Доклад А.Левенчука "Будущее проектирования" на 105 заседании Русского отделения INCOSE, 14 октября 2015г.

1. Будущее проектирования
Москва
14 октября 2015г.

2. Будущее проектирования
Сегодня октябрь 2015г.
В октябре 2000г. доклад был бы совсем другой
В октябре 2020г. доклад будет совсем другой
Будущее даётся через метафору тумана (Geoffrey Hinton):
полностью прозрачен на 5 лет, полностью непрозрачен дальше.
Содержание:
1. Экстремальное проектирование
2. Автоматическое проектирование
3. Мультиагентское проектирование
2

3. Уровни обобщения и формализации: методология
мышления/дисциплин/предметов
(обеспечение мультидисциплинарности/мультипарадигмальности)
3
• Философские логики – знаковые системы и их связь с окружающим миром,
предельные онтологи
• Рефлексирующие модельеры данных – MOF, ISO 15926 Part 2 (Upper ontology,
foundational ontology). Компьютерщики: преобразования одних выражений
мысли в другие (теоркатегорное представление, не теория множеств –
операции главные, вычисление). Поддержка системного подхода
• Модельеры данных/intermediate ontology – одна логика, помогают выразить
мысль непротиворечиво (теоретико-множественное представление –
объекты главные).
• Ситуационные инженеры методов, кейс менеджмент, BPM, проектные
управленцы, оргдизайнеры – мысли о деятельности (практиках).
• Рефлексирующие инженеры/микротеоретики=онтики – мысли о своей
дисциплине (объекты-предметы: системная инженерия, программная
инженерия, инженерия предприятия, инженерия психика)
• Профессионалы-инженеры – мысли о своих конкретных Мирах: целевых
объектах (софтинках, самолётиках) и обеспечивающих объектах (то бишь
субъектах), их жизненных циклах.

4. Практика проектирования
• Проектирование это практика (деятельность)
создания проекта
• Практика = дисциплина + технология
(образованные организованные люди и их
материалы и инструменты)
• Люди: проектанты (было: проектировщики) и
конструкторы
• Инструменты: САПР, PLM
• Материалы: знания
4

5. Онтика проектирования – «что это?»
• Проект = design + project
• Проектирование = дизайнирование + планирование проекта
• Design = architecture + non-architectural part of design («рабочка»)
• Project = кто что с чем когда делает: организация работ и связанные с ней
планы
• Серая зона: целеполагание проектирования (концептуальное
проектирование, инженерия требований), исследования (research,
feasibility studies), обратное проектирование (reverse engineering),
brownfield проектирование (при модернизациях)
• Альтернативная практика: SoS -- curated evolution (управляемая эволюция,
СМД-программирование)
• Смежные практики: изготовление/сооружение/производство, испытания,
эксплуатация
Итого:
• Проектирование системы в полноте её ЖЦ (product в 4d)
• Проектирование системы деятельности (project в 4d – организация и
планы)
• Тренд: обратный закон Конвея (продукт сначала, организация потом!) 5

6. Проектирование проектирования проектирования
• Проектирование – разработка систем-
индивидов (и их обеспечивающих систем)
• Проектирование проектирования = создание
методологии проектирования (включая
разработку САПР)
• Проектирование методологии проектирования
(изменение методологической парадигмы:
переход с онтологической инженерии
методологии на онтологическое обучение, в
том числе обучение без учителя)
6

7. Организация работ проектирования
• Командная работа, множество подспециальностей
кроме проектантов/конструкторов (модельеры,
технологи)
• Параллельная инженерия (concurrent engineering)
• Но: уменьшение роли прототипирования («с
первого раза воплощение правильно» – первый
самолёт уже летает)
7

8. 1. Экстремальное
проектирование
Если проектирование хорошо, то отдайте
проектированию всё!
[Шовинизм проектирования]
8

9. Экстремальная сложность
INCOSE VISION 2025 (июнь 2014)
http://www.incose.org/AboutSE/sevision
Выход за пределы сложности для
классического
проектирования/конструирования:
• Эволюция в системах систем
• Общественные дисциплины
(сдвиг на оргсистемы)
• Мегаломания (появилась Земля
как объект контроля-
проектирования)
9

10. Экстремальная междисциплинарность
(на одном уровне, даже без метасистемных переходов)
На основе
рис.3
в ISO 81346-1
-Модули
=Компоненты
+Места
Все специальности
• Механика
• Кинематика
• Электрика
• Электроника
• Управляющий софт
• Гидравлика
• Прочность
• Динамика
• Температура
• Вибрация
• …
Все стадии ЖЦ
• Замысел
• Проектирование,
конструирование
• Сооружение,
изготовление
• Эксплуатация
• Модернизация
PLM/ALM, ERP, EAM
• Модель продукта
• Модель проекта
10

