Formułowanie zadania projektowego i wymagania projektowe.

1. Formułowanie zadania projektowego.

Pierwszym i bardzo ważnym etapem pracy projektanta jest sformułowanie zadania, które ma rozwiązać. Jest bowiem oczywiste , że zostanie rozwiązany - lepiej czy gorzej - taki problem , jaki został postawiony. Niewłaściwy wybór problemu jest bowiem błędnych poszukiwań rozwiązań. Jednak ważność tego etapu jest najczęściej niedoceniana , ponieważ projektant oczekuje , że otrzyma zadanie sformułowane przez kogoś innego , i tak też się często dzieje.

Społeczna odpowiedzialność twórcy ma jeszcze inny aspekt: oprócz zaspokojenia potrzeb społecznych projektant powinien je kształtować , tzn. tworzyć nowe , społecznie akceptowane potrzeby i modyfikować stare , niekorzystne.

Celem etapu formułowania zadania projektowego jest:

• określenie potrzeby , która ma zostać zaspokojona przez projektowany obiekt (tzn. system, urządzenie lub proces), czyli określenie celu projektowania ;

• uogólnienie , ale i konkretyzacja potrzeb ;

• poszerzenie pola poszukiwań rozwiązań ;

• eliminacja ograniczeń i wymagań (nieuzasadnionych) ;

• transformacja problemu do takiej postaci , przy której można oczekiwać rozwiązań lepiej zaspokajających potrzeb ;

• transformacja problemu do takiej postaci , w której jest łatwiej rozwiązywalny.

2. Definicja wymagań projektowych.

Wymaganiami projektowymi (lub konstrukcjami) nazywa się wszystkie ograniczenia

narzucone na wartości zmiennych.

Ograniczenia te są narzucone na:

• cechy konstrukcyjne x_p : p = 1,...,P ;

• właściwości konstrukcyjne y_r : r = 1,...,R ;

• zmienne stany obiektu s_t : t = 1,...,T.

Ograniczenia mogą mieć charakter równości lub nierówności:

f_i (x₁,...,x_p, y₁,...,y_R, s₁,...,s_r ) = c_i

i = 1,...,I

a_j ≤ g_j (x₁,...,x_p, y₁,...,y_R, s₁,...,s_T) ≤ b_j

j = 1,...,J

gdzie: a_j , b_j , c_i są stałymi.

Ograniczenia te należy postarać się sprowadzić do standardowej postaci:

f_k (x₁,...,x_p, y₁,...,y_R, s₁,...,s_T) = 0

k = 1,...,K

g_l (x₁,...,x_p, y₁,...,y_R, s₁,...,s_T) ≥ 0

l = 1,...,L, L ≥ J

Często ograniczenia są początkowo podawane w postaci opisowej , np. „obiekt ma mieć dużą dokładność” lub „obiekt ma być wygodny w obsłudze”. W pierwszym przykładzie są to rozmyte granice , w drugim rozmyta jest to(lingwistyczna) zmienna. Należy dążyć do ich formalizacji.

3. Rodzaje wymagań projektowych.

W punkcie tym zostaną podane charakterystyczne grupy wymagań. Przyjęty podział nie jest ani rozłączny , ani wyczerpujący , lecz powinien być w praktyce pomocny do zestawiania listy wymagań.

Typowe są następujące wymagania: funkcjonalne , niezawodnościowe , dynamiczne , ergonomiczne i estetyczne , kulturowe , ekonomiczne , technologiczne , ekologiczne , wynikające z zakresu ważności modelu matematycznego , prawne i inne.

Wymagania funkcjonalne.

Wynikają one wprost z przeznaczenia projektowego obiektu (i jego funkcji) i z konieczności dopasowania obiektu do otoczenia , a w szczególności do współdziałających układów technicznych do źródeł energii , do pomieszczeń (np. ograniczenia gabarytowe , obciążenia fundamentów).

Wymagania niezawodnościowe.

Charakteryzują one żądaną trwałość i odporność na zużycie , czyli obejmuje wskaźniki niezawodnościowe i wytrzymałościowe , stateczność kształtu , odporność na różne zakłócenia zewnętrzne (np. zmiany temperatury otoczenia), odporność na korozyjne działanie otoczenia , zewnętrzne pole magnetyczne , odporność na niefachową obsługę itp.

