Тема 2. Основные определения и понятия системного анализа, классификация систем

Новочеркасск

 

Тема1. Историко-методические предпосылки возникновения системного подхода

И системного анализа

 

 

 

На протяжении всего своего существования человеческое общество формулировало общемировоззренческие вопросы, осознание которых задано потребностью самоопределения человека в окружающем мире.

В своем историческом развитии изменялись взгляды человека на окружающую действительность, менялись теории, идеи, концепции, менялись представления об окружающем мире. Изменения касались и основных методологических подходов.

Древнейшие племена строили свое мировоззрение в рамках магической парадигмы. Их взгляды складывались под непосредственным влиянием повседневных, жизненных условий существования.

Однако, именно к этому периоду – к античной науке – относят появление системного подхода к изучению окружающего нас мира.

В самом широком смысле слова под системным исследованием понимают такой метод, при котором предметы и явления рассматриваются как части или элементы единого, целостного образования. Именно так древние греки рассматривали природу и мир – как нечто единое целое, в котором предметы, явления и события связаны множеством различных отношений. В этот период дифференциации наук еще не было. Исключением была лишь математика.

С переходом к опытному изучению природы, с возникновением экспериментального естествознания, ростом объема научных знаний и их приложений к практической деятельности происходит расчленение знаний по отдельным областям природы, группам явлений, отраслям и научным дисциплинам, способам и методам их познания. Таким образом, на определенном этапе изучения природы, общества, экономики и т.д. такая дифференциация была естественным направлением развития научного знания, а следовательно и формирования мировоззренческой концепции.

Одновременно средневековье дает нам пример религиозного мышления. Формируется агрессивное религиозное мировоззрение, признающее сверхестественное мировое начало, выраженное в иррациональной и эмоционально-чувственной, образной формах. Религиозное мировоззрение присуще и другим эпохам, но в средние века оно приобретает агрессивную, воинствующую сущность. Запрещаются и отвергаются теории и гипотезы, на кострах горят книги, а иногда и их создатели.

В истории естествознания человечество проходит схоластику, формируется механистическое естествознание, зарождаются эволюционные идеи. Узкая специализация, дальнейший разрыв связей между научными дисциплинами, в том числе и в области методологии, препятствовал прогрессу, формированию новых научно-теоретических представлений о мире. Единая природа оказалась искусственно разделенной между разобщенными науками [6, 7].

Со временем такое положение становилось все более нетерпимым. К концу 19 века увеличивается число комплексных программ и проектов, усложняются технические объекты, появляются большие и супербольшие системы, что потребовало привлечения специалистов разных отраслей, обладающих знаниями не только в своей области, но и смежных областях. С помощью общих понятий и принципов начали решать проблемы, которые выдвигались перед науками, изучавшими взаимосвязанные процессы. Возникли биофизика, биохимия, геохимия, физическая химия и т.п.

Дальнейшим шагом явилось выявление общих методологических принципов, подходов, закономерностей, характерных для объектов любой природы: технических, социальных, экономических.

Таким образом, Новое время, промышленная и научно-техническая революции выдвинули на первый план научное видение мира, потребовали существенной корректировки механического мышления. Эта коррекция была не просто добавлением к старым знаниям некой суммы новых научных дисциплин, имеющих определенные приложения в технике и экономике. Эта коррекция потребовала нового мировоззрения, новой методологии. Основой такого мировоззрения и стал системный анализ [1].

«Системность, - по выражению Макса Планка, - это новое качество знаний, разорванное лишь по произволу самим человеком».

Понятие системы, ранее употреблявшееся в обыденном смысле превратилось в специальную общенаучную категорию, начали появляться обощающие научные направления, сформировался системный подход, как парадигма естествознания.

Согласно новому подходу, мир предстал в виде огромного многообразия систем самого разнообразного конкретного содержания и общности, объединенных в рамках единого целого, которое называют Вселенной [6,7]. Хотя сам системный подход и не нов, и в неявном или «слабо» явном виде существовал всегда.

