Prototyp

Prototypowe oznakowanie na Boise Greenbelt , badanie pod kątem rdzy , trwałości farby , trwałości itp.

Znak wyjaśniający oznakowanie prototypu

Prototyp to wczesna próbka, model lub wersja produktu zbudowana w celu przetestowania koncepcji lub procesu . Jest to termin używany w różnych kontekstach, w tym w semantyce , projektowaniu , elektronice i programowaniu . Prototyp jest zwykle używany do oceny nowego projektu w celu zwiększenia precyzji przez analityków systemu i użytkowników. Prototypowanie służy zapewnieniu specyfikacji rzeczywistego, działającego systemu, a nie teoretycznego. W niektórych modelach przepływu pracy w projektowaniu utworzenie prototypu (proces nazywany czasami materializacją ) jest krokiem pomiędzy formalizacja i ocena pomysłu.

Prototyp może również oznaczać typowy przykład czegoś, na przykład w przypadku użycia wyprowadzenia „ prototypowy ”. Jest to termin przydatny w identyfikowaniu obiektów, zachowań i koncepcji, które są uważane za przyjętą normę i jest analogiczny do terminów takich jak stereotypy i archetypy .

Słowo prototyp pochodzi od greckiego πρωτότυπον prototypon , „forma pierwotna”, neutralnego od πρωτότυπος prototypos , „oryginalny, prymitywny”, od πρῶτος protos , „pierwszy” i τύπος typos , „wrażenie” (pierwotnie w sensie śladu pozostawionego przez uderzenie, potem stempel wykrojony matrycą (zwróć uwagę na „maszyna do pisania”); przez dopuszczenie blizny lub znaku; przez analogię kształt, tj. posąg, (w przenośni) styl lub podobieństwo; model do naśladownictwa lub przykład ilustracyjny – uwaga "typowy").

Typy

Prototypy badają różne aspekty zamierzonego projektu:

proof -of-principle służy weryfikacji niektórych kluczowych aspektów funkcjonalnych zamierzonego projektu, ale zwykle nie posiada wszystkich funkcjonalności produktu końcowego.
Działający prototyp reprezentuje całą lub prawie całą funkcjonalność produktu końcowego.
Wizualny prototyp reprezentuje rozmiar i wygląd, ale nie funkcjonalność zamierzonego projektu. Prototyp badania formy to wstępny typ prototypu wizualnego, w którym uwydatnione są cechy geometryczne projektu, z mniejszą uwagą na kolor, fakturę lub inne aspekty końcowego wyglądu.
Prototyp doświadczenia użytkownika przedstawia na tyle wygląd i funkcję produktu, że można go wykorzystać do badań z użytkownikami .
Funkcjonalny prototyp oddaje zarówno funkcję, jak i wygląd zamierzonego projektu, chociaż może zostać stworzony przy użyciu innych technik, a nawet innej skali niż projekt ostateczny.
Prototyp papierowy to wydrukowana lub ręcznie narysowana reprezentacja interfejsu użytkownika oprogramowania. Takie prototypy są powszechnie używane do wczesnego testowania projektu oprogramowania i mogą stanowić część przeglądu oprogramowania w celu potwierdzenia decyzji projektowych przed podjęciem bardziej kosztownych wysiłków projektowych.

Różnice w tworzeniu prototypu a produktu końcowego

Ogólnie rzecz biorąc, tworzenie prototypów będzie się różnić od tworzenia produktu końcowego pod kilkoma zasadniczymi względami:

Materiał : materiały użyte w produkcie końcowym mogą być drogie lub trudne w produkcji, dlatego prototypy mogą być wykonane z innych materiałów niż produkt końcowy. W niektórych przypadkach ostateczne materiały produkcyjne mogą nadal znajdować się w fazie rozwoju i nie być jeszcze dostępne do wykorzystania w prototypie.
Proces : Procesy produkcji masowej często nie nadają się do wytwarzania małej liczby części, dlatego prototypy można wytwarzać przy użyciu innych procesów produkcyjnych niż produkt końcowy. Na przykład produkt końcowy, który zostanie wytworzony metodą formowania wtryskowego tworzyw sztucznych, będzie wymagał drogich, niestandardowych narzędzi, dlatego prototyp tego produktu można zamiast tego wytworzyć poprzez obróbkę skrawaniem lub stereolitografię. Różnice w procesie produkcyjnym mogą prowadzić do różnic w wyglądzie prototypu w porównaniu z produktem końcowym.
Weryfikacja : Produkt końcowy może zostać poddany szeregowi testów zapewnienia jakości w celu sprawdzenia zgodności z rysunkami lub specyfikacjami. Testy te mogą obejmować niestandardowe urządzenia kontrolne, metody pobierania próbek statystycznych i inne techniki odpowiednie dla ciągłej produkcji dużej ilości produktu końcowego. Prototypy są zazwyczaj tworzone po znacznie dokładniejszej indywidualnej kontroli i założeniu, że pewne korekty lub przeróbki będą częścią procesu produkcyjnego. Prototypy mogą być również zwolnione z niektórych wymagań, które będą miały zastosowanie do produktu końcowego.

Inżynierowie i specjaliści od prototypów starają się minimalizować wpływ tych różnic na zamierzoną rolę prototypu. Na przykład, jeśli prototyp wizualny nie jest w stanie wykorzystać tych samych materiałów, co produkt końcowy, spróbuje zastąpić materiały właściwościami ściśle symulującymi zamierzone materiały końcowe.

Charakterystyka i ograniczenia prototypów

Prototyp polskiego ekonomicznego hatchbacka Beskid 106 zaprojektowanego w latach 80- tych

Inżynierowie i specjaliści zajmujący się prototypowaniem starają się zrozumieć ograniczenia prototypów, aby dokładnie symulować cechy zamierzonego projektu.

Należy pamiętać, że prototypy ze swej natury stanowią pewien kompromis w stosunku do ostatecznego projektu produkcyjnego. Wynika to nie tylko z umiejętności i wyborów projektanta(-ów), ale także z nieuniknionych, nieodłącznych ograniczeń prototypu wynikających z „relacji mapa-terytorium ”. Tak jak mapa jest zredukowaną abstrakcją przedstawiającą znacznie bardziej szczegółowe rzeczywiste terytorium lub „menu przedstawia posiłek”, ale nie jest w stanie uchwycić wszystkich szczegółów faktycznie dostarczonego jedzenia: prototyp jest z konieczności niedokładnym i ograniczonym przybliżeniem „prawdziwego” finału produkt.

Co więcej, prototypowcy dokonują zarówno świadomych, jak i niezamierzonych wyborów oraz kompromisów z różnych powodów, od oszczędności kosztów i czasu po aspekty, które uważają za „ważne” i „trywialne”, na których należy skupić uwagę projektu i wykonanie. Ze względu na różnice w materiałach, procesach i wierności projektu możliwe jest, że prototyp nie będzie działał w zadowalający sposób, mimo że projekt produkcyjny mógł być solidny. I odwrotnie, co jest nieco sprzeczne z intuicją: prototypy mogą faktycznie działać w zadowalającym stopniu, ale projekt i wyniki produkcji mogą okazać się nieskuteczne, ponieważ materiały i procesy prototypowania mogą w rzeczywistości przewyższać ich odpowiedniki produkcyjne.

Ogólnie można się spodziewać, że koszty poszczególnych prototypów będą znacznie wyższe niż ostateczne koszty produkcji ze względu na nieefektywność materiałów i procesów. Prototypy służą również do zmiany projektu w celu obniżenia kosztów poprzez optymalizację i udoskonalenie.

