Сложная техническая система — объект исследования и проектирования

Лекция №4

ОСНОВЫ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Система и внешняя среда

В настоящее время в науке, технике и других областях человеческой деятельности понятие системы используется очень широко. Несмотря на это, не удается выработать более или менее общеприемлемого определения понятия «система». Ни одно из фи­лософских определений, например, «система есть отграниченное множество взаимодействующих элементов» не может удовлетво­рить каждую область науки. В конкретных исследованиях и разра­ботках систем правомерно и даже необходимо оперировать поняти­ями, более точно отражающими исследуемую область реальности. Поэтому и литературе можно найти несколько десятков определений понятия «система».

В соответствии со сказанным приведем понятие «система», спе­циализированное для технических объектов и фиксирующее те свой­ства системы, которые обычно исследуются при решении техниче­ских задач.

Система — это отграниченный в окружающей ее внешней среде и взаимодействующий с ней объект, который обладает следующими взаимосвязанными свойствами:

1. Имеет цель (назначение), для достижения которой он функ­ционирует;

2. Состоит из взаимосвязанных составных частей-компонентов, образующих многоуровневую (иерархическую) структуру и выпол­няющих определенные функции, направленные на достижение цели объекта;

3. Имеет управление, благодаря которому все компоненты функ­ционируют согласованно и целенаправленно;

4. Имеет в своем составе или во внешней среде источники энер­гии и материалов для функционирования;

5. Обладает интегративными свойствами, не сводимыми к сумме свойств его компонентов.

Рассмотрим выделенные в определении термины и свойства сис­темы.

В реальном мире все взаимосвязано и поэтому выделение не­которой части объективно существующей реальности в самостоятельный объект является условным, относительным. Как определить границу «система — не система (внешняя среда)»? С одной стороны, граница определяется объективно существующей относительной са­мостоятельностью объекта и внутренней взаимосвязанностью его частей. Однако это объективно существующее разграничение сис­темы и среды является нечетким, размытым. С другой стороны, гра­ница определяется целью исследователя, его пониманием реально­сти, исследовательскими возможностями. Это разграничение явля­ется уже четким, но

условным и представляет собой методический прием, обусловленный субъективным мнением исследователя.

Таким образом, отграничение системы означает выделение неко­торого объекта А и условное разграничение тем самым (всей объек­тивно существующей реальности на систему А и внешнюю среду.

Система, выделенная из окружающей ее внешней среды, являет­ся обособленной лишь условно, так как всегда имеет место взаимо­действие системы с внешней средой. Отличительной особенностью любого исследования системы является полная бессмысленность этого исследования без надлежащего учета взаимодействия системы с внешней средой. Так, например, при изучении полета крылатого ЛА в атмосфере Земли внешней средой для ЛА являются воздуш­ная среда и гравитационное поле Земли. Они вызывают соответст­венно силы, действующие на ЛА: аэродинамическую силу и силу земного притяжения, без учета которых исследование полета будет

•бессмысленным.

Итак, любая система является частью некоторой более обшир­ной системы. Приступая к исследованию или проектированию систе­мы, прежде всего необходимо выделить систему из окружающих ее систем, другими словами, определить систему, установив ее состав и границы. Если исследуемая или проектируемая система непра­вильно выделена из внешней среды, то может оказаться, что при ис­следовании будут сделаны неправильные выводы, а при проекти­ровании будут приняты нерациональные, а в некоторых случаях и

ошибочные решения.

Цель системы

Выделение системы из внешней среды является одним из элементов процесса постановки задачи.Здесь же ограничимся замечанием, что в основу выделения системы из внешней среды должен быть положен целевой подход. Другими словами, при выделении из внешней среды некоторой совокупности взаимосвязанных частей в качестве обособленной сис­темы следует руководствоваться целью функционирования системы.

Характерным свойством любой системы, созданной или созда­ваемой человеком, является наличие у системы цели функциониро­вания, для достижения которой все компоненты системы работают согласованно и целенаправленно. Под целью системы понимается желаемый результат функционирования системы, т. с. ее назначе­ние, определенное человеком. Так, например, целью космической системы наблюдения за Землей может являться периодическое на­блюдение природных ресурсов в заданном регионе земной поверх­ности.

