Интеллектуальные цифровые технологии концептуального проектирования инженерных решений

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ 
ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 
КОНЦЕПТУАЛЬНОГО 
ПРОЕКТИРОВАНИЯ 
ИНЖЕНЕРНЫХ РЕШЕНИЙ

А.В. АНДРЕЙЧИКОВ
О.Н. АНДРЕЙЧИКОВА

Москва
ИНФРА-М
2021

УЧЕБНИК

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом профессионального 
образования в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлениям подготовки 
27.04.04 «Управление в технических системах», 
09.04.01 «Информатика и вычислительная техника», 
15.04.01 «Машиностроение» (квалификация (степень) «магистр») 
(протокол № 8 от 29.04.2019)

УДК [004+62](075.8)
ББК 32.81:30я73
 
А65

Андрейчиков А.В.
Интеллектуальные цифровые технологии концептуального 
проектирования инженерных решений : учебник / А.В. Андрейчиков, О.Н. Андрейчикова. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 511 с. + 
Доп. материалы [Электронный ресурс]. — (Высшее образование: 
Магистратура). — DOI 10.12737/textbook_5cde57b7228885.60898513.

ISBN 978-5-16-014884-7 (print)
ISBN 978-5-16-107382-7 (online)

В учебнике рассмотрены интеллектуальные цифровые технологии концептуального проектирования инженерных решений, основанные на системном использовании закономерностей строения и развития новой техники, математических, эвристических и интеллектуальных методов, баз данных запатентованных изобретений.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Предназначен для студентов, обучающихся по направлениям подготовки высшего 
образования (магистратуры) по следующим группам направлений подготовки: 
«Управление в технических системах»; «Компьютерные и информационные науки»; 
«Информатика и вычислительная техника»; «Машиностроение»; «Техника и технологии наземного транспорта»; «Техника и технологии строительства»; «Фотоника, 
приборостроение, оптические и биотехнические системы и технологии»; «Авиационная и ракетно-космическая техника»; «Техника и технологии кораблестроения и водного транспорта».

УДК [004+62](075.8)
ББК 32.81:30я73

А65

А в т о р ы:
Андрейчиков А.В., доктор технических наук, профессор, профессор кафедры 
менеджмента качества Российского университета транспорта (МИИТ) (введение; 
гл. 1, 2, 5; тесты, ответы на тесты, темы рефератов и докладов по курсу); 
Андрейчикова О.Н., доктор технических наук, профессор, ведущий научный 
сотрудник Центрального экономико-математического института Российской 
академии наук (гл. 3, 4)
Р е ц е н з е н т ы:
Курейчик В.М., доктор технических наук, профессор, профессор кафедры си стем 
автоматизированного проектирования Южного федерального университета;
Семенов Н.А., доктор технических наук, профессор, заместитель заведующего 
кафедрой информационных систем Тверского государственного технического 
университета

ISBN 978-5-16-014884-7 (print)
ISBN 978-5-16-107382-7 (online)
© Андрейчиков А.В., 
Андрейчикова О.Н., 2019

Материалы, отмеченные знаком 
, доступны 
в электронно-библиотечной системе Znanium.com

Введение

Проектирование технических объектов является развивающейся 
междисциплинарной областью знаний, значительную часть которых составляют эвристические и эмпирические знания. Для концептуального проектирования (начальных стадий проектирования) 
характерны некорректные и плохо формализуемые задачи, для решения которых предложены различные методологии: системное 
проектирование, поисковое конструирование, теория решения 
изобретательских задач (ТРИЗ), функционально-стоимостной 
анализ (ФСА) и т.д. 
Обострение конкурентной борьбы на рынках, усложнение технических объектов, уменьшение времени, отводимого на разработку изделий, сокращение времени их жизненного цикла, бурное 
развитие вычислительной техники, экологические и социальные 
факторы обусловили в последнее десятилетие развитие методологий по созданию интеллектуальных цифровых технологий проектирования.
Это развитие происходит в следующих направлениях:
1) активизация исследований в области концептуального проектирования, которые определяют примерно 80% интегральной 
стоимости изделия в процессе всего его жизненного цикла;
2) расширение границ проектирования, что происходит в связи 
с рассмотрением всех стадий жизненного цикла объекта в процессе 
его проектирования. При этом задачи внешнего проектирования 
становятся более значимыми. Учет всех стадий жизненного цикла 
приводит к расширению множества участников в процессах принятия проектных решений. При этом возникают задачи разрешения 
конфликтов и задачи кооперации;
3) повышение качества проектируемых объектов. Понятие качества приобретает все более широкий смысл, включая не только качество выполнения основных функций, но и экологические, эргономические, технологические и прочие подобные аспекты;
4) сокращение сроков и повышение эффективности процесса 
проектирования;
5) развитие теоретических основ проектирования путем обобщения опыта, приобретенного при разработке конкретных методологий, направленных на достижение определенных целей;
6) компьютеризация проектирования, включающая разработку 
систем автоматизированного проектирования (САПР), экспертных 
систем (ЭС), баз данных (БД) и баз знаний (БЗ), систем поддержки 