Wymagania dynamiczne.

Związane są z prędkością działania obiektu oraz układów współdziałających , szczególnie w stanach nieustalonych (procesy przejściowe). Opisują one wszelkie inne właściwości dynamiczne obiektu.

Wymagania ergonomiczne i estetyczne.

Wymagania te opisują stopień dopasowania obiektu do psychicznych i fizycznych możliwości i potrzeb człowieka , np. do zdolności rozdzielczej oka , do siły ręki , do wymiaru i ciężaru ciała ludzkiego. Należy je rozumieć bardzo szeroko , np. odpowiednia kolorystyka elementów maszyn czy układu elektronicznego może bardzo ułatwić montaż , szczególnie w produkcji seryjnej. Wymagania dotyczące estetyki formułuje się zwykle w odniesieniu do całego obiektu , szczególnie istotne są one dla wyrobów powszechnego użytku. Do tej grupy wymagań należą także wymagania bezpieczeństwa i higieny pracy (BHP), wynikające z obowiązujących norm i przepisów , w tym przepisów straży pożarnej , policji , sanepidu , Urzędu Dozoru Technicznego itp.

Wymagania kulturowe.

Zaliczamy do nich wymagania wynikające z uwarunkowań obyczajowych , religijnych i innych , działających w sferze kultury danego społeczeństwa.

Wymagania ekonomiczne.

Określają przede wszystkim główne wskaźniki kosztów (np. koszt produkcji , koszt eksploatacji) oraz planowaną skalę produkcji produkowanego obiektu. Mogą też dotyczyć parametrów charakteryzujących docelową wydajność produkcyjną obiektu , sprawność energetyczną , zużycie energii i inne nakłady ponoszone podczas użytkowania , obsługi i napraw , a także charakteryzujące trwałość obiektu.

Wymagania ekologiczne.

Charakteryzują i ograniczają niekorzystne oddziaływanie obiektu na otoczenie naturalne atmosferę ( wodę , glebę , florę , faunę i krajobraz ) podczas jego wytwarzania, użytkowania, remontów i transportu , a także po zakończeniu eksploatacji.

Wymagania wynikające z zakresu ważności modelu matematycznego.

Wymagania te wynikają z możliwości obliczeń i zakresu ważności przyjętych w obliczeniach modeli matematycznych. Niespełnienie tych wymagań uniemożliwia przeprowadzenie obliczeń projektowych.

Wymagania prawne.

Wynikają z prawa obowiązującego na obszarze , gdzie projektowany obiekt ma być wytwarzany , a przede wszystkim na obszarze , gdzie ma być stosowany. Wymagania te formułujemy na podstawie obowiązujących przepisów , norm i ustaw państwowych. Szczególnym przykładem są udzielone w danym państwie patenty , ograniczające swobodę projektanta w doborze rozwiązań konstrukcyjnych czy procesów technicznych.

W ostatnim okresie - w związku z rosnącą produkcyjną i handlową wymianą międzynarodową - specjalnego znaczenia nabiera znajomość norm i dyrektyw obowiązujących w innych krajach oraz wynikające z umów międzynarodowych.

Wymagania inne.

Nie należy zapominać o wymaganiach formalnych , np. wynikające z norm, zaleceń, wymagań czy katalogów.

4. Źródła informacji do określenia wymagań projektowych.

Podstawowe źródła , z których projektant powinien czerpać informacje potrzebne do sformułowania wymagań:

1. Uzgodnienia ze zleceniodawcą procesu projektowania i polecenia konstruktora wiodącego mogą mieć postać zamówienia , umowy (kontraktu) , zlecenia , notatki służbowej itp. Jest to podstawowe źródło mające znaczenie obligatoryjne dla konstruktora. Jeśli konstruktor uważa , że wymagania postawione przez zleceniodawcę , których może być np. kierownik pracowni , główny konstruktor lub zleceniodawca zewnętrzny , powinny być zmienione lub uzupełnione , powinien to zaproponować i uzyskać akceptację zleceniodawcy.