В случае процесса проектирования системы цель процесса вклю­чает в себя как составную часть цель системы, например: разработ­ка проекта космической системы связи внутри отдельного региона поверхности Земли (разрядкой выделена цель системы). Таким образом, исследователям и проектировщикам сис­тем приходится встречаться с двумя типами целей. К первому типу относятся цели систем, целями второго типа являются цели проек­тирования, решения проблем и задач.

Структура системы

Система состоит из составных частей — компонентов. Вы­деление тех или иных компонентов в системе определяется двумя соображениями: с одной стороны, объективно

существующими свой­ствами системы, с другой — целями и позицией исследователя, его представлением о системе и исследовательскими возможностями.

Компоненты системы могут быть двух типов — подсистемы и эле­менты системы, элементы — это минимальные для данной задачи части, выполняющие в ней определенные функции. В условиях рас­сматриваемой задачи они дальнейшему членению не подлежат. Под­системы же расчленяются дальше на свои компоненты: подсистемы более низкого ранга и элементы. Выделение подсистем как само­стоятельных компонентов является методическим приемом, удоб­ным для данного исследования. В результате использования этого приема устанавливается иерархия компонентов системы.

При этом каждая подсистема может рассматриваться как систе­ма более низкого уровня, а сама исследуемая система может вхо­дить составной частью (компонентом) в некоторую систему более (высокого уровня (надсистему), находящуюся во внешней среде по отношению к исследуемой системе.

Совокупность составляющих систему компонентов в их взаимо­связи друг с другом представляет собой структуру системы, т. е. строение и внутреннюю форму организации системы. Структурные связи— связи между компонентами системы — являются устойчи­выми, благодаря им система сохраняет свои свойства при изменении внешних и внутренних условий.

Реальные связи между компонентами системы обычно являются очень сложными и притом различной природы; физические, хими­ческие, информационные, организационные

и прочие. В самом общем виде можно выделить два основных типа структурных связей; «подчинения-подчиненности» и «согласования».

Связь подчинения-подчиненности предполагает, что одни из двух взаимосвязанных компонентов является определяющим в их совме­стном функционировании. Связь согласования предполагает, что ро­ли обоих взаимосвязанных компонентов в их совместном функцио­нировании равноценны.

Связи между компонентами определяют иерархическую структу­ру системы — размещение компонентов системы по иерархическим уровням. Два компонента, связанных подчинением-подчиненностью, размещаются на соседних уровнях иерархии. Компоненты на одном уровне иерархии могут иметь связь согласования.

Если компонент В входит в состав компонента Л, то В подчи­няется Л, Если компоненты В и С входят в состав компонента Л, то между В и С может быть связь согласования.

Между компонентами системы и компонентами внешней среды также имеются связи — коммуникативные связи. Аналогично струк­турным связям они могут быть двух типов: подчинения-подчинен­ности и согласования. Так, например, ЗУР — компонент системы ПВО — взаимодействует с такими компонентами внешней среды,, как атмосфера и самолет противника.

Каждый компонент в составе системы выполняет определенные функции. Они определяются, с одной стороны, собственными свой­ствами компонента, а с другой, его структурными и коммуникатив­ными связями. Между функциями компонентов также имеются свя­зи подчинения и согласования, в результате чего можно предста­вить иерархическую структуру функций компонентов. На верхнем уровне этой иерархической структуры находится цель системы, на достижение которой направлены все функции компонентов системы. В связи с этим функции компонентов можно трактовать как цели функционирования компонентов,

Итак, иерархической структуре компонентов системы соответст­вует иерархическая структура их целей функционирования: цели всех компонентов подчинены целям компонентов более высокого? уровня.

 Управление и информационное обеспечение

Согласованное взаимодействие всех компонентов системы друг с другом и процессе достижения системой возложенной на нее цели (в процессе функционирования системы) обеспечивается путем управления системой. Наличие управления является неотъемлемым свойством любой системы.

Для управления системой необходим специальный механизм уп­равления компонентами. В системах, создаваемых человеком (тех­нических, экономических, организационных и прочих) —это система управления, которую образуют специализированные компоненты системы.

Система управления является подсистемой в данной системе и может иметь иерархическую структуру. В системе управления дол­жен быть некоторый компонент, который вырабатывает и принимает решение по управлению. В иерархической структуре подсистемы уп­равления он находится на самом верхнем уровне, и его можно на­звать центральным органом управления.

