История развития системотехники

Системотехника – научное направление, охватывающее проектирование, создание, испытание и эксплуатацию сложных систем.

Автором термина системотехника по одним сведениям является выдающийся советский ученый Федор Евгеньевич Темников (профессор Московского энергетического института), один из основателей советской информационной техники, предложивший этот термин в 1962 году при переводе известной монографии Г. Х. Гуда и Р. Э. Макола «System Ingeneering» («Системотехника. Введение в проектирование больших систем»). По другим сведениям, этот термин впервые ввел в употребление Поваров Гелий Николаевич – русский математик, философ и историк науки, профессор кафедры кибернетики МИФИ.

Возникновение системотехники связано с совершенствованием методов управления. Оно было обусловлено, во-первых, необходимостью управления научными и инженерными разработками и, во-вторых, потребностью создания на их основе сложных систем автоматического управления и автоматизированных систем управления.

Для инженера всякий объект, по отношению к которому надо решить техническую задачу, с одной стороны, выступает как явление природы, подчиняющееся естественным законам, описанным в науке, а с другой – как орудие, механизм, машина, сооружение, которые необходимо построить искусственным путем. Поэтому инженер опирается и на существующую технику, где он заимствует знания о материалах, конструкциях, их технических свойствах, способах изготовления и т.д. Однако, обращаясь к истории, если первоначально инженерная деятельность была ориентирована на прямое использование естественнонаучных знаний и в её осуществлении принимали участие многие ученые – естествоиспытатели, то начиная с конца XVIII в. положение меняется.

Во-первых, происходит декомпозиция научной деятельности. Помимо ученых-теоретиков и ученых экспериментаторов, появляются специалисты в области технических наук и прикладных исследований, задача которых – обслуживание инженерной деятельности. Об этом свидетельствует, в частности, большой интерес к техническим проблемам академий наук на первых порах их возникновения (XVII – XVIII в.в.), значительно уменьшившийся к концу XVIII в., что было связано с совершенствованием организации науки. Ввиду увеличения фронта исследований академии сконцентрировали свое внимание на решении фундаментальных научных проблем. Возникли новые формы организации научной деятельности в области техники – технические науки. Их появление было обусловлено прежде всего необходимостью специального обучения инженеров и возникновением высших технических школ.

Во-вторых, происходит дифференциация самой инженерной деятельности, в которой обособляются сначала изобретение и конструирование, а затем и инженерное проектирования. В сферу инженерной деятельности попадает также организация производства и даже операторская деятельность. Другими словами, если до начала XX столетия в области науки и техники одновременно работало сравнительно небольшое число специалистов, то в конце XIX – начале XX в. усложнение и развитие сферы производства привели к расслоению и обслуживающей его инженерной деятельности. Конструирование, проектирование, изобретение, организация производства, испытание, отладка и другие ее виды стали осуществляться различными специалистами. Появились и новые отрасли производства. Глубокая дифференциация инженерной деятельности, в свою очередь, вызвала к жизни противоположный ей процесс – интеграцию этой деятельности. В середине XX в. уже ставится проблема объединения различных специалистов в один коллектив, решающий общую инженерную задачу.

Одной из первых областей, в которой проявились эти процессы, была радиоэлектроника. В период после Второй мировой войны ее связь со сложными отраслями техники стала более тесной. В создание радиоаппаратуры включились, кроме специалистов по радиоэлектронике, металлурги, химики, математике, физике. В то же время происходили процессы дальнейшего отделения инженерных работ от вспомогательных, проектировщиков от конструкторов и специалистов по технологии и производству радиоаппаратуры, а также развития инженерных исследований в более тесной кооперации с учеными различных специальностей, занимающимися фундаментальными исследованиями. Для управления такими коллективами нужны были новые методы инженерного руководства и особые специалисты, осуществляющие это руководство.

Первые шаги в системотехнике были сделаны в 30-х годах прошлого века. В США они были связаны с деятельностью корпорации «Bell telephone laboratories». В нашей стране это направление развивалось в исследованиях по комплексной автоматизации производства. Этот период относится к предыстории системотехники.