принятия решений (СППР), систем моделирования, распределенных систем поддержки проектирования и виртуальных студий.
В настоящем учебнике изложены основные методы и интеллектуальные цифровые технологии концептуального проектирования, 
которые позволяют решать важнейшие задачи структурного синтеза, принятия решений и прогнозирования в условиях неопределенности на ранних стадиях проектирования технических объектов. 
Условия неопределенности означают наличие неполной, неточной, 
неколичественной, ненадежной, нечеткой информации, привлекаемой для решения указанных задач. С развитием средств информатизации существенно возрастают объемы данных, которые могут 
быть использованы для синтеза, анализа, прогнозирования и планирования решений. Это в свою очередь требует развития средств 
представления и обработки разнородной информации, а также эффективных методов извлечения необходимых сведений из мощных 
информационных потоков. С каждым годом уменьшается время, 
отводимое на принятие решений, а сложность процедур возрастает 
в связи с увеличением числа участников этих процессов и объемов 
привлекаемой информации, с быстрым и плохо предсказуемым изменением условий, в которых происходят постановка и решение 
задач, а также реализация принятых решений. В условиях быстро 
изменяющегося окружения традиционные технологии анализа, 
синтеза и прогнозирования решений не всегда являются приемлемыми, главным образом из-за жестких ограничений по времени 
и недостаточного количества и качества информации. Все это делает необходимыми получение прогнозов возможных изменений 
окружения задач проектирования и разработку методов для оценки 
последствий принимаемых решений. Проблема планирования решений в кризисных и нестабильных ситуациях, которые характерны для России в последние годы, имеет особое значение, поскольку в условиях переходной экономики механизмы саморегуляции или не работают, или работают крайне неэффективно, так 
как процессы являются несбалансированными. Поэтому представляются важными определение типов задач, которые имеют место 
в подобных ситуациях, и разработка подходов к их решению с использованием информационных систем.
Анализ методов и компьютерных систем, применяемых для синтеза, прогнозирования и принятия решений, позволяет сделать следующий вывод: наиболее перспективными являются методы и системы, основанные на технологии обработки знаний.
При изучении данного курса обучающиеся должны приобрести 
следующие компетенции:

Название компетенции
Ожидаемые результаты

Знать
Уметь
Владеть

Обладание способностью решать стандартные задачи профессиональной деятельности 
на основе информационной 
и библиографической культуры с применением информационно-коммуникационных технологий и с учетом основных требований 
информационной безопасности

Традиционные способы представления и обработки знаний 
в информационных системах 
(нечеткие знания и способы 
их обработки; методы приобретения знаний; нейронные 
сети; эволюционные аналогии 
в информационных системах; 
мультиагентные информационные системы)

Применять полученные 
теоретические знания 
для проектирования новых и применения существующих информационных систем

Навыками приобретения, 
представления и обработки знаний в информационных системах 

Обладание способностью применять знание этапов жизненного цикла изделия, продукции или услуги

Этапы жизненного цикла изделия, продукции или услуги
Выявлять актуальные 
для решения инженерные задачи на каждом 
этапе жизненного цикла 
изделия, продукции или 
услуги

Методами и программными инструментальными 
средствами для решения 
задач на каждом этапе 
жизненного цикла изделия, продукции или услуги

Обладание умением идентифицировать основные процессы и участвовать в разработке их рабочих моделей

Подходы и методы идентификации основных процессов, 
характерных для этапа концептуального проектирования

Описывать процессы 
в формализованном 
виде

Технологией разработки 
моделей

Название компетенции
Ожидаемые результаты

Знать
Уметь
Владеть

Обладание способностью использовать основные прикладные программные средства и информационные технологии, применяемые 
в сфере профессиональной 
деятельности