2. Własna wiedza i doświadczenie wynikające projektowania lub użytkowania podobnych obiektów w przeszłości.

3. Badania laboratoryjne lub eksploatacyjnych podobnych obiektów wytwarzanych przez innych wytwórców. Należy wyraźnie podkreślić przydatność tego źródła informacji.

4. Rozmowy z innymi konstruktorami , z technologami , ekonomistami, ergonomistami, psychologami , lekarzami , socjologami i innymi specjalistami.

5. Rozmowy z użytkownikami podobnych obiektów , w szczególności obserwacja ich pracy, wprowadzonych przez nich elementów dodatkowych wyposażenia stanowisk pracy , własnych ulepszeń itp. Ewentualne rozmowy z reprezentantami użytkowników , np. z działaczami federacji konsumentów.

6. Rozmowy z dystrybutorami podobnych obiektów , np. z przedstawicielami firm handlowych , w tym także z ewentualnymi eksporterami. W przypadku przygotowania produkcji masowej lub wielkoseryjnej rozmowy z użytkownikami i dystrybutorami prowadzi się na szeroką skalę i w sposób zorganizowany (np. w formie ankiet) - nosi to nazwę badań marketingowych.

7. Rozmowy z przedstawicielami przyszłego producenta , na podstawie których należy sformułować ograniczenia produkcyjne , np. co do możliwości produkcyjnych i materiałowych.

8. Rozmowy z dotychczasowymi producentami i podobnych obiektów. Ta inicjatywa może natrafić na przeszkody ze względów konkurencyjnych , szczególnie w przypadku gospodarki wolnorynkowej.

9. Badanie literatury , w szczególności:

• książek i czasopism ;

• opisów patentowych ;

• katalogów producenta i literatury handlowej , np. cenników ;

• unormowań prawnych: norm technicznych , przepisów , zarządzeń , w szczególności norm polskich (PN) , branżowych (BN) , zakładowych (ZN) , przepisów (np. przepisów Urzędu Dozoru Technicznego ) , zarządzeń (np. Polskiego Komitetu Normalizacyjnego).

• standardów, wymagań i zaleceń (krajowych i międzynarodowych ).

5. Metody wspomagające określanie wymagań projektowych.

Proces określania wymagań można rozłożyć na dwie fazy:

• określanie listy wielkości , na których wartości należy narzucić ograniczenia ;

• określenie tych granic , czyli podziałów dopuszczalnych poszczególnych wielkości.

Metody wspomagające jedną lub obie fazy to: metoda przestrzeni zdarzeń i sprzężeń , metoda drzewa celów oraz badanie użytkownika i procesu użytkowania.

Określenie wymagań jest bardzo ważnym , lecz niestety heurystycznym (niealgorytmicznym) działaniem i zwykle przedstawia następujący ciąg czynności projektowych:

• przegląd istniejących systemów materialnych ;

• scharakteryzowanie sytuacji ;

• zbieranie danych ;

• badanie otoczenia ;

• zrozumienie problemu ;

• zaprojektowanie zewnętrznych funkcji systemu.

1. Na etapie analizy zadania należy też przeanalizować możliwość innych , nowych metod zastosowań projektowanego sytemu. Można w ten sposób rozszerzyć obszar zastosowań bez dodatkowych znacznych kosztów , jeśli dostatecznie wcześnie uwzględni się wymagania wynikających z tych nowych zastosowań i nowych użytkowników.

2. Wymagania są zmienne w czasie: w miarę postępu prac projektowych coraz lepiej pozna się problem , można zatem lepiej opisać potrzebę: ściśle określić jedne wymagania oraz sformułować nowe , których wcześniej nie dostrzegano. Na przykład nowe koncepcje rozwiązania implikują nowe wymagania.

3. Analiza zadania różni się nieco na różnych etapach procesu projektowania. Wszystko to zostało powiedziane na ten temat odnosi się głównie do etapu projektowania wstępnego. Podczas projektowania szczegółowego interesujące jest przede wszystkim otoczenie techniczne projektowanego systemu.

4. Na etapie projektowania szczegółowego typowe są dwie trudności:

• zamiana wymagań niemierzalnych na mierzalne ;

• poszukiwanie granicznych wartości niektórych wielkości.

Problemy te można przełamać , stosując opisane już metody wspomagania określania wymagań.

