции сложных описаний объектов и соответственно средств их создания на иерархические уровни и аспекты, вводит понятие стиля проектирования (восходящее и нисходящее), устанавливает связь между параметрами соседних иерархических уровней.

Объектно-ориентированный подход к проектированию (ООП)

Такой подход имеет следующие преимущества в решении проблем управления сложностью и интеграции программного обеспечения:

1) вносит в модели приложений большую структурную определенность, распределяя представленные в приложении данные и процедуры между классами объектов;

2) сокращает объем спецификаций благодаря введению в описания иерархии объектов и отношений наследования между свойствами объектов разных уровней иерархии;

3) уменьшает вероятность искажения данных вследствие ошибочных действий за счет ограничения доступа к определенным категориям данных в объектах. Описания в каждом классе объектов допустимых обращений к ни и принятых форматов сообщений облегчает согласование и интеграцию ПО.

Для всех подходов к проектированию сложных систем характерны также следующие особенности.

Структуризация процесса проектирования, выражаемая декомпозицией проектных задач и документации, выделений стадий, этапов, проектных процедур. Эта структуризация является сущностью блочно-иерархического подхода к проектированию.

Итерационный характер проектирования

Типизация и унификация проектных решений и средств проектирования.

Классификация моделей и параметров, используемых при автоматизированном проектировании

В автоматизированных проектных процедурах вместо еще не существующего проектируемого объекта оперируют некоторым квазиобъектом – моделью, которая отражает некоторые интересующие исследователя свойства объекта. Модель может быть физическим объектом (макет, стенд) или спецификацией.



Среди моделей-спецификаций различают упомянутые выше функциональные, поведенческие, информационные, структурные модели(описания).Эти модели называют математическими, если они формализованы средствами аппарата и языка математики.

В свою очередь, математические модели могут быть геометрическими, топологическими, динамически, логическими и т.п., если они отражают соответствующие свойства объектов. Наряду с математическими моделями, при проектировании используют рассматриваемые ниже функциональные IDEF0-модел, информационные модели в виде диаграмм сущность-отношение, геометрические модели-чертежи.

Математическая функциональная модель в общем случае представляет собой алгоритм вычисления вектора выходных параметров Y при заданных векторах параметров элементов X и внешних параметров Q.

Математические модели могут быть символическими и численными. При использовании символических моделей оперируют не значениями величин, а их символически обозначениями (идентификаторами).численные модели могут быть аналитическими, т.е. их можно представить в виде явно выраженных зависимостей выходных параметров Y от параметров внутренних X и внешнихQ, или алгоритмически, в которых связь Y,X, и Q задана неявно в виде алгоритма моделирования. Важнейший частный случай алгоритмических моделей – имитационные, они отображают процессы в системе при наличии внешних воздействий на систему. Д руги словами, имитационная модель – это алгоритмическая поведенческая модель.

Классификацию математических моделей выполняют также по ряду других признаков. Так, в зависимости от принадлежности к тому или ному иерархическому уровню выделяют модели уровней системного, функционально-логического, макроуровня (сосредоточенного) и микроуровня ( распределенного).

По характеру используемого для описания математического аппарата различают модели лингвистические, теоретико-множественные, абстрактно-алгебраические, нечеткие, автоматные и т.п.



Используется понятие полных моделей и макромоделей, моделей статистических и динамических, детерминированных и стохастических, аналоговых и дискретных.

Полная модель объекта в отличие от макромодели описывает не только процессы на внешних выводах моделируемого объекта, но и внутренние для объекта процессы.

Статические модели описывают статические состояния, в них не присутствует время в качестве независимой переменной. Динамические модели отражают поведение системы, т.е. в них обязательно используется время.

Стохастические и детерминированные модели различают в зависимости от учета или не учета случайных факторов.

В аналоговых моделях фазовые переменные – непрерывные величины, в дискретных – дискретные, в частном случае дискретные модели являются логическими (булевыми), в них состояние системы и ее элементов описывается булевыми величинами. В ряде случаев полезно применение смешанных моделей, в которых одна часть подсистем характеризуется аналоговыми моделями, другая – логическими.

Информационные модели относятся к информационной страте автоматизированных систем, их используют для описания связей между единицами-j ми информации и прежде всего при инфологическом проектировании баз данных (БД).

Выходные параметры систем могут быть двух типов:

• параметры функционалы (амплитуды сигналов, временные задержки, мощности рассеивания и т.д.)

• параметры, характеризующие способность проектируемого объекта работать при определенных внешних условиях.

Эти выходные параметры являются граничными значениями диапазонов внешних переменных, в которых сохраняется работоспособность объекта.

Методики (особенности) проектирования автоматизированных систем (АС)

Этапы проектирования АС

К проектированию АС непосредственное отношение имеют два направления деятельности:

1) собственное проектирование АС конкретных предприятий (отраслей) на базе готовых программных и аппаратных компонентов с помощью специальных инструментальных средств разработки;

2) проектирование упомянутых компонентов АС и инструментальных средств, ориентированных на многократное применение при разработке многих конкретных автоматизированных систем.

Сущность первого направления можно охарактеризовать словами «системная интеграция»(другое близкое понятие имеет название – консалтинг).

Разработчик АС должен быть специалистом в области системотехники, хорошо знать соответствующие международные стандарты, состояние и тенденции развития информационных технологий и программных продуктов, владеть инструментальными средствами разработки приложений (CASE-средствами) и быть готовым к восприятию и анализу автоматизируемых процессов в сотрудничестве со специалистами-прикладниками.