На сегодняшний день системный подход является неотъемлемой частью современного научного мировоззрения, демонстрируя возможность дальнейшего расширения сферы применения научных методов в деле познания и объяснения природы и общества. Таким образом, с общефилософских позиций системный подход [9] – направление методологии научного познания и социальной практики, в основе которого лежит исследование объектов как систем.

В научной среде распространены близкие термины – системный анализ и системный подход [1]. Если первый термин еще можно трактовать как специфическую научную дисциплину, то второй понимается как подход, который может быть результативным в любой предметной области.

Системный анализ – это не только методология. Это еще и конкретные приложения к практике, а именно специфический комплекс методов и приемов проектирования, прогнозирования, принятия решений, анализа проблемных ситуаций [1].

Интерес к системным представлениям проявился и как к средству постановки задач с большой неопределенностью [2]. По мере развития науки, разработки и применения сложных технологических комплексов, усложнения производственных процессов появились задачи, которые не решаются с помощью традиционных математических методов и в которых все большее место стал занимать собственно процесс постановки задачи, возросла роль эвристических методов, усложнился эксперимент.

Таким образом, системный анализ можно охарактеризовать как обобщающую науку об общих закономерностях строения и поведения сложных систем.

Системный анализ состоит из следующих основных частей [1]:

1.Философия и методология системного анализа.

2.Собственно теория систем, описывающая основные закономерности возникновения, строения, динамики и развития сложных систем.

3.Системное математическое моделирование (в широкой трактовке этого термина).

4.Прикладной системный анализ.

Примерно в этой последовательности изложен и курс «Введение в системный анализ».

Основные задачи курса:

· ознакомить с основами теории систем и системного анализа;

· дать представление о методах теории систем и методиках системного анализа;

· ознакомить с прикладным системным анализом в областях, соответствующих направлению подготовки;

· развить стремление и навыки применения системных представлений.

 

Если рассматривать материальную историю человечества с самых общих позиций – с точки зрения взаимодействия человечества с материальным миром, то в ней можно выделить три больших периода, каждый из которых начинался с целеустремленного использования вновь осознанных форм проявления материи. Рис. 4.1.

Первый период – из глубины веков и до настоящего времени – был связан с освоением вещества, созданием материального производства, осознанием единства материального мира.

Второй период начался в 18 веке с изобретения паровой машины и был связан с освоением энергетических запасов планеты и созданием производства энергии, осознанием единства энергии и ее связи с веществом (эта связь известной формулой Е=mc²).

Третий период – период исследования информационной картины мира и создания информационной индустрии, осознания единства законов и процессов обработки информации в природе, поиска связи информации с веществом и энергией.

 

 

Рис. 4.1. – Изменение относительного внимания человека к видам материи [105]

В эволюционном ряду «вещество ® энергия ® информация» каждое последующее проявление материи отличается от предыдущего тем, что человеку все труднее выделить его, распознать и приступить к осознанному изучению и применению. Именно сложность выделения различных проявлений материи обусловила, наверное, указанную последовательность познания природы человечеством. Если это так, то не исключена возможность, что в дальнейшем будут обнаружены и станут объектами усиленного внимания другие формы проявления материи.

Всякий новый период материальной истории человечества не предает забвению те формы материи, с которыми оно имело дело перед этим: их изучение и использование продолжаются до сих пор и в дальнейшем будут продолжаться, но, в относительно меньшем масштабе. Соотношение объемов внимания, обращаемого на различные формы проявления материи в разные моменты истории человечества, условно можно показать на графике (рис.4.1.)

Сегодняшний период времени характеризуется осознанным восприятием и изучением информации. Моментом минимального уровня осознания принято считать изобретение ЭВМ, как носителя и преобразователя информации.

Аналогичную картину приводит Карл Рот [189]. Те же «вещество ® энергия ® информация» разделены по уровню осознания и одновременно – по историческим периодам (Рис. 4.2.)

Можно говорить о некоторой неточности приведенной схемы. Регуляторы, куклы-автоматы получили распространение в 18 веке; автоматическое открывание дверей храма было известно в Древнем Египте, а оригинальные ловушки для зверей, которые можно отнести к полуавтоматам, применялись еще в доисторическую эпоху. Однако, считать их использование осознанным – нельзя.