6. Optymalizacja wspomagań projektowych.

6.1. Sformułowanie zadania.

Przedstawiony zostanie teraz sposób postępowania opierający się na bardzo uproszczonym modelu , który ma służyć przede wszystkim do pokazania metodyki postępowania.

W każdym zadaniu optymalizacji chodzi o znalezienie wartości pewnych zmiennych , nazywanych zmiennymi decyzyjnymi , takich aby pewna funkcja , zwana funkcją celu lub kryterium optymalizacji , osiągnęła wartość ekstremalną. W naszym przypadku chodzi o określenie wymagań projektowych. Ich formalnym zapisem są stałe ( ograniczenia a_j , b_j , c_i we wzorach przedstawionych poprzednio ) i one zatem są szukanymi zmiennymi decyzyjnymi. Zbiór tych stałych w dalszych rozważaniach będzie oznaczane symbolem S. Należy zauważyć ponadto , że na etapie projektowania wstępnego zbiór S określa jakość obiektu , które będzie się oznaczać symbolem Q

Q = f(S) ( 6.3)

Natomiast funkcja celu , dla której przyjmijmy oznaczenie F i według której będzie prowadzona optymalizacja wymagań projektowych , jest bardzo dyskusyjna i w każdym konkretnym przypadku może być inna.

Podsumowując , zadanie optymalizacji wymagań projektowych polega na znalezieniu formalnych ograniczeń S takich , aby funkcja celu F osiągnęła wartość ekstremalną (najczęściej maksymalną) przy jednoczesnym spełnieniu ograniczeń na zmienne decyzyjne , o których będzie mowa dalej. Tak znalezione wymagania nazywa się wymaganiami optymalnymi S_opt . Jak się dalej będzie można przekonać na przykładach , równocześnie z poszukiwaniem optymalnych wymagań S_opt szuka się zwykle optymalnej wielkości wartości produkcji N_opt oraz optymalnej stopy zysku α , chyba że są dane jako ograniczenia równościowe w zadaniu.

W dalszych rozważaniach będą stosowne następujące zmienne:

Q - jakość projektowanego projektu;

S - poszukiwany zbiór wymagań projektowych;

n - wielkość sprzedaży w danym okresie czasu (szt.);

N - całkowita wielkość produkcji obiektu o danej konstrukcji w danym okresie (szt.);

C - cena jednostkowa uzyskiwana przez producenta (zł/szt.);

K_e - całkowity jednostkowy koszt eksploatacji obiektu w danym okresie;

K_w - całkowity jednostkowy koszt wytwarzania obiektu , łącznie z kosztami prac

projektowo-badawczymi i kosztami uruchomienia i podatkiem (zł/szt.);

K_z - jednostkowy koszt zakupu;

Z - zysk;

• - stopa zysku.

6.2. Funkcja celu.

Zależnie od zadania projektowego oraz od sytuacji i poglądów decydenta mogą być stosowane różne kryteria optymalizacji. Z reguły kryterium optymalizacji ma charakter zmiennej techniczno-ekonomicznej i wyraża kompromis między różnymi , wzajemnie sprzecznymi interesami i wymaganiami (np. producenta i konsumenta). Poniżej zostaną opisane proponowane postacie tego kryterium.

Jak się wydaje , podstawowe znaczenie jako funkcja celu F ma wartość zysku Z , który może np. zdefiniować następująco:

F = Z = N c - N K_w (6.4)

To kryterium powinno być maksymalizowane przez producenta , któremu zależy na największym zysku , jak to ma miejsce w gospodarce rynkowej.

Jeśli rozwiązuje się zadania projektowe częściowe po dekompozycji albo gdy nie jest się w stanie określić zależności (6.6) i (6.7) nawet w przybliżeniu , należy utworzyć jakąś postać funkcji celu F wyrażającą kompromis między skalarną jakością Q i kosztami K , na przykład:

F = Q - f(K) (6.5a)

Albo

F = Q - f(K_e) (6.5b)

Albo

jak w analizie wartości (6.5c)

gdzie: f(K) jest jakąś funkcją kosztu (np. funkcją preferencji) , a Q jest skalarnym wskaźnikiem jakości utworzonym np. na podstawie atrybutów jakości.

