Проектирование, основанное на знаниях – комплексный подход

Аннотация

Katzenbach A., Bergholz W., Rolinger A. Проектирование, основанное на знаниях – комплексный подход. Зависимость между продуктами и процессами в современных высокотехнологичных областях очень сложна, и отдельному инженеру трудно управлять возникающими в результате взаимосвязями. В этом документе представлена методологическая концепция (шаблоны), которая стандартизирует процесс проектирования и его последующие процессы. Также представлены и обсуждены результаты сопутствующего психологического исследования принятия пользователями.

1 Введение

Динамика современных автомобильных рынков сопровождается сокращением жизненного цикла продукции и постоянным сокращением времени разработки [1]. Параллельно растут требования к функциональному продукту и ожидания от качества. Результатом является более высокая степень сложности продукта, а также процессов проектирования и инжиниринга [2][3].

Процессы проектирования и инжиниринга сильно влияют на инновационность продукта и стоимость производства [4]. Фактически, около 70% стоимости продукта определяется на стадии проектирования [1]. Таким образом, процесс проектирования является критическим фактором, который существенно влияет на прибыльность автомобильной компании.

Растущие требования к процессам проектирования требуют применения новых систем для достижения более высокой эффективности при создании продукта и управления возрастающей сложностью продукта. Это иллюстрируется внедрением САПР-систем, которые были внедрены для повышения производительности и качества продукции при одновременном сокращении усилий по разработке [5].

В целях рационализации было внедрено множество других систем, способствующих повышению производительности и качества продукции. Преодолев первоначальные различия между отдельными системами, рынок начал концентрироваться на небольшом количестве соответствующих решений и поставщиков. Однако, несмотря на применение одних и тех же систем, между процессами автомобильных производителей по-прежнему существуют значительные различия. Но, если не отдельные системы, то каковы глубинные причины этих различий?

Ключ находится в методологии и ее реализации. Только идеально интегрированные процессы в сочетании с обширными экспертными знаниями гарантируют достижение высокой эффективности. Платформенные стратегии, способные поддерживать модульные подходы, представляют собой подходящие методы. Такие стандартизированные модули, основанные на междоменных архитектурах, способны не только снизить стоимость деталей, разработки и производства, но и повысить качество проектирования [6].

Введение стандартов не является особенно новой тенденцией в автомобильной промышленности. Однако есть возможности для улучшения. Люди, как важный экономический ресурс, а также с точки зрения их культурных различий, часто забываются. Это затрудняет внедрение новых стандартов. Однако, когда принимаются во внимание человеческое мышление и поведение, а также культурные аспекты, внедрение таких процессов не только повышает мотивацию, но и помогает предвидеть и снижать потенциальные барьеры.

2 Стратегии платформы и концепции модулей

Подходящим подходом к учету разнообразия вариантов и возникающего в результате давления на стоимость была стратегия платформы 1990-х годов. Эти подходы, которые ассоциируются с термином “Hutchen-Spiel“, дают возможность наметить несколько вариантов для различных сегментов рынка на основе общей (базовой) платформы. Стратегии использования общих деталей и платформ превратились в основной фактор успеха для повышения эффективности в автомобильной промышленности [7].

Эта практика стандартизации также играет определенную роль в области процессов и методов. Данные отделов планирования и разработки управляются и предоставляются различным бизнес-подразделениям с помощью систем распределенного управления данными о продуктах (DPDM). В этом контексте основные рекомендации по созданию общей магистрали передачи данных определяются в соответствии с принципом: “настолько мощной, насколько это требуется, но максимально бережливой”. Каждое приложение подключается к магистрали через локальную систему управления данными – систему управления данными приложений (ADM). Локальные системы ADM связаны между собой для обеспечения непрерывности процессов и согласованности данных (см. рисунок 1).

Частью этих стратегий стандартизации являются шаблоны проектирования, используемые для реализации методов САПР в процессе проектирования (синяя рамка на рисунке 1).

3 Шаблоны

3.1 Разработка на основе шаблонов

Шаблоны как приложения, основанные на знаниях, представляют собой комплексный подход к архивированию и управлению всей необходимой информацией в стандартизированном описании продукта и процесса.