Представленная на рис. 4.2. схема одновременно отражает, с одной стороны, эволюционное развитие и динамику накопления знаний о природе и технических системах, а с другой, общность тенденций и закономерностей, которые относятся не только к объектам техники, но и к биологическим, и социальным процессам.

Т.е. наблюдаемые как в естественных, так и искусственных объектах аналогии, сходные сценарии развития, эволюции, перехода от неупорядоченного состояния к упорядоченному, указывают на наличие их общего структурного основания и законов природы, которым они подчиняются.

Конечно, к таким выводам человечество шло достаточно долго.

Формирование человека разумного – антропогенез – и комплекс преобразований природы в результате технической деятельности человека – техногенез – всегда были взаимообусловлены. Человек создавал технику, техника создавала человека.

Вся человеческая деятельность направлена на удовлетворение общественных и личных потребностей. При этом люди взаимодействуют с окружающей средой. Естественными и искусственными объектами, а также друг с другом. В ходе такой целенаправленной деятельности человечество создает и непрерывно совершенствует так называемые антропогенные системы.

Антропогенные системы (греч. anthropos – человек, genesis - происхождение, становление развивающегося явления) - системы, созданные в результате сознательно направленной человеческой деятельности. В общем случае антропогенные системы могут быть техническими, социальными и т.д. Т.е. антропогенными можно назвать всю совокупность искусственно создаваемых и совершенствуемых материальных и идеальных систем, обладающих определенной функционально- структурной организацией и используемых для удовлетворения потребностей общества и индивидума.

В данном случае рассматриваются антропогенные системы, которые принято относить к классу технических.

Итак, антропогенные системы в процессе развития образуют техносферу как органичную часть среды обитания человека.

Один из основоположников научной концепции ноосферы В.И. Вернадский писал:

«Раньше организмы влияли на историю только тех атомов, которые были нужны для их роста, размножения, питания, дыхания. Человек расширил круг, влияя на элементы, нужные для техники и создания цивилизованных форм жизни. Человек действует здесь не как Homo sapiens, а как Homo sapiens faber» [190, 178] Т.е. Вернадский определяет человека не только разумного, но и технического.

Уже в эпоху античности естественное, т.е. природное, отделяется от искусственного. Платон различал существующее «по природе» (то, что от природы) и с помощью искусства, от умения возникшее [12].

В средневековье естественное понималось как сотворенное богом в отличие от искусственного, созданного человеком.

Вещество	Энергия	Информация	Исторический период
инструмент	устройство	от окруж. среды	произведенная	управление регулировн.	логические решения
рука	живой организм	огонь, набухшее дерево	мышечная энергия	биологические органы для управления и регулирования	биологические органы для принятия логических решений	~ 4 млн. лет назад (австралопитек)
дерево, камень	~ 800-9 тыс. лет назад (доисторический период)
медь, бронза, железо, первые сплавы	рычаг, клин, винт	~ 8 тыс. лет назад (первые цивилизации)
простые механизмы	точение воды, ветер	~ 4 тыс. лет назад (древний мир и средневековье)
сложные механизмы	тепловые машины	~ 250-200 лет назад
овладение свойствам и материалов	машинное производство	электроэнергия	центробежные регуляторы	~ 150-100 лет назад
синтетические материалы	мех.транспорт, система машин	атомная энергия	управл. и регулирующие устройства	устройства обработки данных	~ 80-50 лет назад

Рис. 4.2 – Уровень осознанного использования видов материи в различные исторические периоды [189]

В эпоху Ренессанса и Нового времени в связи со становлением экспериментального естествознания возникает проблема разделения искусственного и естественного. Эксперимент, технически подготовленный, рассматривается как искусственное, а с другой стороны, является репрезентантом естественного – природы. Некоторые достаточно крупные искусственные системы имеют не только взаимосвязь, но и образуют единство с естественными системами. Т.е. практически все системы являются естественно-искусственными. Причем искусственные объекты создаются и прогрессируют за счет естественных. Развитие техники, хозяйства, общества происходит на фоне регресса биосферы и живого вещества.