Существует ряд фирм, специализирующихся на разработке проектов АС ( например, Price Waterhouse, Jet Info, Consistent Software и др.

Второе направление в большей мере относится к области разработки математического и программного обеспечения для реализации функций АС — моделей, методов, алгоритмов, программ на базе знания системотехники, методов анализа и синтеза проектных решений, технологий программирования, операционных систем и т. п.Существует ряд общеизвестных технологий (методик) проектирования ПО АС, среди которых прежде всего следует назвать компонентно-ориентированную разработку – технологию индустриальной разработки программных систем СВD.

Для каждого класса АС (САПР, АСУ, геоинформационные системы и т.д.) можно указать фирмы, специализирующие на разработке программных (а иногда и программно-аппаратных) систем. Многие из них на основе одной из базовых технологий реализуют свой подход к созданию АС и придерживаются стратегии либо тотального поставщика, либо открытости и расширения системы приложениями и дополнениями третьих фирм.



В России действует государственный стандарт на стадии создания автоматизированных систем – ГОСТ 34.601-90. Существует и международный стандарт на стадии жизненного цикла программной продукции (ISO1220:1995). Как собственно АС, так и компоненты АС являются сложными системами, и при их проектировании можно использовать один из стилей проектирования.

• нисходящее (Top-of-Design); четкая реализация нисходящего проектирования приводит к спиральной модели разработки ПО, на каждом витке спирали блоки предыдущего уровня детализируются, используются обратные связи (альтернативой является так называемая каскадная модель, относящаяся к поочередной реализации частей системы);

• восходящее (Bottom-of-Design);

• эволюционное (Middle-of-Design).

Чаще всего используется нисходящий стиль блочно-иерархического проектирования.

Этапы нисходящего проектирования АС

Верхний уровень проектирования АС часто называют концептуальным проектированием. Концептуальное проектирование выполняют в процессе предпроектных исследований, формулировки ТЗ, разработки эскизного проекта и прототипирования (согласно ГОСТ 34.601-90, эти стадии называют формированием требований к АС, разработкой концепции АС и эскизным проектом).

Предпроектные исследования проводят путем анализа (обследования) деятельности предприятия (компании, учреждения, офиса), на котором создается или моделируется АС.



Перед обследованием формируются и в процессе его проведения уточняются цели обследования – определение возможностей и ресурсов для повышения эффективности функционирования предприятия на основе автоматизации процессов управления, проектирования, документооборота и т.д. Содержание обследования — выявление структуры предприятия, выполняемых функций, информационных потоков, имеющихся опыта и средств автоматизации. Обследование проводят системные аналитики (системные интеграторы) совместно с представителями организации-заказчика.

На основе анализа результатов обследования строят модель, отражающую деятельность предприятия на данный момент (до реорганизации). Такую модель называют «As Is». Далее разрабатывают исходную концепцию АС. Эта концепция включает в себя предложения по изменению структуры предприятия, взаимодействию подразделений, информационным потокам, что выражается в модели «То Be» (как должно быть).

Результаты анализа конкретизируются в ТЗ на создание АС.В ТЗ указывают потоки входной информации, типы выходных документов и предоставляемых услуг, уровень защиты информации, требования к производительности (пропускной способности) и т.п. ТЗ направляет заказчику для обсуждения и окончательного согласования.

Эскизный проект (техническое предложение) представляют в виде проектной документации, описывающей архитектуру системы, структуру его подсистем, состав модулей. Здесь же содержатся предложения по выбору базовых программно-аппаратных средств, которые должны учитывать прогноз развития предприятия.

В отношении аппаратных средств и особенно ПО такой выбор чаще всего есть выбор фирмы-поставщика необходимых средств ( или, о крайней мере, базового ПО), так как правильная совместная работа программ разных фирм достигается с большим трудом. В проекте может быть предложено несколько вариантов выбора. При анализе выясняются возможности покрытия автоматизируемых функций имеющимися программными продуктами и, следовательно, объемы работ по разработке оригинального ПО. Подобный анализ необходим для предварительной оценки временных и материальных затрат на автоматизацию. Учет ресурсов ограничений позволяет уточнить достижимые масштабы автоматизации, подразделить проектирование АС на работы первой, второй и т.д. очереди.



После принятия эскизного проекта разрабатывают прототип АС, представляющий собой набор программ, эмулирующих работу готовой системы. Благодаря прототипированию можно не только разработчикам, но и будущим пользователям АС увидеть контуры и особенности системы и, следовательно, заблаговременно внести коррективы в проект.

Как на этапе обследования, так и на последующих этапах целесообразно придерживаться определенной дисциплины фиксации и представления получаемых результатов, основанной на той или иной методике формализации спецификаций. Формализация нужна для однозначного понимания исполнителями и заказчиком требований, ограничений и принимаемых решений.

При концептуальном проектировании применяют ряд спецификаций, среди которых центральное место занимают модели преобразования, хранения и передачи информации. Модели, полученные в процессе обследования предприятия, являются моделями его функционирования. В процессе разработки АС модели, как правило, претерпевают существенные изменения ( переход от «As Is» к «To Be») и в окончательном виде модель «To Be» рассматривают в качестве модели проектируемой АС.

Наши специалисты выполнят эту работу на высочайшем уровне и по приемлемым ценам.

Доверьтесь квалифицированным сотрудникам нашей компании!