До 50-х годов она развивается прежде всего как сфера инженерной деятельности. В результате ее появляются первые крупные системотехнические проекты. Формируются особые группы, в задачу которых входит организация разработки этих проектов.

Начиная с 50-х годов происходит становление системотехники как области науки в результате работ специалистов по кибернетике и информатике Месаровича, Таха, Эшби и др. Позднее эти работы были развиты в трудах Н. М. Амосова, Д. А. Поспелова, Н. П. Бусленко, А. А. Вавилова и др. В нашей стране и за рубежом (прежде всего в США) ведутся целенаправленная подготовка инженеров-системотехников в вузах и интенсивные научно-технические исследования в этой области. В 1969 году в Московском энергетическом институте д-р техн. наук, профессором Ф. Е. Темниковым была организована первая в нашей стране кафедра системотехники. Проблемы системного анализа и системотехники заняли значительное место в ведущих научных журналах: «Техническая кибернетика», «Автоматика и телемеханика», «Управляющие системы и машины» и др. С середины 60-х годов проводятся регулярные встречи специалистов на специальных конференциях и симпозиумах по проблемам системотехники.

Таким образом, необходимость в системотехнике впервые появилась тогда, когда выяснилось, что отдельные, даже хорошо работающие компоненты не обязательно составляют удовлетворительно функционирующую систему. В сложной системе часто оказывается, что если даже отдельные компоненты удовлетворяют всем необходимым требованиям, система как целое не будет работать.

В целом можно отметить несколько объективных причин становления системотехники:

- одним из ценнейших качеств человека является его способность в процессе познания выделять наиболее существенное, что необходимо для глубокого абстрактного понимания объекта познания;

- в конце 40-х и начале 50-х годов прошлого века интенсивно развивается кибернетика, создаются ЭВМ, что сильно интенсифицировало процесс изучения и создания сложных систем;

- возникла необходимость управления научными и инженерными разработками;

- увеличение мощности отдельных агрегатов и размера крупных программ ведет нередко к весьма ощутимым экономическим потерям из-за возможных ошибок, так как часто отсутствует методика проектирования новых сложных систем;

- создание значительных по задачам автоматизированных систем управления потребовало формализованных знаний об управляемых объектах (процессах).

- экологические проблемы;

На современном этапе развития в системотехнике используется самый широкий спектр научных и технических знаний: от прикладных специализированных дисциплин до социальных наук. Этим системотехника отличается от традиционной инженерной деятельности, которая ориентировалась, как правило, на какую-либо одну «базовую» техническую науку.

На сегодняшний день системотехника является частью общей теории систем (рис. 1.1):

 

Рис. 1.1. Классификация систем

 

Цель системотехники – повышение эффективности инженерного труда, за счёт использования системных методов исследования и конструирования.

Основные задачи системотехники:

- подготовка информации для принятия руководством научно обоснованных решений по управлению процессом создания сложной системы;

- формулировка общей программы разработок как основы для взаимной увязки проектов отдельных подсистем;

- стыковка проектных задач и координация специалистов, решающих эти задачи, интеграция частей системы в единое целое;

- обеспечение в процессе разработки сложной системы наилучшего использования ресурсов при одновременном достижении проектных целей наиболее эффективным способом;

- согласование планов частных проектов с общими направлениями работы, выявление существующих и прогнозирование будущих потребностей;

- внедрение в практику проектирования научных и инженерных достижений.

1.1.2. Понятия и определения системотехники

Система– комплекс взаимосвязанных элементов, объединенных общей целью функционирования и имеющих связь с внешней системой (суперсистемой). Элементсистемы может быть представлен и как объект и как процесс. Классификация процессов может быть представлена в следующем виде (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Классификация процессов

 

Связи между элементами в наиболее общей классификации делятся на три группы:

- вещественные (от чисто силовых – кинематических до преобразований свойств или формы деталей);

- энергетические (электрические, магнитные, гидравлические и пр.);

- информационные (прямые, обратные, положительные, отрицательные).