Основные прикладные программные средства и информационные технологии, основанные на методах искусственного интеллекта

Использовать основные 
прикладные программные средства 
и информационные  
технологии в сфере  
профессиональной  
деятельности

Навыками адаптации  
новых прикладных программных средств и информационных технологий в сферу профессиональной деятельности

Обладание способностью анализировать состояние и динамику объектов деятельности 
с использованием необходимых методов и средств анализа

Методы и информационные 
технологии для проведения 
маркетинговых исследований 
в области информационнокоммуникационных технологий

Анализировать  
состояние и динамику 
объектов деятельности 
с использованием  
необходимых методов 
и средств анализа

Навыками интепретации 
полученных результатов 
исследований

Обладание способностью применять проблемно-ориентированные методы анализа, 
синтеза и оптимизации процессов и систем

Методы анализа, синтеза 
и оптимизации процессов 
и систем

Использовать методы 
анализа, синтеза  
и оптимизации в сфере 
профессиональной  
деятельности

Навыками системного 
анализа и интепретации 
полученных результатов 
исследований

Обладание способностью использовать знания о принципах принятия решений 
в условиях неопределенности

Методы многокритериального 
принятия решений в условиях 
неопределенности 

Разрабатывать СППР
Навыками адаптации 
СППР к решению  
прикладных задач 

Настоящий курс предназначен для студентов, обучающихся 
на направлениях подготовки высшего образования (магистратуры) 
по следующим направлениям: 27.00.00 Управление в технических 
системах»; 02.00.00 «Компьютерные и информационные науки»; 
09.04.02 «Информационные системы и технологии»; 09.04.03 
«Прикладная информатика»; 09.04.04 «Программная инженерия»; 
15.04.01 «Машиностроение»; 15.04.04 «Автоматизация технологических процессов и производств»; 15.04.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»; 
15.03.06 и 15.04.06 «Мехатроника и робототехника»; 23.00.00 «Техника и технологии наземного транспорта»; 08.00.00 «Техника и технологии строительства»; 12.00.00 «Фотоника, приборостроение, 
оптические и биотехнические системы и технологии»; 24.00.00 
«Авиационная и ракетно-космическая техника»; 26.00.00 «Техника 
и технологии кораблестроения и водного транспорта». 
Курс также может быть использован для подготовки кадров 
высшей квалификации по программам подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре: 07.06.01 «Управление в технических 
системах»; 02.06.01 «Компьютерные и информационные науки»; 
09.00.00 «Информатика и вычислительная техника»; 15.06.01 «Машиностроение»; 23.06.01 «Техника и технологии наземного транспорта»; 17.00.00 «Оружие и системы вооружения». 

Глава 1 
СоВременные парадиГмы 
концептуальноГо проектироВания 
СиСтем 

1.1. обзор методолоГий концептуальноГо 
проектироВания техничеСких объектоВ

Проектирование в широком смысле можно рассматривать как 
процесс составления описания, которое необходимо для создания 
в заданных условиях еще не существующего объекта, и выбора соответствующих действий [151]. Проектирование тесно связано 
с познавательной деятельностью и инженерным творчеством. Этот 
процесс составляет важный элемент жизненного цикла любой 
сложной технической системы (ТС) [173]. В жизненном цикле ТС 
проектирование охватывает начальные стадии и составляет основу 
научно-исследовательских работ (рис. 1.1).

Жизненный цикл

НИР
Разработка
технического
задания
Проектирование
Опытный 
образец
Серийное 
производство
Эксплуатация

ОКР

Предварительное
Эскизное
Техническое
Рабочее

рис. 1.1. Жизненный цикл технического объекта

Проектирование включает две основные стадии [108]: 
1) внешнее проектирование (макропроектирование) — выяснение целей проектирования, исследование внешней среды, уточнение круга решаемых задач, формирование требований к объекту 
проектирования и разработка технического задания (ТЗ);
2) внутреннее проектирование (микропроектирование) — определение внутренней структуры объекта проектирования, выбор технического решения (ТР), разработка проектно-конструкторской 
документации. Внутреннее проектирование вместе с изготовлением 
опытного образца называют опытно-конструкторскими работами. 

