Методология системного проектирования
В основе системного подхода лежит возможность представления сложных систем и процессов как совокупности относительно самостоятельных элементов*.
Основными задачами при системном проектировании – проектировании, всегда направленном на поиск оптимальных вариантов функционирования систем в реальных условиях, являются:
- обоснованное представление системы, как совокупности относительно самостоятельных элементов с их структурно-функциональными связями;
- определение комплекса критериев, позволяющих объективно оценивать результаты проектирования;
- разработка математических моделей исследуемых процессов и программ для решения задач на ЭВМ;
- анализ результатов и подготовка материалов для приятия решений.
Рассмотрим подчиненность и содержание задач, связанных с проектированием рефрижераторного вагона. Его можно принять за вагон, имеющим свойства грузового и пассажирского вагонов.
_______________
*) см. п.1.2.
Являясь элементом системы "транспорт – продовольственный комплекс страны", вагон через свои технико-экономические характеристики оказывает влияние на её экономику.
Технико-экономические характеристики, в свою очередь, являются функцией параметров вагона, выбираемых в процессе проектирования. Вследствие этого возникает задача установления связи между выбором проектных параметров вагона и оценкой их с точки зрения экономики страны. Попытки непосредственного разрешения этой задачи практически неосуществимы. Поэтому для определения экономической эффективности рефрижераторных вагонов в системе "транспорт – продовольственный комплекс страны" устанавливают средние стоимостные показатели их эксплуатации, которые выражаются через технико-экономические характеристики вагона.
|
|
|
В соответствии с этим можно выделить пять основных уровней решения задач по разработке нового вагона (табл. 3).
Информация, соответствующая прямым межуровневым связям, получается на основе решения задач рассматриваемого уровня. Причем для верхнего, - она представляет собой оптимизированные параметры, а для нижнего, – дисциплинирующие условия, являющиеся основой для формулирования критериев и ограничений задач данного уровня.
Обратные связи отражают:
- для I уровня – прогнозируемую себестоимость грузов по железным дорогам или среднюю стоимость перевозок в тонна-км на железнодорожном транспорте;
- для II уровня – прогнозируемые технические характеристики вагона;
- для III уровня – прогнозируемые физико-механические свойства материа-
лов и комплектующих изделий, технологические процессы, результаты НИР и ОКР и т.д.
|
|
|
Ввиду сложности моделей необходимое число итерационных циклов между различными уровнями трудно реализовать на практике. Вместе в тем накопленный опыт указывает на возможность независимого рассмотрения систем разного уровня, поскольку на каждом из них решаются оптимизационные задачи. Чем выше по иерархии смежные уровни, тем реже потребность в обмене информацией между ними.
Вероятностный характер информации, на основе которой решаются задачи рассматриваемых уровней, вносит некоторую степень неопределенности, которая, однако, на результатах существенно не отражается.
Табл. 3. Уровни решения задач по разработке нового вагона
| Стадии проекти- рования | Иерар- хический уровень | Содержание задач | Организации, ответственные за решение задач* | ||
| "Внешнее" проектиро вание" "Внутреннее" проектиро-вание | I II III IV V | Определение необходимых объемов перевозок скоропортящихся грузов железнодорожным транспортом Необходимый типаж и желаемые технико-экономические характеристики рефрижераторных вагонов, размер заказываемой партии и специальные требования Определение облика и проектных параметров рефрижераторного вагона, удовлетворяющего заданным требованиям Проектно-конструкторские задачи по уточнению облика вагона, его конструктивно-силовой и общей компоновочной схеме, по определению структуры и параметров подсистем Конструкторские задачи по разработке узлов и деталей и составление технической документации для производства и эксплуатации рефрижераторного вагона | Минэкономики РФ, Минсельхоз, ОАО РЖД, Минтранс РФ, ОАО РЖД ОАО РЖД, ОКБ Отделы ОКБ Бригады ОКБ | ||
| *) Нуждаются в уточнении из-за постоянных изменений в структуре хозяйства РФ
| |||||
Анализ структуры рефрижераторного вагона и иерархии задач проектирования позволяет обоснованно подойти к проблеме его декомпозиции на подсистемы, а процесса проектирования – на ряд взаимосвязанных задач.