11. Пример: различные САПР и PLM от Autodesk

12. Экстремальные проекты:
Раньше не проектировали: биомы, молекулы, пламя…
Project Cyborg
BiomeView
http://autodeskresearch.com/projects/biomeview
http://autodeskresearch.com/projects/cyborg
4D Printing
https://beta.autodesk.com/callout/?callid=918F56ECC9684EC284991E1E1EBDA49F
http://autodeskresearch.com/projects/4dprinting
https://beta.autodesk.com/callout/?callid={F7CDE1B9-0552-4659-AFCE-5C128F0A2AA9}
https://beta.autodesk.com/callout/?callid={2B4850B9-1044-4B41-8B15-920D8FA3A2DC}
Многомасштабность, метасистемные переходы
12

13. Многомасштабность проектирования
• Холархичность
(системные уровни)
• Множественность:
• длин,
• времён,
• парадигм
13

14. Языки проектирования
• Моделериентированное проектирование
• Формальный машиннообрабатываемый язык
• Основной рабочий продукт – модель
• Основное действие – порождение (generate)
• Естественные против формальных языков
• Общие против предметно-ориентированных языков (DSL)
• Встроенные (в один язык) и автономные DSL
• Проектирование, моделирование, программирование,
онтологизирование, имитационное моделирование – это одно.
• Противопоставляем обучению (там фичи, тут семиотика – синтаксис,
семантика, прагматика). Обучение тоже доступно из языка!
• Языки для проектирования-в-малом и проектирования-в-большом
• Попытки создания специализированных языков проектирования:
• Языки требований (логические)
• Архитектурные языки
• Встроенные в САПР языки
• Modelica
• Julia
14

15. Эстетика и художественность (модели стилей)
Learning Visual Clothing
Style with Heterogeneous
Dyadic Co-occurrences
(http://arxiv.org/abs/1509.07473)
15
A Neural Algorithm of
Artistic Style
(http://arxiv.org/abs/1508.06576)

16. Многомасштабность*за пределами жизненного цикла
<<< Замысел Архитектура «Рабочка» Изготовление Эксплуатация>>>
Using
system
IT-1 IT-2 IT-3 IT-4 IT-5
Макро IT1 IT2 IT3 IT4 IT5
Мезо IT6 IT7 IT8 IT9 IT10
Микро IT11 IT12 IT13 IT14 IT15
Нано IT16 IT17 IT18 IT19 IT20
Специализация/профессионализация: фирма в каждой клетке, плюс экспансия на соседей
Интеграция в продукте: вся таблица (эко-система!)
CAD/CAM/codes/PLM/CAE/ERP/EAM/… будут интегрированы!
уровни структуры вещества * уровни воплощения
16

17. Перепроектирование использующей системы.
Учёт стратегирования.
• Раньше: проектирование только целевой системы,
сегодня обязательно учитывать изменение
использующей системы и даже изменение
стейкхолдеров (тренд инженерии требований,
тренд автоматизации деятельности)
• Поддержка не только проектирования (инженерии),
но обратного проектирования (reverse engineering) –
учёт в инженерии требований
• Активная позиция команды проектантов по
отношению к стейкхолдерам (не просто
«принимают заказ»)
• Две целезадающих системы для проекта:
• Использующая система и её стейкхолдеры (заказчик)
• Обеспечивающая система и её стейкхолдеры (владельцы
фирмы проектантов) – учёт стратегирования.
17

18. Экстремальное начало ЖЦ проекта:
исследования как часть проектирования
• Отрицательный результат в исследованиях – это не результат, если
есть проектирование. Исследования и изобретательство различны.
• Наука-техника Латура: исследования и изобретательство едины.
• Лаборатории условного Эйнштейна, условного Эдисона.
• R&D management – относительно новая дисциплина, но мы-то не про
менеджмент! Дисциплины R&D инженерии пока нет.
• Крупные корпорации, государство (институты развития), стартап-
движение, предпринимательские университеты.
• Пример: акселераторы и лаборатории при акселераторах (Y
Combinator, http://ailev.livejournal.com/1220274.html), фонды для
инфраструктурных проектов «низко по стеку» (NumFocus и Julia)
18
Basic Research Applied Research Concept Design Engineering
http://www.3ds.com/products-services/biovia/
global, collaborative product lifecycle
experiences to transform scientific innovation

19. Model-based conceptual design
Выход за пределы:
• Явное упоминание стратегии (ISO 15288:2015 – 6.4.1 Business of mission
analysis process)
• Пересечение с системной инженерией (требования и архитектура)
• Пересечение с классическим предметным проектированием
19
Steven J.Saunders, INCOSE INSIGHT volume 17 issue 4