Начальные стадии проектирования (разработка предварительного и эскизного ТЗ) выделяют в особую фазу концептуального, 
или исследовательского, проектирования, отличительной чертой 
которого являются творческие задачи и процедуры принятия решений в условиях неопределенности. Составную часть проектирования, связанную с конструктивным воплощением ТР, называют 
конструированием. Основными стадиями конструирования являются поиск вариантов ТР, их сравнение и выбор наилучшего.
В. Гаспарский выделяет прагматическую и апранматическую 
методологии проектирования [112]. Прагматической методологией 
проектирования называется научная дисциплина, занимающаяся 
методами, процедурами и технологиями проектно-творческой деятельности. Предметом апрагматической методологии проектирования является объект проектирования. В области исследования 
объектов проектирования накоплены и систематизированы обширные знания и разработаны множества частных методологий. 
Прагматическая методология инвариантна к объектам проектирования, она включает следующие основные задачи:
1) выбор типов действий, совершаемых во время проектирования, и их анализ;
2) обобщенное описание проектной процедуры, используемой 
в разных видах проектирования;
3) выявление целей, к достижению которых стремятся проектировщики, и установление критериев правильности действий в проектировании. Эффективность действий оценивается как степень 
достижения цели при заданных затратах.
Дж. Диксон [132] различает два рода деятельности проектировщика: изобретательство и инженерный анализ. К методам изобретательства он относит мозговой штурм, инверсию, аналогию, эмпатию, системотехническое исследование новых решений, полученных комбинаторными способами. Инженерный анализ базируется 
на применении в процессе проектирования широкого набора знаний. Дж. Диксон выделяет семь основных этапов проектирования: 
1) уяснение задачи; 2) выбор пути решения задачи; 3) формирование идеи; 4) инженерный анализ; 5) конкретизация решения; 
6) производство; 7) распределение, сбыт и использование.
П. Хилл [311] выделяет следующие этапы проектирования: 
1) определение потребности; 2) определение цели — формулировка 
в общих выражениях характеристик проектируемого объекта, которые удовлетворяют потребность; 3) научные исследования — 
сбор всей доступной информации для решения задач, конкретизирующих цель; 4) формулировка задания; 5) формирование идей; 

6) выработка концепций; 7) анализ концепций; 8) эксперимент; 
9) описание выбранного варианта проектируемого объекта; 10) производство; 11) распределение продукции; 12) потребление.
Особое значение П. Хилл придает морфологическому подходу 
к проектированию [53], позволяющему генерировать идеи на основе морфологических матриц, элементами которых являются 
альтернативные характеристики проектируемого объекта. Выбор 
наилучшего решения из совокупности вариантов основан на построении матрицы решений. Сущность метода заключается в выборе критериев для сравнения вариантов, определении их относительной значимости и оценке вариантов по каждому критерию 
по десятибалльной шкале. Наилучшим вариантом считается тот, 
который имеет максимальное значение взвешенной суммы.
А. Холл [312] выделяет шесть основных процедур проектирования:
1) уяснение задачи. На этом этапе проводится исследование потребностей и окружения, приче под окружением понимается множество внешних объектов, взаимодействующих с проектируемой 
системой. Основными факторами окружения считаются состояние 
технологии, естественное окружение, политика организации, экономические условия, человеческие факторы. Успех проектирования измеряется близостью соответствия объекта проектирования 
факторам окружения;
2) выбор целей. Цели определяются в системе ценностей, специфичной для каждого объекта проектирования. Общими для 
большинства систем являются прибыль, конкурентоспособность, 
стоимость, качество, технические характеристики, совместимость 
с существующими системами, стойкость к моральному старению, 
безопасность, время на разработку, простота и изящество;
3) cинтез систем. Для синтеза систем предлагаетcя использовать 
мобилизацию идей и функциональное проектирование;
4) анализ систем. Он состоит в выявлении всех возможных 
следствий для каждого варианта проектируемой системы;
5) выбор наилучших альтернатив;
6) планирование действий.

1.1.1. классические методологии проектирования
Методы системного проектирования, называемые сегодня классическими, были разработаны в Европе, в основном в Германии. 
Системные исследования методологии проектирования начались 
с работ Ф. Ханзена, Г. Паля и В. Бейтца, Р. Колера, В. Роденаккера, 
К. Рота, В. Хубки, П. Хилла, Дж. К. Джонса и др. Ассоциация не