Методология системного проектирования базируется на следующих основных положениях об оптимальности систем:
- в общем случае система, состоящая из оптимальных элементов, не обязательно будет оптимальной. Она должна оптимизироваться в целом как единый объект с заданным целевым назначением (это, однако, не означает, что оптимизация по частям вообще не имеет смысла);
|
|
|
- система должна оптимизироваться по количественно определенному и единственному критерию, отражающего в математической форме цель оптимизации (отсутствие такого критерия, как правило, свидетельствует о нечетком понимании разработчиком стоящей перед ним задачи);
- поскольку система оптимизируется в условиях заданных ограничений на оптимизируемые параметры, ее оптимальность всегда относительна, условна.
В этих условиях весьма важной проблемой является выбор системы критериев, позволяющих для каждого рассматриваемого уровня проектных задач, для каждого элемента подсистемы выбирать такие параметры и характеристики, которые бы обеспечили высокую эффективность системы в целом. При этом необходимо руководствоваться принципом оптимальности, который предполагает, что если составляющие системы всех уровней оптимальны по критериям, соответствующим системам более высокого уровня, то вся система оптимальна. Это означает, что критерии оценки на каждой стадии проектирования должны быть непротиворечивыми, отвечать общим целям железнодорожного транспорта.
Математическое моделирование проектных задач является важнейшей составной частью методологии системного проектирования. Моделирование предполагает построение модели и ее исследование, включающее отыскание допустимых решений, анализ чувствительности модели и оптимизацию.
Построить модель системы – это значит произвести ее количественное описание с помощью системы уравнений, связывающих параметры и характеристики системы.
Под параметрами системы понимаются независимые переменные и их численные значения.
Характеристики – это переменные и их численные значения, зависящие от значений параметров, а также от значений параметров и самих характеристик.
Синонимом слова "характеристика" является слово "функция". В иерархических системах понятия "параметр" и "характеристика" относительны, поскольку параметры верхнего уровня при переходе к нижнему,- обычно превращаются в характеристики.
Построение математической модели начинается с формализованного описания проектируемого объекта, которое в общем случае представляет собой смысловое выражение его модели. Для этого вначале целесообразно выявить параметры, которые могут оказать определяющее влияние на результаты моделирования. Количество таких параметров на каждом этапе проектирования должно быть таким, чтобы набор их конкретных значений давал достаточную информацию для принятия решений, необходимых на рассматриваемом уровне разработки проекта.
После составления таблицы определяющих параметров устанавливают связи между ними и дают математическое описание модели. При этом важно из всего многообразия функциональных связей выделить наиболее существенные, позволяющие получить нужную информацию.
Заключительный этап построения модели – разработка алгоритма для решения поставленной задачи.
Осуществив программную реализацию алгоритма, математическую модель необходимо проверить на соответствие моделируемому объекту путем решения тестовой задачи. В процессе испытания модели устраняют возможные ошибки, уточняют и при возможности упрощают математическое описание, сокращая число независимых параметров.
В соответствии с методологией системного проектирования бессмысленно пытаться разработать некоторую универсальную модель проектирования вагона, охватывающего все типы задач, связанных с разработкой его проекта. Типы моделей, их полнота и достоверность зависят как от этапа разработки проекта, постановки задачи проектирования, так и от разрабатываемого вагона.
При разработке проектных моделей целесообразно использовать блочный принцип моделирования. Суть его заключается в том, что отдельные группы связей, характеризующие геометрические, весовые, экономические, компоновочные и другие свойства вагонов, объединяются в отдельные системы уравнений - блоки. Достоинством такого подхода является возможность параллельной разработки модели, большая гибкость в проведении расчетных работ при различных постановках задач проектирования, а также лучшие возможности программной реализации моделей на ЭВМ.
На этапе "внешнего" проектирования вагонов целесообразно использовать экономико-математические модели, описывающие систему железнодорожных перевозок, а также модели изменения существующего и прогнозируемого грузооборота (распределение грузов по массе, габаритам, по временной и пространственной шкалам), модели пропускной способности железных дорог, программ серийного производства данного типа вагонов и т.д. Последние в этих моделях представляются набором технико-экономических характеристик.
