Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

Výzkum inženýrského navrhování a jeho využití

Michael Valášek
 
Inženýrské navrhování (konstruování, projektování) je proces, v němž inženýři vytvářejí artefakty, tedy výrobky (objekty), které dosud v přírodě neexistovaly. Tím se liší od obecné vědy, která zkoumá vlastnosti objektů vytvořených přírodou a nové objekty nevytváří. Navrhování úzce souvisí s lidskou tvořivostí, tedy částí lidské inteligence, které si patrně nejvíce vážíme. Objevilo se již mnoho pokusů, jak inženýrské navrhování (i lidskou tvořivost) popsat a vytvořit jeho algoritmus. Zatímco univerzální algoritmy lidské tvořivosti jsou neúspěšné, lze celou řadu postupů při inženýrské navrhování popsat, algoritmizovat nebo alespoň počítačově podpořit. V článku je popsána celá řada v praxi použitelných modelů inženýrského navrhování, které činnost inženýra návrháře urychlí a zefektivní. Tyto postupy byly použity v ústavu mechaniky, biomechaniky a mechatroniky Fakulty strojní ČVUT v Praze při vypracovávání návrhu konstrukce obráběcích strojů.
 

1. Jak popsat tvořivost

Dosavadní pokusy plně algoritmicky popsat inženýrského navrhování, a tak i lidskou tvořivost (viz vložený rámeček) byly zatím vždy neúspěšné. Základní problém spočívá v tom, že vlastní tvořivost se odehrává mezi nestrukturovaným a strukturovaným prostředím. Popisy a algoritmy však pracují již jen se strukturovanými informacemi. Nejdříve je tedy nutné zavést symboly a teprve potom lze postupy pojmenovat a popsat.
 
Inženýrské navrhování je součástí životního cyklu výrobku, který má tyto fáze:
  • specifikace návrhu,
  • konceptuální návrh,
  • detailní návrh,
  • technická příprava výroby,
  • výroba,
  • užití,
  • likvidace.
Dosud bylo největší úsilí věnováno algoritmům pro detailní návrh a technickou přípravu výroby. V tomto příspěvku se soustředíme na konceptuální návrh, který je základem inovativních výrobků. V současném globálním světě rozhoduje o prodejnosti výrobku vedle ceny a spolehlivosti především jeho inovativnost, tedy nové a lepší funkční vlastnosti. To je ostatně podstatou oboru mechatroniky, která použitím synergie elektroniky a počítačového řízení se stroji přináší jejich nové funkční vlastnosti.
 
Existují různé kvalitativně rozlišné druhy inženýrského navrhování:
  • originální navrhování, kdy je vytvářen artefakt se zcela novými vlastnostmi, který nemá žádné předchůdce,
  • konfigurační navrhování, kdy jsou dány třídy konstrukčních prvků a úkolem je vybrat mezi nimi vhodné a spojit je do celku, který splňuje požadované vlastnosti,
  • parametrické navrhování, kdy je dána struktura spojení konstrukčních prvků a úkolem je nalézt jejich parametry, aby byly splněny požadované vlastnosti,
  • výběrové navrhování, kdy je úkolem vybrat z dané třídy prvků takové, které splňují dané vlastnosti,
  • rutinní navrhování, kdy celý postup návrhu je plně algoritmicky popsán.
Originální navrhování je plně založeno na lidské tvořivosti a skutečně systematická podpora je velmi problematická. Jeho podíl však není velký, protože v první části je úloha převedena na konfigurační navrhování. Největší podíl na inženýrském navrhování má konfigurační navrhování, které lze spojit s parametrickým tím, že možné struktury spojení konstrukčních prvků jsou uspořádány do zvláštní třídy, která je popsána určitými parametry.
 