Można też szukać kompromisu między jakością i kosztami , rozwiązując zadanie polioptymalizacji. W szczególnym przypadku , gdy koszt jest ustalony (jako ograniczenie) , kryterium optymalizacji może być wskaźnik jakości Q

F = Q (6.5d)

6.3. Model matematyczny.

W punkcie tym zostanie zestawiony zbiór zależności koniecznych do powiązania

funkcji celu F ze zmiennymi decyzyjnymi S , N , α występującymi w zadaniach , w których chodzi o wyznaczenie optymalnych wymagań projektowych.

Funkcja popytu

n = f(Q , C , K_e) (6.6)

Dla danego rynku oraz danej sytuacji ekonomicznej i technicznej tego rynku wielkość popytu zależy od jakości Q , ceny C i spodziewanych kosztów eksploatacji K_e. Ponieważ na etapie projektowania wstępnego nie są znane osiągi projektowanego obiektu , nie można określić jego jakości. Dlatego wykorzystują zależność (6.3) zamiast Q używa się S , czyli zborów szukanych ograniczeń

n = f₁(S , C , K_e) (6.6a)

Koszt wytwarzania K_w dla danego producenta zależy przede wszystkim od wyrobu KS i od wielkości produkcji N , o ile zastosowano optymalną technologię wytwarzania

K_w = f(KS , N) (6.7)

Całkowity koszt K w przypadku obiektu kupowanego może być w uproszczeniu obliczony jako

K = K_z + pK_e (6.8)

W przypadku wytwarzania :

K_w = K + pK_e (6.8a)

gdzie: liczba p<1 oznacza , że jednostka pieniężna wydatkowana później jest mniej cenna niż wydana w chwili zakupu lub produkcji. Wartość p zależy od stopy oprocentowania kapitału i od stopy inflacji.

Minimalna cena może być wyznaczona przez producenta z zależności

C = (1 + α)K_w (6.9)

gdzie α jest przyjętą stopą zysku twórczego , chyba że cenę określa się inaczej (np. jest to cena dumpingowa albo określana przez państwo).

Produkt KS jest uwarunkowany żądanymi właściwościami (wymaganiami projektowymi) S projektowanego obiektu oraz skalą produkcji N

KS ⇐ (S , N) (6.10)

Znak ⇐ oznacza , że zależność (6.10) nie jest funkcją matematyczną , lecz relacją heurystyczną w każdym przypadku określaną (lepiej lub gorzej) przez człowieka w żmudnym twórczym procesie projektowania.

Koszt eksploatacji (na danym rynku) zależą od obiektu

K_w = f(KS) (6.11)

Natomiast gdy obiekt ma być projektowany i wykonywany przez kooperanta , koszty eksploatacji zależą od ustalonych wymagań projektowych S

K_e = f(S) (6.11a)

Koszt zakupu w przypadku zakupu hurtowego zależy od wymagań umownych S i od wielkości partii N

K_z = f(S , N) (6.12)

6.4. Ograniczenia.

W omawianym zadaniu optymalizacji wymagań projektowych występują m.in.

następujące ograniczenia:

• wielkość produkcji N powinna być nie większa niż możliwości produkcyjne producenta:

;

• minimalna jakość produkcji powinna być nie gorsza od tej , która wynika z norm , przepisów itp.: Q ≥ Q_min lub S ≥ S_min ;

• stopa zysku powinna być nie mniejsza niż ekonomicznie opłacalna: α ≥ α_min ;

• różne wymagania formalne , np. N ≥ n > 0 , wszystkie wielkości skalarne dodatnie.

7. Podsumowanie.

1. Funkcja celu F opisuje to , co dla decydenta jest najważniejsze , dlatego też powinna być starannie dobrana. W książce tej pokazano kilka typowych przykładów, dla których przyjęto inne postacie funkcji celu (kryterium optymalizacji). Dla każdej funkcji celu można zbudować odpowiedni algorytm postępowania.

2. Funkcja celu powinna możliwie dobrze łączyć interes producenta i interes użytkowników (konsumentów) aby opisywać kompromis między nimi.

3. W celu umożliwienia klientowi najlepszego wyboru , czyli kompromisu między jakością wytworu i jego ceną , producent powinien oferować na rynek możliwie pełny asortyment wytworów danej klasy , różniących się jakością i ceną. Umożliwia to klientowi dokonanie optymalizacji zakupów.