В задачах "внешнего" проектирования независимыми параметрами являются технико-эксплуатационные характеристики вагона, а критерии оптимальности формируются из характеристики системы в целом (степень эффективности поставленной задачи при ограниченных ресурсах). В данном случае определяются такие характеристики, как необходимый парк вагонов, места его приписки, среднесуточная скорость движения, грузоподъемность, "внешний" и "внутренний" температурный режим и др., позволяющие сформулировать техническое задание на проектирование.
Как правило, на этом уровне весовые характеристики моделируются относительной величиной тары вагона, теплотехнические – коэффициентом теплопередачи ограждения, характеристики энергетической установки – удельным расходом топлива. Все эти характеристики определяются на основе статистической обработки данных по существующему подвижному составу с учетом прогноза развития на определенный срок.
Модели, используемые на этапах "внутреннего" проектирования, будут отличаться гораздо большей степенью детализации и полнотой учета разнообразных факторов, влияющих на выбор проектно-конструкторских решений.
В соответствии с блочным принципом моделирования отдельные группы отношений между параметрами и характеристиками вагона, отражающие различные стороны его структуры и функционирования и базирующие на различных научно-технических дисциплинах, объединяются в ряд субмоделей. Назовем наиболее вероятные из них.
Геометрические модели описывают отношения между параметрами вагона и характеристиками его формы и размеров. С их помощью по выбранной компоновочной схеме и некоторым обобщенным параметрам определяется геометрия вагона – база, длина консолей, внутренние погрузочные размеры, наружные очертания с учетом рационального использования габарита подвижного состава и пр. Данные этой модели используются для весовых и прочностных расчетов, компоновки, графического отображения результатов проектирования, а также разработки технологической оснастки и программ для соответствующих станков.
Весовые модели объединяют систему отношений между геометрией вагона и особенностями его конструктивно-силовой схемы, структурой и размещением оборудования и снаряжения, условиями нагружения и массой как всего вагона, так и отдельных его элементов.
Модели энергетических установок описывают отношения между габаритами, рабочими параметрами двигателей и их мощностями и расходом топлива при различных условиях перевозок грузов.
Динамическая модель описывает ходовые качества вагона в зависимости от его конструкции, схемы расположения в поезде, скорости движения, качества пути, условия нагрузки груза, режима движения поезда и пр.
Прочностные модели позволяют выявить связи между массо-габаритными характеристиками вагона и характером нагружения силовых элементов конструкции, уровнем напряжения и деформации в них.
Модели компоновки и центровки позволяют произвести взаимную пространственную увязку основных компонентов вагона. Они отображают сложные связи ходовых качеств и массо-габаритных характеристик вагонов в эксплуатации.
Экономические модели отображают связи технических параметров вагона с затратами на его проектирование, изготовление и эксплуатацию.
Перечисленные модели базируются на различных методах расчетов и оценок, применение которых зависит от стадии разработки проекта и типа решаемой задачи, наличия исходной информации, выбранных масштабов моделей. При этом также учитываются затраты вычислительной техники и трудоемкость обработки получаемых данных. В процессе проектирования появляются дополнительные сведения о вагоне, поэтому его проектные модели развиваются и уточняются как на различных этапах проектирования, так и внутри каждого этапа.
На начальном этапе проектирования, когда информация о проектируемом вагоне в основном ограничена его заданными характеристиками и прошлым опытом проектирования вагонов-аналогов, применяются полуэмпирические методы расчета, базирующиеся на упрощенных представлениях, отражающих важнейшие параметрические связи.
В результате начального этапа проектирования формируется облик вагона. Когда определены его параметры первого приближения, появляется возможность уточнить расчетную модель путем использования более строгих закономерностей, отражающих физику моделируемых процессов, а также возможность учета дополнительных факторов, информация о которых появилась в процессе разработки проекта.
Отметим, что при разработке принципиально новых вагонов, т.е. в условиях отсутствия прошлого опыта, необходимо физическое моделирование, так как в противном случае задача формирования облика вагона будет неразрешимой. Имея модель, адекватно отображающую реальный объект, можно перейти к решению задач, связанных с поиском допустимых или оптимальных параметров проектируемого объекта.
Практическая реализация методологии системного проектирования невозможна без широкого использования вычислительной техники. Эта методология стимулирует развитие методов автоматизированного проектирования и конструирования на базе систем автоматизированного проектирования (САПР).
Дата добавления: 2018-10-27; просмотров: 645; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!