На создание биосферы Земли требуется затратить ровно столько времени, сколько потребовалось в геологической истории. В биосфере действует эффективный механизм регуляции численности различных групп организмов. Существует естественный естественный механизм самоорганизации и восстановления.

Техногенез – стихийный процесс, остановить или даже затормозить который чрезвычайно трудно, если вообще возможно без глобального кризиса и крушения технической цивилизации.

Если рассматривать «живое вещество» (по В.И. Вернадскому) как совокупность живых организмов и биогенных продуктов, то по аналогии можно выделить и «техническое вещество» как совокупность техники и техногенных продуктов.

Техновещество [178] - совокупность искусственно функционирующих систем (машины, фабрики, электростанции и т.п.)

Технопродукция – созданные в процессе техногенеза или возникшие как его побочный результат техногенные вещества, включая вышедшую из строя технику.

Оценить эти системы можно по совокупной массе (хотя и весьма приблизительно). Биовещество суши оценивается 2-3×10¹² т, техновещество – 1-10×10¹³ т.

Таким образом, появление техновещества сопоставимо с появлением на суше крупных скоплений растительности на границе девонского и каменоугольного периодов [179].

Живое вещество [178] проявляет активность в очень узком диапазоне температур, приблизительно от точки замерзания до точки кипения воды. Оно нуждается в постоянном притоке энергии, причем определенного качества, определенным образом организованной. Пространство жизни ограничено физико-химическим составом комплексной оболочки планеты.

Для стабильного функционирования техники вовсе не обязательна биосфера. Техника прекрасно работает в космосе. Это позволяет техносфере расширяться в принципе безгранично. Одновременно создается опасность резкой деградации биосферы, включенной в область технической деятельности. Обретая достаточно большие энергетические и информационные возможности, техносфера в принципе может обойтись вовсе без области жизни.

Таким образом, все ярче проявляется противоречие между ограниченной биосферой и неограниченным техногенезом.

Стараясь обеспечить свои постоянно растущие потребности, человек все больше сил и средств тратит не технику – посредника между природой и обществом, получая взамен только долю этих затрат, причем долю, постоянно уменьшающуюся. Посредник становится слишком обременительным.

Считается, что письменному тексту «Илиады» Гомера – две с половиной тысячи лет. Так вот в поэме бог кузнечного дела Гефест пытался сгладить свою хромоту с помощью механических приспособлений. Многие ученые и алхимики средних веков пытались создать искусственного человека, строили автоматы, имитирующие животных и людей. Т.е. на определенном этапе человек создавал машину, заменявшую его определенную функцию, часто придавая форму – «по образу и подобию своему».

На сегодняшнем этапе происходит нечто иное, едва ли не противоположное. Техника способна заменить все функции человека: физическую силу – умение – управление. Техновещество потребляет ресурсы биосферы и загрязняет область жизни, которая технизируется как вследствие насыщенности техникой, так и по своей структуре. Техногенез, формирующий технизированную биосферу, как бы перестраивает организм в механизм, определяет развитие техногенной культуры, дегуманизирует область жизни, формирует техногенную личность. По верному замечанию Н. Бердяева [178], человек перестает быть образом и подобием Божьим, становясь образом и подобием машины.

Как уже говорилось, остановить этот процесс невозможно, но перед лицом глобальной реальной катастрофы необходимо переосмысление техногенеза, стратегии взаимоотношений с окружающей средой, областью жизни, социальных последствий. В этом плане изучение и осмысление обобщенных представлений о технических объектах и системах, направлениях и закономерностях их эволюции, жизненных циклов является хоть и небольшим, но необходимым вкладам в формирование нового взгляда на технику как особую сферу человеческой деятельности.

 

Рассматривая техносферу как совокупность технических объектов и систем, конечно нельзя забывать о достаточно сложных связях как между ними, так и связях с биологическими и социальными системами.

