Структурный синтез

Понятие структуры нашло широкое применение в естественнонаучных и технических дисциплинах. Например, можно говорить о структуре системы, процесса, машины или прибора, алгоритма и программы, образа и ситуации. Развиваются и имеют плодотворные приложения структурные методы исследования в лингвистике, распознавании образов, теории автоматического управления, кибернетике.

Существует большое количество определений структуры. Например, структурой называют способ организации целого из частей или, даже, меру неоднородности окружающей среды [3, 18]. Под структурой объекта (технической системы, процесса) будем понимать совокупность составляющих его элементов и связей между ними.

Сфера приложений понятий структура и структурный синтез в технике очень велика. Можно утверждать, что все проектные решения структурны. Например, физический принцип действия устройства состоит из отдельных физических эффектов; любая техническая система состоит из подсистем и элементов; элементами технологического, вычислительного и других процессов являются операции; структуру алгоритма образуют блоки псевдокода; программа состоит из операторов и т. д.

В результате решения задачи структурного синтеза должно быть получено описание состава изделия и всех существенных связей между его ‘элементами. В зависимости от вида проектного решения таким описанием может быть простой перечень элементов и связей между ними, таблица соединений, матрица инцидентности, граф связей, структурная схема, блок-схема, эскиз, компоновка чертеж и пр.

Несмотря на существенные различия существующих технических систем и процессов для всех них можно предложить общую постановку задачи синтеза. А именно, задана функция (функциональное назначение, закон функционирования), требуется разработать описание объекта (технической системы, процесса), который реализует заданную функцию и удовлетворяет некоторой совокупности ограничений и особых условий.

Понятие функции технической системы широко используется в методиках поискового конструирования, функционально-стоимостного анализа, в патентоведении и других сферах инженерной деятельности [7, 11, 14, 15]. Однако не существует общепринятого определения функции, функционального назначения. Под функцией технической системы будем понимать закон преобразования заданных входных величин в требуемые выходные величины, т. е. зависимость выходов объекта от его входов.

Это определение предполагает, что синтезируемый объект представляется в виде «черного ящика». Его входами являются любые существенные воздействия среды (надсистемы) на синтезируемый объект, выходами—связи объекта со средой. Отношение вход-выход, развернутое во времени, представляет собой закон функционирования (функцию) синтезируемого объекта.

Концепция «черного ящика» не накладывает никаких ограничений на природу и свойства входов, выходов и отношений между ними. Таковыми могут быть материальные, энергетические, информационные, детерминированные, стохастические, генетические и т. п. связи. В общем случае отношение между входами и выходами синтезируемого объекта можно рассматривать как связь между возможными причинами и необходимыми следствиями.

На возможные реализации синтезируемого объекта накладываются ограничения. Они могут иметь различный технический, физический, технологический, гуманитарный и др. характер. Например, могут лимитироваться масса, габаритные размеры, исполнительные размеры, элементный состав, возможные структуры и т. п. синтезируемого объекта. Существуют ограничения, связанные с наличием прототипов, аналогов, с патентной чистотой варианта. Особые условия и ограничения позволяют более четко определить класс, к которому принадлежит синтезируемый объект.

Приведем примеры задач синтеза. Пусть необходимо синтезировать технологический процесс изготовления некоторой детали. На этапе постановки задачи синтеза сам технологический процесс представляется в виде «черного ящика», входами которого служат характеристики заготовки (конфигурация, марка материала, шероховатость поверхностей и пр.), выходами характеристики готовой детали (геометрия обработанных поверхностей, их взаимное расположение, точность, шероховатость и т. п.). В качестве ограничений выступают такие свойства производственной и технологической систем, как совокупность видов обработки, состав технологического оборудования, типовые маршруты и операции и т. п.

Пусть требуется разработать редуктор по заданным входным моменту и угловой скорости и выходным моменту и угловой скорости. В этой задаче синтеза входами и выходами («черного ящика» — редуктора) являются моменты и угловые скорости. В зависимости от проектной ситуации ограничениями могут быть требования к количеству ступеней редуктора, к виду зацеплений, расположению осей, габаритным размерам, массе и т. п.

При синтезе алгоритма упорядочения входом алгоритма, представленного в виде «черного ящика», является множество элементов любой природы, каждому из которых поставлено в соответствие некоторое число—ключ. Выходом алгоритма служит множество, отсортированное по увеличению (уменьшению) ключа. Особые условия и ограничения могут требовать, например, чтобы алгоритм упорядочения сохранял работоспособность в тех случаях, когда областью определения ключа являются натуральные, целые, действительные числа.

Задача структурного синтеза проектных решений, с точки зрения возможности формализации, относится к числу наиболее сложных. Это связано с тем, что с одной стороны, свойства синтезируемого объекта зависит от большого числа зачастую случайных, противоречивых, но не до конца исследованных, факторов. Эта причина имеет объективный характер. С другой стороны, при решении задачи синтеза часто приходится выбирать вариант из множества очень большой конечной или даже счетной мощности. При проектировании функциональных схем блоков радиоэлектронной аппаратуры существует бесчисленное множество вариантов, различающихся количеством элементов, типами элементов, способами их взаимосвязи. Кроме того, если задача синтеза поставлена в терминах некоторой формальной системы, то для реализации такого выбора необходимо решить задачу очень высокой размерности. Например, решить задачу дискретной оптимизации на множестве, состоящем из большого числа элементов. При этом могут потребоваться такие вычислительные мощности, которые превосходят возможности современных компьютеров.

Большая размерность задач синтеза технических объектов делает целесообразным применение блочно-иерархического подхода, при котором весь процесс синтеза объекта разбивается на совокупность взаимосвязанных иерархических уровней. Это значит, что синтезируется не весь объект в целом, а на каждом иерархическом уровне синтезируются определенные подсистемы, уровень детализации которых соответствует принятому способу декомпозиции системы на подсистемы. Такой подход существенно упрощает решение задачи синтеза.

Традиционно процесс проектирования делится на стадии предварительного, технического и рабочего проектирования. Можно говорить о процессе синтеза, который состоит из последовательности процедур, упорядоченных согласно декомпозиции процесса проектирования на стадии. Эта упорядоченность процедур синтеза такова [16].

На стадии предварительного проектирования синтезируются основные, принципиальные решения, определяющие концепцию технического объекта. Такими решениями могут быть: физический принцип действия устройства, облик летательного аппарата, архитектура вычислительной системы и т. п.

На стадии технического проектирования синтезируются проектные решения, уточняющие и реализующие концепцию технического объекта. Например, разрабатываются конструктивные реализации физических эффектов, образующих физический принцип действия устройства. На стадии рабочего проектирования синтезируются все параметры и разрабатывается конструкторская документация на объект.