Ukázalo se, že obecně je užitečné sestavit model inženýrského navrhování, analyzovat jeho vlastnosti, zlepšit jeho průběh a výsledky na vytvořeném modelu a pak ho aplikovat v praxi. Tento postup byl mnohokrát úspěšně použit. Přitom vytvářené modely mohou postihovat různá hlediska popisu inženýrského navrhování.
 

2. Hierarchický model postupu navrhování

Obecně lze inženýrské navrhování popsat hierarchickým modelem opakujícího se postupu navrhování pro každý konstrukční prvek (komponentu, modul). Jako lze každý vytvořený artefakt rozložit na hierarchii konstrukční prvky v určité hierarchii, z nichž každý se na jisté úrovni rozkladu artefaktu hierarchicky skládá z konstrukčních prvků nižší úrovně, lze i návrhový postup rozložit na opakující se návrhové postupy pro každý konstrukční prvek opět v určité hierarchii. To je znázorněno na obr. 1. Opakující se návrhový proces je ukázán na obr. 2. Začíná vždy návrhovou specifikací pro danou úroveň. Následují tři do sebe vnořené iterační – optimalizační smyčky: pro výběr komponent k realizaci návrhu na dané úrovni, dále pro strukturální návrh, dosud prováděný volbou podle zkušenosti, a smyčka parametrického návrhu, nyní již často založeného na výpočtech a optimalizacích. Důležitou fází je následující výpočet a kontrola splnění kritérií, omezení a požadavků. Při jejich nesplnění proběhnou tři iterační smyčky pro změnu, optimalizaci parametrů, struktury a volby komponent. Jestliže ani pro jejich proběhnutí nelze splnit kritéria, následuje návrat na hierarchicky vyšší úroveň, kde proběhne jiná dekompozice problému.
 

3. Znalostní podpora inženýrského navrhování

Uvedený model byl vedle teoretických úvah o vlastnostech inženýrského navrhování použit pro vytvoření modelu znalostní podpory inženýrského navrhování. Znalostní podpora má vytvořit postupy pro úschovu a následné znovupoužití znalostí, které při inženýrském navrhování vznikají. Přitom je velmi podstatné, že většina znalostí je neformálních a jsou obsaženy v dokumentech, které přirozeně vznikají při navrhování – většinou to jsou modely vytvořené pro danou etapu návrhu.
 
Ukázalo se, že návrh lze popsat jako posloupnost transformací mezi těmito etapami, kterým se říká návrhové světy. Je třeba přidat jen malé množství formálních znalostí spolu se systematickým postupem úschovy dokumentů s neformálními znalostmi a celé velké množství znalostí je uchováno a je přístupné jak návrháři – autorovi, tak jeho kolegům. Velmi důležité je, aby přidávání formálních znalostí návrháře vůbec nenamáhalo a nejlépe bylo přirozeným krokem jeho postupu. Jinak každý systém pokoušející se formalizovat navrhování neuspěje, protože návrháři nechtějí být ve svém postupu zdržováni. Model transformující se posloupnosti světů návrhu je znázorněn na obr. 3. Tento model byl již přímo implementován v rámci projektu Clockwork (Creating Learning Organisations with Contextualised Knowledge-Rich work Artifacts) (obr. 4), který byl řešen v rámci Pátého rámcového programu EU pro výzkum. Model je velmi vhodný pro podporu komunikace místně nebo firemně oddělených návrhových týmů a nyní je experimentálně zkoušen.
 

4. Model konfiguračního a parametrického navrhování

Dalším důležitým modelem je model konfiguračního, resp. parametrického navrhování. Lze jej znázornit návrhovou sítí, kterou ukazuje obr. 5. Návrhová síť popisuje parametrické navrhování pomocí těchto objektů: parametry, závislosti, omezení, požadavky, opravy a nákladové funkce pro optimalizaci. Parametry pjjsou návrhové proměnné, které mohou nabývat různých hodnot. Hodnoty parametrů mohou být voleny z množiny jejich přípustných hodnot nebo vypočítány použitím funkčních závislostí dk z jiných parametrů, tedy podle závislostí
 
pk= dk(pi, pj, …)     (1)
 