Для управления системой необходима информация о состоянии внешней среды и компонентов системы, о выполнении компонента­ми своих функций. Для этого необходимы специальные датчики (чувствительные элементы), воспринимающие информацию, переда­ча информации по информационным каналам и, если управление осуществляется человеком, отображение информации. Все это можно назвать информационным обеспечением системы. Например, в ЛА информационное обеспечение может реализовываться специ­альными датчиками, размещенными в компонентах ЛА,

датчиками системы управления полетом (акселерометрами, гироскопами и др.) и т. д. Информация эта по специальным каналам поступает в бор­товую цифровую вычислительную машину (БЦВМ) или отобража­ется па приборных щитах для информирования пилота. Централь­ным органом управления является при этом БЦВМ или пилот.

Для выработки управляющего воздействия — управления (сиг­нала, команды, решения)—необходимо, чтобы в центральном орга­не управления происходило сравнение информации о состоянии внешней среды и компонентов системы с требуемым или желаемым состоянием системы во внешней среде (определение рассогласова­ния) и вырабатывалось управление (по принципу обратной связи) по приведению системы в требуемое состояние.

Целостность системы

Целостность системы означает, что из ее свойств принци­пиально невозможно вывести сумму свойств составляющих ее ком­понентов и, обратно, из свойств компонентов невозможно вывести свойства целого, т. е. системы. Про это говорят, что система обла­дает интегративными свойствами.

Так, например, компоненты ЛА создают силу тяги (двигательная установка), подъемную силу при движении Л А относительно воздуха (крыло), отклоняют органы управления (система управ­ления) и пр. При совместном согласованном функционировании всех компонентов ЛА возникает новый эффект — управляемый полет ЛА, который не присущ ни одному компоненту ЛА в отдельности.

Сложная техническая система

Создаваемые человеком предметы (машины, транспортные средства, летательные аппараты и т. д.) можно рассматривать как технические системы, полностью удовлетворяющие приведен­ному определению, если они обладают автоматическим управле­нием. В тех случаях, когда центральным органом управления явля­ется человек, говорят о человеко-машинных системах, которые вклю­чают в свой состав наряду с

техническими компонентами человека-оператора. Примером может служить система «самолет — летчик».

Среди всевозможных технических систем можно выделить класс сложных (или больших) технических систем.

Существует много различных определений сложной системы. Некоторые из них основываются на сложности описания и исследо­вания такой системы, т. е. обусловлены позицией исследователя. Более целесообразно при определении понятия сложной системы опираться на ее объективные свойства.

Под сложной технической системой будем понимать систему, которая представляет собой совокупность технических систем, вы­ступающих по отношению к внешней среде и другим системам как единое" целое для достижения общей для них цели. Одним из приме­ров сложной технической системы является космическая система наблюдения за Землей.

Будем рассматривать сложные техниче­ские системы, использующие ЛА в качестве носителей устройств, предназначенных для выполнения целевых задач системы. Такие системы находят широкое применение в интересах народного хозяй­ства и обороны страны (для научных исследований, контроля окру­жающей среды, изучения природных ресурсов, метеорологических наблюдений, связи, навигации и т. д.)

Для сложных систем, включающих ЛА, характерно наличие в их составе новейших технических средств (радиоэлектронных уст­ройств, автоматизированных систем управления с ЭВМ и др.), ис­пользование новейших материалов и технологических процессов применение новейших методов анализа и синтеза систем с широким использованием ЭВМ и систем автоматизированного проектирова­ния, а также системная организация процессов управления создани­ем и развитием систем.

В дальнейшем для сложной технической системы, которая рас­сматривается как объект исследования, будем использовать сокра­щение «СТС». Во всех других случаях будем писать «сложная тех­ническая система» или просто «система».

Аспекты исследования

СТС на практике исследуется большим количеством спе­циалистов различного профиля. Поэтому в дальнейшем под ис­следователем будем понимать как одно лицо, так и коллектив специалистов, решающих общую задачу.