Цель системы – это то, ради чего создается и эксплуатируется система. Отношение цель-средство отражает процесс синтеза, при котором, исходя из поставленной цепи, можно найти средства для ее воплощения.

Большая часть систем является многоцелевыми. Например, целями производственной системы является выпуск продукции: 1) определенной номенклатуры; 2) объема выпуска; 3) качества; 4) с определенными затратами; 5) в планируемый срок.

Достижения всех целей одновременно неосуществимо, т. к. выполнение, например, указанных целей требует привлечения различных средств и, как правило, разных критериев. Поэтому в системотехнике используют понятие дерева целей, т. е. выделяется главная цель, а остальные переводятся в разряд подцелей (рис. 1.3).

 

Рис. 1.3. Дерево целей

 

Структура системыопределяется элементами и связями. Таким образом, структура определяет каркас или основу системы. Изменения структуры, как по набору элементов, так и по связям может значительно изменить общие свойства системы. Поэтому различают проектирование или исследование систем в двух аспектах – структурном и параметрическом. Структурное проектирование наиболее сложное, т. к. менее формализовано, имеет большую ответственность и трудно прогнозируемый конечный результат.

Организацияотличается от структуры добавлением цели функционирования (создания) системы.

Таким образом, имеется определенная иерархия понятий (рис. 1.4).

 

Рис. 1.4. Взаимосвязь понятий

 

Организация отличается от структуры наличием цели, а система от организации – связями с внешней системой (суперсистемой).

Эмерджентность – одно из самых важных, сложных и трудно наблюдаемых системных свойств. Определяется тем, что свойства системы не являются суммой свойств отдельных её составляющих. Примером является надежность производственной системы, состоящей, из m однородных станков (рис. 1.5).

 

Рис. 1.5. Зависимость вероятности безотказной работы
производственной системы от числа станков

 

При превышении m = 3 надежность этой системы резко растет, т. к. система, включающая 4 и более станков, легче справляется с возникающими отклонениями, например, аварией оборудования.

Хорошей иллюстрацией свойства эмерджентности является пример, предложенный М. Арбибом. Пусть имеется некоторый цифровой автомат S, увеличивающий на 1 любое целое число, поступающее на его вход. При последовательном соединении двух автоматов в цепочку это свойство не изменяется. Если же соединить два таких автомата последовательно в кольцо, то в полученном агрегате обнаружится новое свойство: он генерирует возрастающие последовательности на выходах А и В, причем одна последовательность состоит из четных, а другая – из нечетных чисел. Другим ярким подтверждением свойства эмерджентности может служить пример из материаловедения. Известно, что тип кристаллической решетки (способ соединения атомов) определяет твердость материала. При этом твердость получаемого агрегата, состоящего из одинаковых элементов, может различаться в десятки раз (графит и алмаз).

Структурность (целостность и делимость системы)– одно из главных свойств, часто используемое в проектировании систем. Заключается в том, чтобы разделить систему на набор связанных более простых, удобных для анализа и проектирования частей (подсистем, блоков, задач). Деление (декомпозицию) в общем случае выполняют по вертикали (многоуровневые, иерархические системы) и горизонтали (рис. 1.6).

 

Рис. 1.6. Пример декомпозиции системы

 

В современных методиках типичной является декомпозиция системы на глубину 5 – 6 уровней. На каждом уровне обычно выделяют не более 5 – 10 частей, т.к. большее количество трудно воспринимается человеком одновременно.

Жизненный цикл системы включает ряд этапов (рис. 1.7):

 

Рис. 1.7. Жизненный цикл системы

 

Критерии– используются как при разработке системы, так и в процессе эксплуатации. Как правило, применяются следующие критерии:

1) максимальная прибыль;

2) минимальная себестоимость;

3) максимальная производительность;

4) минимальные приведенные затраты.

Наиболее часто используют первый и четвертый критерии. Важно учитывать, что достижение экстремального значения более чем одного критерия невозможно. Поэтому обычно один из критериев является главным, а остальные переводятся в разряд ограничений.