Каждая линия автомобилей, каждая сборка, каждый компонент содержат различные и многочисленные артефакты, которые влияют на определенные этапы разработки. Начиная с концептуального проекта, проходя все этапы проектирования и заканчивая архивированием данных, должны быть обеспечены сложные методы разработки и ИТ-решения. Предполагается непрерывная и своевременная информация, обеспечивающая все последующие процессы, а также однозначное и легко выполнимое определение процесса. Использование шаблонных технологий является ключом к решению большинства этих аспектов в современной системе САПР. Схема на рисунке 2 показывает выделенную взаимосвязь между внешними факторами и конкретными этапами проектирования на основе шаблонов.

Можно выделить увеличение содержимого в рамках четырех расширений шаблона. Уровень детализации увеличивается по мере продвижения от внешней оболочки к центру. Функциональные шаблоны содержат только приблизительную геометрическую информацию и в основном используются для предоставления основных размеров и артефактов спецификации. Применение концептуальных шаблонов включает в себя основные характеристики моделей транспортных средств, таких как седан, кабриолет, универсал или внедорожник. Они являются основой для разработки концепций наилучшей практики. Цифровая валидация функциональных принципов является задачей учебных шаблонов. Детализация такой проверенной концепции, приводящая к полному геометрическому описанию деталей, включая соответствующую информацию для изготовления и окончательной сборки, может быть выполнена в шаблонах деталей. На всех уровнях инженер-конструктор может использовать определенные шаблоны для различных модулей транспортного средства. Тесное сотрудничество между DaimlerChrysler Group Research и Mercedes Car Group Development способствует разработке методических основ, впервые внедренных в области дизайна кузова в белом цвете, трансмиссии и шасси. Результаты этого исследования были опубликованы в 2005 году на форуме DaimlerChrysler EDM в Штутгарте [22].

Чтобы предоставить возможность включать всю геометрическую и негеометрическую информацию независимо от этапа процесса, была разработана специальная концепция архивирования PDM. Это позволяет осуществлять поиск данных с разных точек зрения. Общая информационная структура, не зависящая от уровня детализации, является основой шаблонов архивирования.

Эта структура представляет собой краткое изложение различных информационных аспектов всеобъемлющего описания продукта. В зависимости от конкретной задачи разработки необходимая информация активируется и отображается в ожидаемом контексте. Структура различает детали с номером детали продукта и так называемым расположением (опорные элементы). Набор общей информации создает структуру для всех входных данных для шаблонов и связывает все базовые наборы данных, существующие в базе данных PDM, с описанием детали.

Только подходящее PDM-решение может обеспечить такой динамичный информационный поток. Усложнение функций САПР требует более высокого уровня возможностей PDM. Реальная, ценная выгода может быть достигнута только за счет интеграции САПР и PDM. В дополнение к известным требованиям PDM, таким как управление конфигурацией, управление версиями, управление выпусками и изменениями, важна возможность администрирования ограничений и так называемых “связей с несколькими моделями“. Это означает, в частности, ограничения между геометрическими элементами и параметрами внутри деталей, а также ограничения между деталями и подсборками. Для определения всей структуры "тело в белом" в рамках концептуального шаблона требуется более 2500 ссылок [10]. Такое управление ссылками дает возможность разделять сложные структуры на основанные на шаблонах и пригодные для использования структуры деталей. Без этой возможности было бы невозможно поделиться полной информацией и знаниями о сборке из нескольких частей между многочисленными инженерами-конструкторами.

Обязательное использование процессов проектирования на основе шаблонов приводит к постоянному повышению степени зрелости проекта, начиная с ранней фазы и заканчивая детальным проектированием, и предотвращает бесчисленные итерации. Повторное использование этих подходов зависит от степени гибкости и адаптируемости предопределенных шаблонов. Предварительное определение, используя основанные на знаниях формы и функциональные возможности, облегчает это повторное использование. Эти функциональные приложения являются не только частью детального проектирования, они также могут определять и изменять концептуальные структуры с помощью внутренней структуры защиты, как показано на рисунке 4.