20. Cистемная инженерия в проектировании:
требования, архитектура, испытания в CAD/CAM/CAE
Объединение инструментария:
• В САПР будут редактироваться:
• Требования к системе (текстовые, модель)
• Требования стейкхолдера
• Потребности стейкхолдера (GORE – целеполагание)
• В САПР будет редактироваться архитектура:
• Архитектурные модели на архитектурных языках
• В САПР будут редактироваться испытания:
• Программы и результаты испытаний (и генерация тестов)
• Инженерные обоснования
Перенос внимания в проектировании с рабочего на системное
(логически начальные и конечные стадии жизненного цикла проекта)
20

21. Когда проекта ещё нет, но вот-вот будет:
Моделеориентированное концептуальное проектирование
Автоматизация захвата куска реальности в модель
Поддержка скетча (постепенная детализация, уход от точности в самом начале)
21
Autodesk InfraWorks 360

22. Экстремальный конец жизненного цикла:
не заканчивающееся проектирование
• Переход от проектирования к изготовлению –
«важное пиарное событие в авиастроеннии», но
уже не гейт.
• В программном обеспечении проектирование
вечно, уже (Windows 10 это последняя версия,
дальше будут только обновления)
• Resilience: выживающие системы, которые
функционируют в непредусмотренных при их
проектировании условиях после
самоперестройки (цикл «проектирование-
изготовление» входит в их состав)
22

23. Resilience (выживающие)
киберфизические системы
• 3D- модель
• Электрика
• Электроника
• Софт
• …
САПР внутри
целевой системы:
Project Dasher
У проектантов
«Обычный BIM»
http://www.autodeskresearch.com/projects/dasher
Эволюция,
IoT
Перестройка здания по ходу его эксплуатации
23

24. 2. Автоматическое
проектирование
Если автоматизация хороша, то исключить
человека вовсе!
[Мизантропия проектирования]
24

25. САПР сегодня = Система Автоматизации ПРоверок
Редактор
(пишет человек)
Автоматизация проверок
Редактор
(3D-чертит человек)
Автоматизация проверок
MS Word Autodesk Fusion 360
25

26. САПР завтра = Система Автоматизации
Проектирования
Generative design for additive manufacturin
Autodesk Within
http://www.autodesk.com/products/within/overvie
w
• Минимум материала
• Максимум прочности
26

27. Искусственный интеллект: «то, что
компьютеры пока не умеют делать»
Граница быстро движется: шахматы,
вождение автомобиля, распознавание речи и
т.д.
Смена парадигмы:
Обучение (learning) проектированию,
конструированию, моделированию
вместо/вместе программирования (GOFAI)
Эпистемология (неявное знание и методы
обучения) вместо/вместе онтологии (явного
сконструированного знания)
Машинное обучение бывает
(с выходом на master algorithm):
• Символьное (правила)
• Коннекционистское
(нейронные сети) – сегодня в
моде («глубокое обучение»)!
• Байесовское (вероятности)
• Эволюционное (генетические алгоритмы)
• Поиском аналогий 27

28. Почему только сейчас?!
Оборудование: enabling technology
Интернет (1990 – первый
браузер WWW)
• Линии связи позволили передавать
картинки на дом (т.е. стало можно
использовать WWW)
• Дисплеи смогли картинки показать
• Процессоры смогли картинки обработать
250Kb веб-страница
• 56Kbps – 36 секунд
• 1Mbps – 2 секунды
• 100Mbps – 0.2 секунды
Нейронные сетки (2012 – первая
победа на соревнованиях)
• Процессоры сумели выдать
терафлопс, нужный для
научения сетки за обозримое
время
• Связь и память смогли дать
терабайты данных для научения
• 1TFLOP -- 200млн. человек по 14 вычислений на
калькуляторе в день каждый, за год
• GTX Titan X – 7TFLOPS (single preсision)
• Intel Knights Landing Xeon Phi – 6TFLOPS
(http://www.zdnet.com/article/intels-next-big-thing-knights-landing/,
http://arxiv.org/abs/1506.09067)
• FPGA: эксперименты до 10TFLOPS и до 6x
меньше TFLOPS/Watt
28
http://www.theguardian.com/technology/2011/jul/06/broadband-speeds-uk

29. Модульные платформы интеллект-стека
Интеллект-стек
1. Прикладной уровень
2. Когнитивная архитектура
3. Обучающиеся
алгоритмы
4. Вычислительные библиотеки
5. Вычислительные языки программирования
6. Аппаратное ускорение вычислений
29
http://www.life-prog.ru/1_41934_protokoli-TCPIP-i-model-OSI.html
http://www.w3.org/2001/12/semweb-fin/w3csw
http://ailev.livejournal.com/1210678.html
Интернет-стек
Стек семантического веба

30. Дилемма инноватора: мужики-то не знают!
(Clayton Christensen из Гарварда)
Х
а
р
а
к
т
е
р
и
с
т
и
к
и
Время
Характеристики
лучших продуктов
На рынке
Характеристики
худших продуктов
на рынке
http://web.mit.edu/6.933/www/Fall2000/teradyne/clay.html
30
• Инновации обеспечиваются на неприкладных уровнях технологического
стека (проектирование – алгоритмы обучения
• Обучение компьютеров сегодня даёт любительские результаты во всём,
кроме задач распознавания изображений, звука, сигналов, вторжений и т.д..
• Через 5 лет эти любительские результаты окажутся профессиональными,
если не сверхчеловеческими. Всё происходит быстро.