Hodnoty parametrů jsou omezeny omezeními cl,
 
cl(pi) ≤ 0     (2)
 
nebo požadavky rn
 
rn(pi) ≤ 0     (3)
 
Formálně hrají omezení a požadavky podobné role, ale jejich sémantický význam je rozdílný: požadavky musí být splněny, ale omezení nesmí být porušena. Omezení popisují fyzikální zákony např. únosnosti materiálu. Požadavky většinou představují funkční požadavky na navrhovaný artefakt. Obecně platí, že jsou-li porušena omezení nebo požadavky, návrh není přípustný. Porušením omezení nelze návrh fyzikálně realizovat, zatímco nesplněním požadavků se nenaplní zadání, které ale může být zmírněno. Je-li návrh nepřípustný, musí být opraven. K tomu jsou určeny opravy fm, které představují pro návrháře určité znalosti, aby nemusel procházet všechny varianty zpětnými kroky. Opravu je možné vyjádřit závislostí
 
pi = fm(pi)     (4)
 
Nákladové funkce jsou kritéria pro odlišení funkčně ekvivalentních řešení návrhu. Obvykle je jich více a jde o vícekriteriální optimalizaci. Cílem parametrického návrhu je nalézt takové hodnoty parametrů, které vyhovují všem omezením a požadavkům a přitom jsou nákladové funkce minimalizovány. Parametrické navrhování může být velmi obtížné svou rozsáhlostí, neboť velikost návrhového prostoru (prostoru přípustných hodnot parametrů) může v průběhu vypracovávání návrhu exponenciálně růst. Jeho řešení je však v principu možné poměrně přímočarými algoritmy typu Navrhni&Oprav. Pomocí modelu návrhové sítě lze však existující postup návrhu analyzovat a modifikovat tak, aby bylo rychleji nalezeno řešení v podobě přípustného návrhu, tedy aby byly nalezeny takové hodnoty parametrů, které vyhovují omezením i požadavkům. Toto urychlení může zkrátit dobu uvedení výrobku na trh. Například analýzou a modifikací systému oprav návrhové sítě pro konfiguraci výtahu zkrátilo dobu pro nalezení řešení o 50 %. Jiným velmi účinným postupem je rozklad návrhové sítě a návrhového prostoru hierarchicky do ostrůvků, v nichž jsou parametry vzájemně mnohonásobně závislé, zatímco mezi ostrůvky je závislost jen sporadická. Na obr. 6 byly nalezeny takové struktury ostrůvků v původně nerozložené návrhové síti. Návrh pak postupuje intenzivními iteracemi uvnitř ostrůvků a následně jen omezenými
iteracemi mezi nimi.
 

5. Použití při navrhování obráběcích strojů

Popsaný postup je základem nové metodiky pro vypracování návrhu obráběcích strojů, zvláště s tzv. paralelní kinematickou strukturou. Původní návrhová síť, která by postupnou iterací jednotlivých omezení a požadavků vedla k nesmírně složitým výpočtům, byla hierarchicky rozložena na tři oblasti (ostrůvky), kde byly nalezeny mnohočetné závislosti parametrů geometrie, struktury, tuhosti a pohonů stroje (obr. 7). Tím byla snížena složitost výpočtu při navrhování.
 
Dalšího snížení bylo dosaženo pomocí nově vyvinutých tzv. globálních nástrojů pro výpočty, které umožňují určit průběh důležitých veličin, v daném případě tuhost a dynamické schopnosti návrhu nejen v jedné poloze, ale v celém pracovním prostoru obráběcího stroje téměř současně, a to bez rozsáhlých simulací. Tyto důležité výsledky dále poskytly možnost použít výpočetně náročné, ale účinné optimalizace genetickými algoritmy.
 