Классификация систем

По отношению к окружающей среде системы подразделяются на:

- открытые (есть обмен ресурсами с окружающей средой);

- закрытые (нет обмена ресурсами с окружающей средой).

По происхождению системы (элементов, связей, подсистем):

- искусственные (орудия, механизмы, машины, автоматы и т. д.);

- естественные (живые, неживые, социальные и т. д.);

- виртуальные (воображаемые и, хотя реально не существующие, но функционирующие так же, как и в случае, если бы они существовали);

- смешанные (экономические, организационные и т.д.).

По описанию переменных системы:

- с качественными переменными (имеющие лишь содержательное описание);

- с количественными переменными (имеющие дискретно или непрерывно описываемые количественным образом переменные);

- смешанного (количественно-качественного) описания.

По типу описания законов функционирования системы:

- типа "черный ящик" (неизвестен полностью закон функционирования системы; известны только входные и выходные сообщения);

- не параметризованные (закон не описан; описываем с помощью хотя бы неизвестных параметров; известны лишь некоторые априорные свойства закона);

- параметризованные (закон известен с точностью до параметров и его возможно отнести к некоторому классу зависимостей);

- типа «белый (прозрачный) ящик» (полностью известен закон).

По способу управления системой (в системе):

- управляемые извне системы (без обратной связи, регулируемые, управляемые структурно, информационно или функционально);

- управляемые изнутри (самоуправляемые или саморегулируемые – программно управляемые, регулируемые автоматически; адаптируемые – приспосабливаемые с помощью управляемых изменений состояний; самоорганизующиеся – изменяющие свою структуру наиболее оптимально);

- с комбинированным управлением (автоматические, полуавтоматические, автоматизированные, организационные).

Система называется большой, если её исследование или моделирование затруднено из-за большой размерности, т. е. множество состояний системы S имеет большую размерность. Большая система сводится к системе меньшей размерности использованием более мощных вычислительных средств (или ресурсов) либо разбиением задачи на ряд задач меньшей размерности (если это возможно).

Система называется сложной, если в ней не хватает ресурсов (главным образом, информационных) для эффективного описания (состояний, законов функционирования) и управления системой – определения, описания управляющих параметров или для принятия решений. В таких системах всегда должна быть подсистема принятия решения.

В сложных системах результат функционирования не может быть задан заранее, даже с некоторой вероятностной оценкой адекватности. Причины такой неопределенности – как внешние, так и внутренние, как в структуре, так и в описании функционирования, эволюции. Сложность этих систем обусловлена их сложным поведением. Сложность системы зависит от принятого уровня описания или изучения системы – макроскопического или микроскопического. Сложность системы может определяться не только большим количеством подсистем и сложной структурой, но и сложностью поведения.

Сложность системы может быть внешней и внутренней.

Внутренняя сложность определяется сложностью множества внутренних состояний, потенциально оцениваемых по проявлениям системы и сложности управления в системе.

Внешняя сложность определяется сложностью взаимоотношений с окружающей средой, сложностью управления системой, потенциально оцениваемых по обратным связям системы и среды.

Сложные системы бывают разных типов сложности:

- структурной или организационной (не хватает ресурсов для построения, описания, управления структурой);

- динамической или временной (не хватает ресурсов для описания динамики поведения системы и управления ее траекторией);

- информационной или информационно-логической, инфологической (не хватает ресурсов для информационного, информационно-логического описания системы);

- вычислительной или реализации, исследования (не хватает ресурсов для эффективного прогноза, расчетов параметров системы, или их проведение затруднено из-за нехватки ресурсов);

- алгоритмической или конструктивной (не хватает ресурсов для описания алгоритма функционирования или управления системой, для функционального описания системы);

- развития или эволюции, самоорганизации (не хватает ресурсов для устойчивого развития, самоорганизации).

Чем сложнее рассматриваемая система, тем более разнообразные и более сложные внутренние информационные процессы приходится актуализировать для того, чтобы была достигнута цель системы, т.е. система функционировала или развивалась.