31. Порождающее проектирование и производство
Generative design, generative manufacturing
Project Dreamcatcher
• Знания по проектированию (онтология проектирования): результат
обучения софта
• Задание намерения и ограничений: на естественном языке
• Диалог (цикл)
• Порождает форму (generate) самостоятельно, но это не самое интересное
• Корпусная инженерия (как «корпусная лингвистика») – где брать
огромные данные?
http://autodeskresearch.com/projects/dreamcatcher
31

32. Аватаризация инженерного софта
• Обучение САПР вместо/вместе программирования/настройки
• Естественный язык вместо/вместе компьютерного
• Диалог компьютера с человеком по уточнению намерений и ограничений
• Совместное порождение идей вместо/вместе оформления идей человека
• Комфортный диалог: имя и образ (аватар), распознавание и учёт эмоций
Фирма Имя умного помощника
Google Google
Apple Siri
Microsoft Cortana
Facebook M
Amazon Alexa
Autodesk ???????????
32

33. 3. Мультиагентское
проектирование
Если проектировать хорошо коллективно,
давайте максимизируем число вовлечённых
людей и компьютеров.
[Промискуитет проектирования]
33

34. Коллаборация: «как в GoogleDocs» - уже!
(в Autodesk 360 с сентября 2015)
«Облачные»
САПР и PLM: уже
4К экраны: уже.
Виртуальная
реальность: уже.
http://forums.autodesk.com/t5/design-differently/september-update-preview/ba-p/5811642
34

35. Киборги-2, мультиагентные системы
• Агент – сущность, способная к действию
(https://en.wikipedia.org/wiki/Agency_(philosophy))
• Пока разделение «человек или компьютер» важно:
• Мультиагентские системы
• Экономика, социология, правоведение психология, и т.д.
• Завтра эти дисциплины начнут смешиваться
• Киборг-1 = кибернетический организм
• Киборг-2 = кибернетическая организация
• Киборгизируются и
• отдельные люди (экзокортекс и персональные агенты), и
• Команды, коллективы (корпоративные информационные
системы как агенты), и
• общество в целом (агенты социальных сетей).
• Команда, коллектив, общество = мультиагентная
система из людей и достаточно умных компьютеров
35

36. Коллаборативное проектирование
• Дисинтермедиация проектирования, создание команд «вне фирм»:
• не требуется фирма для гладкого включения в команду людей (Uber для
поиска коллаборантов, включая по-разному обученных компьютерных
интеллектуальных агентов от разных поставщиков)
• Низкий барьер входа (облачные ресурсы и подписки, доступны даже
индивидам, а не только фирме)
• Совместная работа с аваторизованными инженерными
компьютерными помощниками (на естественном языке, с
распознаванием жестов, они всех будут различать по голосу и
помнить по именам!)
• Импорт знаний по потребности, «как в Гугле» (комплектующие,
каталоги, нормы, идеи, архитектурные библиотеки) – всемирный
поиск, в том числе в структурированных данных.
• «Интеллектуальную собственность» на знания проектирования
речка истории будет потихоньку смывать (open source, open science,
open design движения).
36

37. Конструирование и проектирование
Конструирование:
• Органические формы, 3D-печать
Проектирование:
• Продвинутая модульность – накопление знаний
(тотальная стандартизация – open architecture,
акаузальные языки, контракты модулей, решения
expression problem в программировании)
• Автоматическая сборка (изготовление из модулей)
• Сначала виртуальная (моделирование)
• Потом реальная
37

38. Итого: будущее проектирования
1. Экстремальное проектирование
• Мультимасштабность
• Междисциплинарность
• Перед традиционным ЖЦ
• После традиционного ЖЦ
• Новые типы целевых систем
• Обратное проектирование
• Перепроектирование using system
2. Автоматическое проектирование
• Порождение
• Обучение
• Аватаризация
3. Мультиагентское проектирование
• Киборги-2 (агенты: люди и машины)
• Дисинтермедиация проектантов
• Открытое проектирование
• Продвинутая модульность (накопление знаний)
38

39. 39
Спасибо за внимание
Анатолий Левенчук,
http://ailev.ru
ailev@asmp.msk.su
TechInvestLab