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.