Даже большой коллектив специалистов не в состоянии охватить исследованием сразу всю совокупность свойств СТС. В связи с этим различают аспекты (точки зрения) исследования. Исследование от­дельных свойств (или группы взаимосвязанных свойств) определя­ет аспект исследования СТС. Так, например, космическую систему наблюдения (КСН) можно изучать как техническую систему, т. е. как отграниченную совокупность взаимодействующих технических средств. Соответствующий аспект изучения можно назвать техниче­ским. КСН можно изучать так же, как организационную систему, объединяющую различные подразделения, в которых работают лю­ди, обеспечивающие функционирование системы, например, в цент­ральном пункте управления КА, командно-измерительных пунктах, пунктах приема специальной информации и т. д. Этот аспект изу­чения будет организационным. КСН можно представить и как эко­номическую систему, рассмотрев расходы на создание и эксплуата­цию системы и доходы от использования полученной от КСН ин­формации. Это будет экономический аспект изучения.

Анализ и синтез систем

Термины анализ и синтез в приложении к СТС имеют не­сколько значений.

Как известно, метод научного исследования подразделяется на анализ и синтез. Под анализом понимается метод исследования пу­тем логического (мысленного) разложения целого (системы, проб­лемы, процесса) на составные части и изучения отдельных сторон и свойств целого и его составных частей. Как видно, основным прин­ципом, принимаемым при проведении анализа, является разделение сложной проблемы на частные задачи, которые легче поддаются ре­шению, а также расчленение СТС или процесса ее функционирова­ния на компоненты.

Синтез — это метод исследования системы (или процесса) путем воссоединения целого из частей, обобщение и сведение в единое це­лое данных, добытых анализом. По словам Энгельса: «Мышле­ние состоит столько же в разложении предметов сознания на их элементы, сколько в объединении связанных друг с другом элемен­тов в единство. Без анализа нет синтеза» *.

Другое значение рассматриваемых терминов связано с двумя противоположными задачами исследований СТС.

Задача анализа состоит в определении свойств СТС по ее струк­туре и значениям параметров; задача синтеза — в определении структуры и значений параметров СТС по заданным свойствам.

Анализ СТС осуществляется с помощью расчетов для серии ва­риантов структуры и параметров СТС — вариантных расчетов. Прямой (непосредственный) синтез СТС является проблемой чрезвы­чайной сложности. На практике задача синтеза СТС обычно реша­ется путем изучения и обобщения данных, добытых анализом. (Вспомним слова Энгельса: «Без анализа нет синтеза»). Оценив ре­зультаты вариантных расчетов с

помощью критериев принятия ре­комендаций, выбирают предпочтительный вариант структуры и па­раметров СТС.

В последние годы благодаря развитию математических методов оптимизации и средств вычислительной техники стало возможным решать некоторые частные задачи синтеза СТС — синтеза парамет­ров СТС при заданной ее структуре, путем оптимизации парамет­ров, не прибегая к вариантным расчетам.

Будем называть синтезом сложной технической системы иссле­дование, имеющее результатом рекомендации, необходимые для принятия решений по выбору структуры и параметров СТС.

 

 4.4. Системный подход

Системный подход — это методология науки на уровне общенаучных принципов и форм исследования, применяемых в са­мых различных отраслях науки. Он основывается на диалектико-материалистических принципах системности и познания.

В основе системного подхода лежит стремление изучить объект (систему, проблему, явление, процесс) как нечто целостное и орга­низованное, во всей его полноте и во всем многообразии связей в объекте. Этот общий принцип ориентирует исследователя на рас­смотрение объектов как систем.

На уровне конкретной научной методологии принципы систем­ного подхода, применяемые при исследовании и разработке СТС, формулируются более конкретно. Так, например, согласно систем­ному подходу каждый компонент СТС должен разрабатываться так, чтобы для СТС в целом обеспечить достижение поставленной перед нею цели и при этом с требуемой эффективностью. Чтобы лучше вонять сущность этого принципа, укажем его альтернативу: несис­темный подход — это стремление разрабатывать элементы СТС как самостоятельные и не связанные между собой.

Принцип системного подхода можно развить далее, если при­нять во внимание, кроме системности объекта исследования, еще и системность мышления 

Системный подход пред­полагает, что основные элементы, исследования: цели компонентов СТС, показатели эффективности и стоимости, модели и результаты исследований формируются как иерархические системы, соответст­вующие иерархической структуре СТС.

При рассмотрении основных этапов исследования системы по существу изложены принципы системного подхода к исследованию СТС: процедура и ключевые задачи исследования.