Первоначально технические объекты были достаточно просты: каменные, а затем и металлические орудия труда, отдельные механизмы, а затем машины, автоматы, роботы, автоматизированные комплексы. С ростом сложности наблюдается увеличение числа элементов, из которых состоит технический объект, а сами объекты вступают в отношения с другими антропогенными и естественными системами. Технический объект, как и система, понятия абстрактные, обобщающие. Необходимость такого обобщающего термина В. Хубка [16] определяет так: «...чтобы привести имеющиеся знания по объекту теории... в единый комплекс понятий, определений и положений, основываясь на сущности и закономерностях структуры, создания и использования ТС, а не отдельных эмпирических данных, относящихся к этим системам».

Предшественниками ТО и ТС видимо были понятия «абстрактной машины» или «машины».

В этой связи следует остановиться на понятиях «технический объект (система)» и «системный подход».

С общефилософских позиций системный подход [81] - направление методологии научного познания и социальной практики, в основе которого лежит исследование объектов как систем.

В Древней Греции преобладало нерасчлененное знание. Природа еще рассматривалась в общем, как единое целое. Аналогично, созданные человеком искусственные объекты, машины описывались как нечто целое. Как и живой организм машину нельзя было расчленить на составные части. Поэтому, описываемые в так называемых «театрах машин», технические объекты предстают на чертежах, рисунках, кратких сведениях как целые и неделимые, с присущими только им составными частями.

Специфические сочинения по технике – «театры машин» - получают широкое распространение к концу 15 века, началу эпохи Ренессанса. Наиболее известным и полным (по тем временам) является «театр машин» саксонского механика Якоба Лейпольда [70], издание которого частично финансировалось Петром I, а переиздавалось даже в начале 19 века.

В таких изданиях автор описывал не только свои изобретения, но и все, известные ему, машины. В России во второй четверти 18 века посмертно издан «Театрум махинарум» царского токаря А.К. Нартова [60]. «Театрум махинариум, то есть ясное зрелище махин и преудивительных разных родов механических инструментов» [60]. Машину в те годы на Руси называли «махиной» [12]. Слово было заимствовано из древнегреческой театральной практики и обозначало подъемную машину, употребляемую в театре. «Deus ex machina» - «бог из машины». К концу спектакля бог появлялся сверху с помощью специальной театральной машины и разрешал все, возникшие в ходе спектакля, ситуации.

Марк Ветрувий [70] (конец 1 века до н.э. – римский архитектор) в «Десяти книгах об архитектуре» последнюю – десятую книгу - посвящает машинам. По его определению «Машина есть сочетание соединенных вместе деревянных частей обладающее огромными силами для передвижения тяжестей».

Большинство современных авторов [143, 25, 144, 37] склонны к такому определению:

Машина (от французского machine, лат. machinа) – устройство, выполняющее механическое движение для преобразования энергии, материалов и информации с целью замены или облегчения физического и умственного труда человека. Следуя определению машины могут быть: энергетическими, технологическими и информационными.

Хотя такое определение дается в большинстве классических источников, слова «выполняющие механическое движение» не охватывают целый ряд машин, например, приборы, регистрирующие и взаимодействующие с полями, ЭВМ, работа которых не сопровождается непосредственным перемещением элементов машины.

Для последующего этапа – метафизического способа мышления – характерно преобладание анализа. Суть анализа состоит в разделении целого на части, в представлении сложного в виде совокупности более простых компонент. Таким образом, сложные процессы, явления, объекты можно изучать (а, следовательно, проектировать) исследуя отдельные элементы.

Разложение природы на ее отдельные части, разделение процессов и предметов на определенные класы, исследование внутреннего строения органических тел – все это было грандиозным успехом. Следуя данному принципу, структурно машину можно рассматривать как ТС, состоящую из отдельных механизмов или комплексов механизмов, т.е. элементов, обладающих устойчивыми связями и организацией.

Механизм [25, 37] – совокупность взаимосвязанных тел, предназначенных для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемое движение других тел.

По структурно-конструктивным признакам различают механизмы шарнирные (рычажные), кулачковые, зубчатые, клиновые, винтовые, фрикционные, с гидро- и электроустройствами и прочие.