Możliwe jest wykorzystanie testów prototypów w celu zmniejszenia ryzyka, że projekt może nie działać zgodnie z zamierzeniami, jednak prototypy generalnie nie są w stanie wyeliminować całego ryzyka. Istnieją pragmatyczne i praktyczne ograniczenia możliwości dopasowania prototypu do zamierzonej wydajności końcowej produktu, a przed przystąpieniem do projektowania produkcyjnego często wymagane są pewne poprawki i ocena inżynierska.

Tworzenie pełnego projektu jest często kosztowne i może być czasochłonne, zwłaszcza gdy jest powtarzane kilka razy — zbudowanie pełnego projektu, ustalenie, jakie są problemy i sposoby ich rozwiązania, a następnie zbudowanie kolejnego pełnego projektu. Alternatywnie, w przypadku początkowych prototypów stosuje się techniki szybkiego prototypowania lub szybkiego tworzenia aplikacji , które wdrażają część, ale nie całość, całego projektu. Umożliwia to projektantom i producentom szybkie i niedrogie przetestowanie części projektu, w których najprawdopodobniej występują problemy, rozwiązanie tych problemów, a następnie zbudowanie pełnego projektu.

Tę sprzeczną z intuicją koncepcję – że najszybszym sposobem zbudowania czegoś jest najpierw zbudowanie czegoś innego – podzielają rusztowania i zasada teleskopu Thomsona.

Nauki inżynieryjne

W badaniach technologicznych demonstrator technologii to prototyp służący jako dowód koncepcji i model demonstracyjny nowej technologii lub przyszłego produktu, potwierdzający jego wykonalność i ilustrujący możliwe zastosowania.

W dużych projektach rozwojowych stanowisko testowe to platforma i środowisko programistyczne prototypów służące do rygorystycznych eksperymentów i testowania nowych technologii, komponentów, teorii naukowych i narzędzi obliczeniowych.

Wraz z ostatnimi postępami w modelowaniu komputerowym praktyczne staje się wyeliminowanie tworzenia fizycznego prototypu (z wyjątkiem znacznie zmniejszonych skali do celów promocyjnych), zamiast tego modelowanie wszystkich aspektów produktu końcowego jako modelu komputerowego . Przykład takiego rozwoju można zobaczyć w Boeingu 787 Dreamliner , w którym na seryjnej linii produkcyjnej powstaje pierwsza pełnowymiarowa fizyczna realizacja. Modelowanie komputerowe jest obecnie szeroko stosowane w projektowaniu samochodów, zarówno pod względem formy (w stylizacji i aerodynamice pojazdu), jak i funkcjonalności – szczególnie w celu ulepszenia pojazdu odporność na zderzenia i redukcję masy w celu poprawy przebiegu.

Inżynieria mechaniczna i elektryczna

Najczęstszym użyciem słowa prototyp jest funkcjonalna, choć eksperymentalna wersja maszyny niemilitarnej (np. samochodów, sprzętu AGD, elektroniki użytkowej), której projektanci chcieliby zbudować metodą produkcji masowej, a nie makietą , który jest bezwładnym przedstawieniem wyglądu maszyny, często wykonanym z jakiejś nietrwałej substancji.

Projektant elektroniki często buduje pierwszy prototyp z płyty prototypowej , stripboardu lub perfboardu , zazwyczaj przy użyciu pakietów „DIP”.

Jednak coraz częściej pierwszy funkcjonalny prototyp budowany jest na „prototypowej płytce drukowanej ” niemal identycznej z produkcyjną płytką drukowaną, ponieważ ceny produkcji płytek PCB spadają, a wiele komponentów nie jest dostępnych w pakietach DIP , a jedynie w pakietach SMT zoptymalizowanych pod kątem umieszczenia na PCB.

Konstruktorzy maszyn wojskowych i lotnictwa preferują określenia „eksperymentalny” i „test serwisowy”.