4. Można uzasadnić , że z reguły pierwotnym kryterium optymalizacji powinien być całkowity koszt społeczny wytwarzania i użytkowania wyrobu. Niestety , najczęściej nie ma możliwości wyliczenia tego kosztu i należy go szacować w inny sposób ,

np. używając funkcji celu typu (6.6) gdzie występuje konieczność sztucznej skalaryzacji jakości Q (równanie (6.3)). W niektórych przypadkach , np. w zadaniu typu 1 , taka potrzeba nie występuje.

5. Przy dokładniejszej analizie funkcji typu (6.6) lub (6.6a) może się okazać , że rozpatrywany okres należy podzielić na kilka odcinków , t = 1,...,T , w których mamy różne wartości popytu n_t i stąd różne wielkości produkcji N_t , ceny C_t , α_t itd.; stałe pozostają tylko S , KS i Q. Wówczas dla każdego odcinka należy obliczyć F_t , a maksymalizowaną funkcje celu będzie ich suma

6. W niniejszym wykładzie sformułowano zadanie optymalizacji , ale nie pokazano algorytmu postępowania optymalizacyjnego. Ze względu na matematyczną nieodwracalność niektórych funkcji , np. (6.6) , (6.6a) , (6.3) i (6.7) , oraz fakt że przekształcenie (6.10) jest bardzo kosztowne i czasochłonne , nie można użyć żadnej matematycznej metody optymalizacyjnej. Można natomiast postępować następująco:

• określić przestrzeń zmiennych decyzyjnych , np. {S = (k₁,k₂,...,k_I),N} ;

• określić obszar dopuszczalny wartości zmiennych decyzyjnych ;

• w obszarze tym intuicyjnie określić pewne podobszary , w których można oczekiwać rozwiązania optymalnego (można to robić przez nakładanie poszczególnych przesłanek heurystycznych) ;

• losowo lub systematycznie , przyjmując pewien krok , przeglądać kolejne punkty przestrzeni zmiennych decyzyjnych (każdy punkt jest rozwiązaniem zadania) , dla każdego punktu , stosując odpowiedni algorytm obliczyć wartość funkcji celu F.

• punkt , który charakteryzuje się największą wartością F , jest rozwiązaniem optymalnym.

Należy pamiętać , że obliczenia mogą być bardzo żmudne i kosztowne i nie mogą być zautomatyzowane , dlatego też nie możemy dokonać przeglądu zupełnego i rozwiązanie jest suboptymalnym , a nie dokładnym optymalnym globalnie. Zadowalamy się więc nie lepszą , lecz dostatecznie dobrą wartością funkcji celu.

7. Istotna jest znajomość uwarunkowań podczas określania optymalnych wymagań projektowych (optymalnej jakości obiektu). Ważność tego działania wynika stąd , że w istocie jest to ten etap projektowania , w którym ilościowo określa się cel projektowania. Za granica poświęca się na to działanie do 30% wszystkich nakładów na projektowanie , a więc bardzo dużo. Wszelkie dokumenty tego typu mają charakter poufny , a końcowe rezultaty zatwierdza dyrektor naczelny. Prognozowania i badania rynkowe (marketing) dostarczają odpowiednich danych. W kraju optymalizowanie jakości jest dość zaniedbywane , a niektóre podstawowe parametry , jak α i N , były dotychczas narzucane przedsiębiorstwu jako wskaźniki dyrektywne.

8. Przedstawiona tu procedura dotyczy takich przypadków , dla których działanie zapisane zależnością (6.10) może zostać zrobione w rozsądnym czasie , tzn. projektant ma doświadczenie pozwalające szybko określić KS = f(S , N).

9. Wykazano , że możliwa jest formalna optymalizacja wymagań projektowych (kosztów i jakości) projektowanego obiektu także na etapie projektowania wstępnego , kiedy zadanie to jest szczególnie ważne.

10. Ze względu na trudności związane z wykonywaniem obliczeń i przekształceń wynikające z proponowanego modelu matematycznego nie jest możliwy pełny przegląd możliwych rozwiązań zadania optymalizacji i trzeba zadowolić się rozwiązaniem suboptymalnym.

---