Организация исследования как системы начинается с выявления и четкого формулирования его конечных целей. Кроме конечных целей, существуют цели промежуточные. Принцип системного под­хода в этом случае состоит в том, чтобы промежуточные цели были подчинены конечным целям. Поэтому системный подход иногда на­зывают целевым подходом. Причина многих ошибочных решений — ориентация на промежуточные цели, т. е. когда принимают реше­ния, часто забывают о конечной цели.

Лекция №4

СЛОЖНАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА — ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Под системой обычно подразумевается совокупность свя­занных друг с другом различных элементов, составляющих нечто целое. Так, например, автопилот, самолет, завод, авиационная промышленность, народное хозяйство страны — все это системы. По существу вся Вселенная состоит из множества систем, каждая из которых является частью более крупной системы. Всегда можно представить себе более обширную систему, в которую входит дан­ная, и всегда можно выделить из данной системы какую-либо ее часть, являющуюся более ограниченной системой.

Рассмотрим примеры из области авиакосмической техники. То, что летательный аппарат представляет собой систему взаи­мосвязанных частей, вполне очевидно. В иерархической лестнице систем, включающей летательный аппарат (ЛА), уровень ЛА будем рассматривать как базовый или начальный. Спускаясь вниз по лест­нице уровней, мы можем выделить в составе ЛА такие компоненты, как агрегаты и комплектующие системы (корпус, двигательная ус­тановка, система управления и т. д.), затем узлы и приборы, детали и т. д. На каждом из указанных уровней инженерами различных специальностей решаются задачи исследования, проекти­рования и изготовления соответствующих агрегатов, узлов и дета­лей.

На уровнях выше ЛА мож­но представить себе ряд более обширных систем, в которые входит ЛА. Так, например, ра­кета является составной частью ракетного комплекса, который представляет собой совокупность функционально связанных ракет и оборудова­ния, предназначенного для пус­ка ракет, управления их поле­том и выполнения других за­дач. Совокупность однотипных ракетных комплексов входит в состав системы следующего бо­лее высокого уровня иерар­хии — ракетной системы.

Приведем пример из космической техники. Несколько кос­мических аппаратов (КА), ре­шающих общую задачу, напри­мер наблюдения за поверх­ностью Земли, составляют ор­битальную группировку КА — систему КА. На основе системы КА образуется космический комп­лекс — совокупность орбитальных и наземных технических средств. Совокупность космического комплекса и наземного спе­циального комплекса (аппаратура приема, передачи и обработки информации для потребителей) составляет космическую систем. В состав космической системы могут входить несколько космиче­ских комплексов.

Можно представить космическую систему наблюдения за Землей, состоящую из космических комплексов, основанных на трех типах КА, предназначенных для наблюдения за объектами различных размеров через различные интервалы времени. Космическая система наблюдения за Землей может являться частью более обширной системы исследования природных ресурсов Земли, включающей кос­мические, авиационные, морские и наземные носители аппаратуры наблюдения.

Все приведенные совокупности разнообразных элементов (агре­гаты и комплектующие системы, ракеты и КА, ракетные и космиче­ские комплексы и системы) являются системами различных уровней)" иерархии. Однако имеется существенное различие между ЛА системой и различными системами более высоких уровней иерархии. Все части летательного аппарата благодаря механическим, физическим и информационным связям образуют единое технически! изделие. Комплексы и системы более высоких уровней иерархии, чем ЛА, приобретают функциональную целостность только благодаря информационным связям между их компонентами. Такие системы будем относить к сложным техническим системам (СТС).

 

Компоненты СТС представляют собой технические изделия различной физико-технической природы (КА; наземные радиоантенны, >ВМ, сооружения и оборудование стартового комплекса, ракета-носитель и др.)- Объединенные информационными связями в целостную совокупность (космический комплекс наблюдения), компоненты СТС функционируют согласованно, обеспечивая решение задач, ля которых предназначена система.

Исследование и проектирование компонентов СТС являются для инженеров традиционными задачами, решаемыми каждый раз на новом, 'более 'высоком уровне в соответствии с научно-техническим регрессом.

Напротив, сложные технические системы в целом представляют собой для инженеров принципиально новые объекты исследований, разработки и эксплуатации.