Elektronika

Prosty prototyp obwodu elektronicznego na płytce prototypowej

Przykład prototypu w optoelektronice ( Texas Instruments , DLP Cinema Prototype System)

W elektronice prototypowanie oznacza budowanie rzeczywistego obwodu na podstawie projektu teoretycznego w celu sprawdzenia , czy działa, i zapewnienia fizycznej platformy do debugowania go, jeśli tak nie jest. Prototyp jest często konstruowany przy użyciu technik takich jak owijanie drutem lub przy użyciu płyty prototypowej , listwowej lub perforowanej , w wyniku czego powstaje obwód, który jest elektrycznie identyczny z projektem, ale nie jest fizycznie identyczny z produktem końcowym.

narzędzia typu open source, takie jak Fritzing , które służą do dokumentowania prototypów elektronicznych (zwłaszcza tych opartych na płytkach prototypowych) i przechodzenia do produkcji fizycznej. Platformy prototypowe takie jak Arduino upraszczają także zadanie programowania i interakcji z mikrokontrolerem . Twórca może zdecydować się na wdrożenie swojego wynalazku w niezmienionej postaci, korzystając z platformy prototypowej, lub zastąpić go jedynie chipem mikrokontrolera i obwodami odpowiednimi dla jego produktu.

Technik może szybko zbudować prototyp (oraz wprowadzić uzupełnienia i modyfikacje) przy użyciu tych technik, ale w przypadku produkcji seryjnej znacznie szybsza i zwykle tańsza jest masowa produkcja niestandardowych płytek drukowanych niż produkcja innych rodzajów płytek prototypowych . Rozwój firm zajmujących się szybką produkcją i montażem płytek PCB umożliwił zastosowanie koncepcji szybkiego prototypowania w projektowaniu obwodów elektronicznych. Obecnie możliwe jest wyprodukowanie, zmontowanie, a nawet przetestowanie płyt w ciągu kilku dni, nawet przy najmniejszych elementach pasywnych i największych pakietach o drobnej podziałce.

Programowanie komputerowe i informatyka

Oprogramowanie prototypowe jest często określane jako wersja alfa , co oznacza, że jest to pierwsza uruchomiona wersja. Często implementowanych jest tylko kilka funkcji, a głównym celem wersji alfa jest posiadanie funkcjonalnego kodu bazowego, do którego można dodawać funkcje. Kiedy oprogramowanie w wersji alfa ma już zintegrowaną większość wymaganych funkcji, staje się oprogramowaniem w wersji beta do testowania całego oprogramowania i dostosowywania programu tak, aby poprawnie reagował w sytuacjach nieprzewidzianych podczas tworzenia oprogramowania.

Często użytkownicy końcowi mogą nie być w stanie zapewnić pełnego zestawu celów aplikacji, szczegółowych wymagań wejściowych, przetwarzania lub wyników na początkowym etapie. Po ocenie użytkowników, w oparciu o opinie użytkowników, zostanie zbudowany kolejny prototyp i ponownie cykl powróci do oceny klienta. Cykl rozpoczyna się od wysłuchania użytkownika, następnie zbudowania lub poprawienia makiety, umożliwienia użytkownikowi przetestowania makiety , a następnie z powrotem. Obecnie dostępna jest nowa generacja narzędzi o nazwie Application Simulation Software , które pomagają szybko symulować aplikacje przed ich opracowaniem.

Programowanie ekstremalne wykorzystuje projektowanie iteracyjne , aby stopniowo dodawać jedną funkcję do początkowego prototypu.

Inne koncepcje programowania/informatyki

W wielu językach programowania prototyp funkcji jest deklaracją podprogramu lub funkcji (i nie należy go mylić z prototypowaniem oprogramowania) . Termin ten jest raczej specyficzny dla C / C++ ; inne terminy określające to pojęcie to podpis , typ i interfejs . W programowaniu opartym na prototypach (forma programowania obiektowego ) nowe obiekty są tworzone poprzez klonowanie istniejących obiektów, które nazywane są prototypami.