Использование шаблонов, основанных на знаниях, является подходящим подходом для интеграции проверенных концепций или систем в дизайн нового продукта. Они содержат всю информацию, необходимую для определения технического поведения в общем контексте. Недостатком этого подхода, очевидно, являются интенсивные усилия, необходимые для определения и поддержания концепции универсального шаблона, которая учитывает все потенциальные варианты будущих экземпляров дизайна.

Чтобы добиться успеха в разработке и внедрении такой сложной концепции, необходимо учитывать технические и концептуальные аспекты. Самая важная часть игры – это люди - инженеры и дизайнеры, которые должны выполнять этот новый процесс и методы.

3.2 Психологические аспекты

Общее отражение работающих систем уже было описано в подходе "человек-техника-организация" [11].

Предыдущее использование шаблонов было сосредоточено в основном на техническом проектировании с целью оптимизации процесса. Однако следует также учитывать человека, организацию и культуру. Далее рассматриваются человеческие факторы и организационные аспекты, обеспечивающие успешное внедрение шаблонов и, следовательно, стандартизацию процесса. Культурные аспекты, которые также оказывают сильное влияние на рабочие системы, упоминаются только в этом контексте [12].

Ранняя интеграция пользователя - лучший способ вовремя учесть потребности человека. Должны быть представлены недостатки предыдущего процесса и цели нового процесса. При разработке шаблонов интеграция пользователя поддерживает принятие новой технологии и предотвращает ненужные проблемы, поскольку учитываются мышление и поведение дизайнера.

Отсутствие учета мышления и поведения дизайнера при решении дизайнерской задачи приводит к умственной нагрузке, которая снижает принятие шаблонов. Конструктивные дефекты и потеря мотивации могут привести к финансовым штрафам. Поэтому когнитивный эргономичный дизайн шаблонов также важен при рассмотрении финансовых аспектов.

В DaimlerChrysler AG было проведено исследование для анализа критических случаев при использовании шаблонов. По результатам этого исследования были проведены усовершенствования дизайна шаблонов. В ходе исследования сравнивались два различных конструктивных элемента. Один конструктивный элемент был составлен без элементов, а на другом тот же конструктивный элемент был составлен с элементами. В общей сложности в исследовании приняли участие шесть дизайнеров, которым были назначены условия эксперимента. По соображениям сопоставимости участники были парализованы с помощью заранее назначенных переменных для условий эксперимента. В первой части исследования участники должны были перепроектировать элемент конструкции (адаптационная конструкция), тогда как во второй части исследования необходимо было создать дополнительную адаптационную конструкцию.

Участники, решившие первую задачу в начале эксперимента, соответственно решили вторую задачу. Участники, решившие вторую задачу в начале эксперимента, соответственно решили первую задачу. Таким образом, каждый участник решил обе задачи эксперимента. Первые результаты показывают различную экспозицию с шаблонами по сравнению с без шаблонов. В частности, постоянная внутрииндивидуальная оценка была заметной и не зависела от опыта проектирования. Более короткое время проектирования и более быстрое создание геометрий рассматривались как преимущество, в то время как потеря обзора и сложность элемента дизайна из-за прочной структуры рассматривались как недостаток шаблонов.

Видеоанализ процесса проектирования, записанный на пленку, предоставит дополнительную информацию о критических инцидентах и их решениях. Кроме того, во второй части исследования была проанализирована обработка информации о ссылках с несколькими моделями – дизайнер должен идентифицировать все ссылки с несколькими моделями. Все участники воспользовались возможностью быстро менять ссылки на несколько моделей. Однако они также раскритиковали потерю общего представления о существующих связях. Учитывая, что модель body shell имеет более 2500 многомодельных ссылок, которые непосредственно не видны в CAD-системе, следует подумать об альтернативных решениях.

Степень сложности возрастает из-за непрозрачного представления связей между несколькими моделями и взаимозависимости внутри элементов конструкции и между ними. Предыдущие исследования показывают, что люди испытывают трудности с решением сложных проблем, которые возникают из-за ошибок и которые в конечном итоге рушатся [14] [15] [16]. Следовательно, необходимо предоставить информацию о взаимозависимости элементов конструкции, вызванной многомодельными связями. Наивысший приоритет должен быть отдан разработке удобной для пользователя информационной системы которая представляет собой многомодельные связи.