Uchováním historie optimalizace zůstanou k dispozici velmi cenné soubory obsahující zkušenosti z navrhování, ze kterých bylo možné dolovat znalosti. Všechny tyto postupy ve svém celku umožnily jednak o několik řádů zvýšit počet analyzovaných variant a jednak změnit pesimistický průběh vývoje znalostí návrháře a jeho tvůrčí svobody (obr. 8) tak, že bylo možné ještě během navrhování artefaktu akumulované znalosti použít pro jeho změnu, tedy v reálném čase se poučit z vlastních chyb. Tato metodika byla základem úspěšného vývoje obráběcího stroje Trijoint 900H, který spolu s teorií jeho návrhu získal cenu Česká hlava 2003 – kategorie Invence a ukázal možnost, jak mnohonásobně zlepšit mechanické vlastnosti obráběcích strojů oproti současnému stavu.
 

6. Další možnosti použití

Modely konfiguračního návrhu v podobě návrhové sítě umožňují automatizovat realizaci tohoto návrhu. To bylo využito při navrhování automobilů Lotus. Návrhová síť obsahovala dva tisíce parametrů. Na obr. 9 je na příkladu optimálního historického návrhu automobilu Lotus ukázáno, že lze automatizovat konfigurační návrh až do fáze geometrických a grafických řešení.
 
Uvedené výsledky ukazují, že původní velmi abstraktní teoretické výzkumy inženýrského navrhování přinášejí velmi cenné výsledky pro praxi, které mohou znamenat pro české podniky strategickou výhodu na globálních trzích.
 
Prof. Ing. Michael Valášek, DrSc.,
FS ČVUT v Praze
 
Obr. 1. Hierarchie inženýrského návrhu
Obr. 2. Opakující se posloupnost postupu při návrhu
Obr. 3. Struktura transformací znalostí mezi jednotlivými etapami – světy postupu navrhování
Obr. 4. Znalostní podpora místně nebo znalostně rozděleného návrhového týmu
Obr. 5. Návrhová síť jako základní model parametrického návrhu
Obr. 6. Příklad nalezení hierarchické struktury ostrůvků v návrhové síti
Obr. 7. Návrhová síť obráběcího stroje po hierarchické dekompozici na tři oblasti
Obr. 8. Množství znalostí a tvůrčí svoboda návrháře: a) tradiční průběh, b) nový průběh při použití návrhových algoritmů
Obr. 9. Historický model automobilu Lotus jako výsledek optimálního návrhu v systému Colin
 

Algoritmy inženýrského navrhování

Některé pokusy o vytvoření algoritmu inženýrského navrhování přinesly v minulosti částečné výsledky. Nejnadějnějšími z nich jsou systémy tzv. vynálezeckého inženýrství – TRIZ (tvorba a řešení inovačních zadání) a ARIZ (algoritmus řešení invenčních zadání). Jde o výsledky výzkumu G. Altšulera a jeho spolupracovníků v bývalém SSSR, které jsou dnes dostupné v podobě programů Invention Machine nebo Technical Optimizer. Vycházejí z představy, že při řešení inženýrského návrhu je nutné najít východisko z konfliktu mezi dvěma protikladnými vlastnostmi soustavy. Jestliže jednu vlastnost zlepšíme, druhá se zhorší a naopak. Algoritmy TRIZ a ARIZ jsou založeny na postupech, které místo prostého kompromisu hledají řešení, které konflikt zcela odstraní. Jde o velmi přínosné poznatky, ale podstatu návrhu za nás nevyřeší. Tyto postupy zvýší přibližně pětkrát počet konceptů, které prozkoumáme za hodinu řešení. Koncepty však musí stejně generovat lidští návrháři svojí tvořivostí, jen z více inspirací podle zákonitosti, že náhoda přeje připraveným. Ostatně i pouhé použití heuristického postupu IKR, tj. hledání ideálního konečného řešení, umožňuje překonat lokální kompromisy a nalézat opravdu nová, vysoce inovativní řešení.
Michael Valášek