Termin ten może również odnosić się do prototypowego środowiska JavaScript .

Dodatkowo termin ten może odnosić się do wzorca projektowego prototypu .

Podejścia do ciągłego uczenia się w organizacjach lub przedsiębiorstwach mogą również wykorzystywać koncepcję prototypów biznesowych lub procesów za pośrednictwem modeli oprogramowania.

Pojęcie prototypowości służy do opisania, jak bardzo strona internetowa odbiega od oczekiwanej normy i prowadzi do obniżenia preferencji użytkownika co do wyglądu tej witryny.

Prototypowanie danych

Prototyp danych to forma funkcjonalnego lub działającego prototypu. Uzasadnieniem jego powstania jest zazwyczaj migracji danych , integracji danych lub wdrożenia aplikacji, a surowce użyte jako dane wejściowe stanowią instancję wszystkich istotnych danych, które istniały na początku projektu.

Celem prototypowania danych jest uzyskanie:

Zestaw zasad czyszczenia i przekształcania danych, które, jak zaobserwowano, pozwalają uzyskać dane, które odpowiadają zamierzonemu celowi.
Zbiór danych będący wynikiem zastosowania tych reguł do instancji odpowiednich surowych (źródłowych) danych.

Aby to osiągnąć, architekt danych wykorzystuje interfejs graficzny do interaktywnego opracowywania i wykonywania reguł transformacji i czyszczenia przy użyciu surowych danych. Uzyskane dane są następnie oceniane i udoskonalane reguły. Oprócz oczywistego wizualnego sprawdzenia danych na ekranie przez architekta danych, typowe podejścia do oceny i walidacji polegają na użyciu oprogramowania do profilowania danych , a następnie wstawieniu uzyskanych danych do wersji testowej docelowej aplikacji i przetestowaniu jej użycia.

Prototypowanie interakcji człowiek-komputer

Podczas opracowywania oprogramowania lub narzędzi cyfrowych, z którymi współpracuje człowiek, prototyp jest artefaktem, który służy do zadawania pytań projektowych i udzielania na nie odpowiedzi. Prototypy umożliwiają badanie problemów projektowych i ocenę rozwiązań.

Praktycy HCI mogą stosować kilka różnych typów prototypów:

Prototyp „Czarnoksiężnika z krainy Oz”: nazwany na cześć Czarnoksiężnika z krainy Oz z filmu Czarnoksiężnik z krainy Oz . Jest to metoda prototypowania, w ramach której interakcja po stronie komputera jest fałszowana przez osobę spoza firmy lub ukrytego człowieka. Ta technika prototypowania jest szczególnie przydatna do demonstrowania funkcjonalności, które są trudne lub długotrwałe w projektowaniu, takich jak aplikacje takie jak głosowy interfejs użytkownika .
rola prototypu : ten prototyp może nie być zaprojektowany lub wyglądać jak gotowy produkt, ale celem tego typu prototypu jest zbadanie i ocena potrzeb użytkownika lub tego, co prototyp może zrobić dla użytkownika. Mogą prezentować cechy i funkcjonalność, z których użytkownik może skorzystać, aby pokazać, jaką rolę artefakt taki jak prototyp może dla użytkownika spełniać. Znanym przykładem tego rodzaju prototypu byłby klocek drewna noszony przez Jeffa Hawkinsa podczas opracowywania Palm Pilot .
prototyp papierowy : w tym prototypie można wykorzystać cięty papier, karton lub inne niedrogie materiały, aby zademonstrować interfejs. Celem tego prototypu jest przetestowanie z użytkownikami, bez konieczności korzystania z narzędzia cyfrowego lub tworzenia programu do testowania funkcjonalności. Ostatnio prototypowanie papierowe wypadło z łask w niektórych kręgach projektowych, szczególnie ze względu na niską dokładność tej metody i brak skuteczności podczas testów z użytkownikami.