В дополнение к человеческому фактору при разработке шаблонов также необходимо организационное встраивание [11]. В настоящее время в DaimlerChrysler существует два подхода к структурированию организации.

Подразделение–стажер: шаблон-пользователь = шаблон-разработчик

Небольшая группа людей использует шаблоны, которые были разработаны в этой группе. Принятие шаблонов является высоким, потому что дизайн шаблона соответствует мышлению и поведению дизайнера, например, критическим аспектом этого подхода является групповое мышление. Этот психологический феномен хорошо проанализирован и описывает обширную тенденцию конформизма в группах. Люди внутри группы поддерживают друг друга в принятии решений, и поэтому результатом может быть принятие серьезных неправильных решений. Критика посторонних не принята [17]. Рассматривая шаблоны, при сборке строительного элемента могут быть приняты неправильные решения.

Подразделение-комплексное: шаблон-пользователь ? шаблон-разработчик

Разработчики шаблонов, которые отбираются по специальным критериям, создают шаблоны для многих пользователей шаблонов. Разработка шаблонов включает в себя лучшие практические решения и стандарты, которые должны соблюдаться пользователями шаблонов. Обеспечивается стандартизированная процедура, и время ориентации может быть сокращено. Тесное сотрудничество между разработчиками шаблонов и пользователями шаблонов обеспечивает учет предыдущих успешных процедур. Приведена первая основа для принятия шаблонов. Принятие шаблонов и эффективность работы дизайнеров ставятся под угрозу, если разработанные шаблоны отличаются от мышления дизайнера и способа его работы.

Пользователи шаблонов имеют более высокую умственную нагрузку для решения задачи проектирования. В дополнение к решению задачи проектирования, объем памяти необходим для понимания структуры шаблона. Емкость рабочей памяти ограничена, и, следовательно, ввод информации и ее обработка также ограничены [18] [19]. Предполагаемая поддержка шаблонов приводит к дополнительным расходам. Используются стратегии обработки информации, которые являются менее успешными и эффективными, когда у них недостаточно возможностей [19]. Еще одной проблемой при разработке шаблонов являются доказанные различия в методах операций, сравнивающих новичков и экспертов [20].

При разработке шаблонов необходимо учитывать индивидуальные стили работы [21]. Следовательно, противоречие между последовательностью и гибкостью шаблонов также является проблемой эргономического дизайна, которую необходимо преодолеть. При разработке удобных шаблонов следует учитывать знания о процессах мышления, объеме памяти, структурировании знаний, различных методах работы новичков и экспертов, а также GUI (графический пользовательский интерфейс). Из-за высоких требований к разработке шаблонов результаты исследования, описанного выше, в основном касаются принятия шаблонов в процессе разработки продукта. Можно определить не только существенные аспекты дизайна шаблона, но и повысить мотивацию пользователей шаблона к использованию шаблонов в дальнейшем.

Выводы

Динамика современного бизнеса требует комплексных, оптимизированных процессов, которые могут быть надежно выполнены только с использованием стандартов. Методология шаблонов, описанная в этой статье, является примером стандартизации процессов, расширяющей использование систем САПР. Технология шаблонов предоставляет всю необходимую информацию о процессе непосредственно из системы САПР. Каждый этап проектирования может быть выполнен с помощью расширения шаблона. Задачей для подходящей концепции шаблона является достижение баланса между стандартизацией и гибкостью, а также включение возможности хранения и извлечения всей информации в PDM-системе. Другим важным фактором является принятие пользователем, который должен привести концепцию к успеху.

Только комплексный подход к процессу разработки, шаблонная методология и поведение человека могут привести эту новую технологию к надежному успеху.