Modelowanie w skali

Makieta niszczyciela Douglas SB2D w tunelu aerodynamicznym do testów

W dziedzinie modelowania w skali (która obejmuje modele kolejowe , modelowanie pojazdów, modelowanie samolotów , modelowanie wojskowe itp.) prototyp jest rzeczywistą podstawą lub źródłem modelu w skali — takiego jak prawdziwa lokomotywa EMD GP38-2 — który jest prototypem Athearna model lokomotywy (wśród innych producentów). Z technicznego punktu widzenia prototypem modelu może służyć dowolny obiekt nieożywiony, włączając w to konstrukcje, wyposażenie i urządzenia itd., ale ogólnie prototypy oznaczają pełnowymiarowe pojazdy ze świata rzeczywistego, w tym samochody (prototyp Chevy z 1957 r. zrodziło wiele modeli), sprzęt wojskowy (taki jak M4 Shermans, ulubiony wśród modelarzy armii amerykańskiej), sprzęt kolejowy, ciężarówki, motocykle i statki kosmiczne (ze świata rzeczywistego, takie jak Apollo/Saturn V lub ISS). Od 2014 r. podstawowe maszyny do szybkiego prototypowania (takie jak drukarki 3D ) kosztują około 2000 dolarów, ale większe i bardziej precyzyjne maszyny mogą kosztować nawet 500 000 dolarów.

Architektura

W architekturze prototypowanie odnosi się do tworzenia modeli architektonicznych (jako formy modelowania w skali ) lub jako część eksperymentów estetycznych lub materiałowych , jak na przykład centrum prototypowania materiałów typu open source Forty Wall House w Australii.

Architekci tworzą prototypy, aby testować pomysły pod względem konstrukcyjnym, estetycznym i technicznym. To, czy prototyp działa, czy nie, nie jest głównym celem: prototypowanie architektoniczne to proces odkrywczy, dzięki któremu architekt zyskuje wgląd.

Metrologia

W nauce i praktyce metrologii prototyp to obiekt stworzony przez człowieka, który służy jako standard pomiaru pewnej wielkości fizycznej , na którym opierają się wszystkie pomiary tej wielkości fizycznej. Czasami ten standardowy obiekt nazywany jest artefaktem . W Międzynarodowym Układzie Jednostek Miar ( SI ) od 20 maja 2019 r. nie ma standardu prototypu . Przed tą datą ostatnim używanym prototypem był międzynarodowy prototyp kilograma , czyli bryły platynowo-irydowy przechowywany w Bureau International des Poids et Mesures (Międzynarodowe Biuro Miar i Wag) w Sèvres we Francji (na przedmieściach Paryża ), który z definicji odpowiadał masie dokładnie jednego kilograma . Kopie tego prototypu są produkowane i wydawane wielu krajom, aby reprezentowały krajowy standard kilograma i są okresowo porównywane z prototypem paryskim. Teraz kilogram został ponownie zdefiniowany w taki sposób, że stałej Plancka $h$ przypisano wartość dokładnie 6,626 070 15 × 10 ^–34 dżul-sekunda (J⋅s)

Do 1960 r. miernik był definiowany jako prototypowy pręt platynowo-irydowy z dwoma znakami (z definicji oddalonymi od siebie o jeden metr), co stanowiło międzynarodowy prototyp licznika , a w 1983 r. miernik został na nowo zdefiniowany jako odległość w wolnej przestrzeni pokonana przez światło w czasie 1/299 792 458 sekundy ( w ten sposób określając prędkość światła na 299 792 458 metrów na sekundę).

Nauki przyrodnicze

W wielu naukach, od patologii po taksonomię, prototyp odnosi się do choroby, gatunku itp., co stanowi dobry przykład dla całej kategorii. W biologii prototyp jest przodkową lub prymitywną formą gatunku lub innej grupy; archetyp. Na przykład bichir senegalski jest uważany za prototyp swojego rodzaju Polypterus .

Zobacz też