Список использованной литературы

1. Langner T., 1991, Analyse von Einflu?faktoren beim rechnerunterstutzten Konstruieren. In W. Beitz (Hrsg.), Schriftenreihe Konstruktionstechnik TU Berlin.
2. Ulich E., 1991, Arbeitspsychologie. Stuttgart: Schafer Poesbchel Verlag.
3. Ehrlenspiegel K., 1995, Integrierte Produktentwicklung. Methoden fur Prozessorganisation, Produkterstellung und Konstruktion. Munchen: Hanser.
4. Hacker W., Sachse P. & Weth, R. von der, 1996, Denkleistung beim Konstruieren. VDI-Berichte 1270, Zukunftschance Produktentwicklung, 137-153. Dusseldorf: VDI Verlag.
5. VDI 2216, 1994, Datenverarbeitung in der Konstruktion: Einfuhrungsstrategien und Wirtschaftlichkeit von CAD-Systemen. Dusseldorf: Verein Deutscher Ingenieure.
6. Kohler H., Prigl J., CORE-Newsletter 05/06; Interne Veroffentlichung DaimlerChrysler.
7. Dudenhoffer F., 2000, Plattform-Effekte in der Fahrzeugindustrie, Controlling, Heft 3, S. 145- 151.
8. Vielhaber M., Burr H., Eigner, M., 2006, Product Structuring for Cross-X PDM, International Design Conference – Design 2006, Dubrovnik – Croatia.
9. Pahl G., Beitz W., Feldhusen J., Grote K.H., 2003, Konstruktionslehre: Grundlagen erfolgreicher Produktentwicklung. Methoden und Anwendung (5 neubearbeitete Aufl.). Berlin: Springer.
10. Hamburger Karosseriebautage 2006. Zukunft der Automobil- Karosserieentwicklung.
11. Strohm O. & Ulich E. (1997). Unternehmen arbeitspsychologisch bewerten. In E. Ulich (Hrsg.), Schriftenreihe Mensch, Technik, Organisation, Band 10. Zurich: vdf Hochschulverlag.
12. Hofstede G. (1994). Culture and Organizations. Intercultural cooperation an dits importance forsurvival. Software of the mind. London : Harper Collins.
13. Greif S., Schiffer P., Bemmann P., Offersmanns M., Kluge S., Kone T. & Domcke J. (1998, Dezember). Erfolg und Misserfolg von Veranderungen nach Erfahrungen von Insidern: Bericht eines Studienprojekts (Kurzfassung). Osnabruck: Universitat, Fachgebiet der Arbeits- und Organisationspsychologie.
14. Dorner D., Kreuzig H. W., Reither F. & Staudel T. (Hrsg.).(1983). Lohhausen: Vom Umgang mit Unbestimmheit und Komplexitat. Bern: Hans Huber.
15. Hussy W. (1984). Denkpsychologie. Ein Lehrbuch, Bd. 1. Geschichte, Begriffs- und Problemloseforschung, Intelligenz. Stuttgart : Kohlhammer.
16. Dorner D. (1987). Problemlosen als Informationsverarbeitung (3. Aufl.). Stuttgart: Kohlhammer.
17. Brehm S.S., Kassin S.M., Fein S. (1999). Social Psychology ,Vol. 5. Boston: Houghton Mifflin Company.
18. Hacker W. & Sieler R. (1997). Arbeitsgedachtnis-einfache vs. komplexe Spannen als Pradikatoren des Textverstehens. Zeitschrift fur Psychologie, 205, 143-167.
19. Sachse P. (2001). Idea materialis: Entwurfsdenken und Darstellungshandeln: Uber die allmahliche Verfertigung der Gedanken beim Skizzieren und Modellieren. Berlin: Logos Verlag.
20. Pahl G. (1995). Ist Konstruieren erlernbar oder doch eine Kunst? VDI Berichte 1169, 27-44.
21. Weth von der (1988). Konstruktionstatigkeiten und Problemlosen. In E. Frieling & H. Klein (Hrsg.). Rechnerunterstutzte Konstruktion. Schriften zur Arbeitspsychologie (Hrsg. E. Ulich), Band 46. Bern: Huber (S. 32-39).
22. Haasis S.; Bernhard R.; Rehner H.-P.; Arndt H.; Frank D.: CATIA V5 Templates for De-sign Concepts. DaimlerChrysler AG, EDM Forum “Manage Complexity”, http://www.daimlerchrysler. com/edm-forum. Stuttgart: 2005.