Механизмы могут иметь одну или более степеней свободы. Наибольшее распространение имеют механизмы с одной степенью свободы, в которых для определенности движения всех звеньев нужно задать закон движения одного звена. Реже применяются механизмы с двумя и более степенями свободы. Главное назначение механизмов состоит в осуществлении заданного движения в процессе выполнения рабочей операции.

Деление машины на отдельные механизмы относят к 18 веку. Француз Гаспар Монж [70] показал, что машина состоит из механизмов (элементарных машин). «В 1808г. Августин Бетанкур и Хосе-Мария Ланц написали первый учебник по курсу построения машин..., а в 1841г. английский ученый Роберт Виллис определил понятие механизма». Другие авторы [16] связывают процесс упорядочивания и выделения механизмов с образованием технических школ в Париже (1794г.) и Праге (1806г.) и именами Гаспара Монжа, Лазара Карно (отца Никола Карно, чьим именем назван соответствующий цикл и теорема), Ашетта, а позднее Борни. В первом учебнике были учтены только 134 механизма. В современном справочнике И.И. Артоболевского приведено 4746 механизмов. Однако, предпосылки к разделу машин на элементы и части, общие для различных систем, имеются в работах Леонардо да Винчи, Герона Александрийского и др.Наука о механическом движении материальных тел получила название механики (от греч. mechanike - искусство построения машин [25]).

По словам Плутарха «искусству построения механических орудий положили начало Эвдокс и Архит...» [149]. Диоген Лаэртский об Арките сообщает: «Он первый упорядочил механику, приложив к ней материалистические основы, и первый свел движение механизмов к геометрическому чертежу» [150].

Однако, расчленить машину можно не только на механизмы, но и на части, формируемые, например, по функциональному, структурному или иному признаку.

Борни (1818г.) выделял 6 классов основных частей машины, затем Кориолис и Понселе развили эту идею, разделив машину на рецептор, передаточный механизм и инструмент. В дальнейшем об их концепции забыли и вспомнили уже в начале 20 века. хотя термины частично изменились (двигатель, передаточный механизм, исполнительный орган и система управления), сущность фактически осталась прежней. Такое деление вносит определенные удобства в процесс проектирования и рассмотрения технологических машин.

Однако, анализ как методологический способ, оставил привычку рассматривать объекты и процессы в их обособленности, вне их связей и движения. Новый, более высокий уровень системности познания представляет собой диалектический способ мышления.

В развитие диалектики значительный вклад внесли представители немецкой классической философии И. Кант, И.Фихте, Ф.Шеллинг, Гегель. У Канта имеются прямые суждения о системности самого мышления и его развития. Исследования процессов развития познания, соотношения познания и реальности привело Гегеля к окончательному формированию диалектики.

Параллельно философской мысли, несколько с иных исходных позиций системный подход начинает формироваться в конкретно-практической научной и технической методологии.

Первым в явной форме вопрос о научном подходе к управлению сложными системами поставил М.А.Ампер. При построении классификации всевозможных, в том числе и несуществующих тогда, наук он выделил специальную науку об управлении государством и назвал ее кибернетикой. («Опыт о философии наук, или аналитическое изложение классификации всех человеческих знаний» 1834-1843г.г.).

При этом он обозначил необходимое место для кибернетики в ряду других наук, подчеркнул основные ее системные особенности. «Эту науку я назвал кибернетикой от слова, обозначавшего сперва, в узком смысле, искусство управления кораблем, а затем постепенно получившего у самих греков гораздо более широкое значение искусства управления вообще».

Ампер только еще пришел к выводу о необходимости кибернетики, а Б.Трентовский, польский философ, уже читал в Фрейбургском университете курс лекций, содержание которого опубликовал в 1843г. Трентовский ставил целью построение научных основ практической деятельности руководителя, основываясь на том, что сам человек, коллектив, общество – есть сложная система со своими связями, отношениями и т.п.

И все же общество середины 19 века оказалось не готовым воспринять идеи кибернетики и последняя была позабыта. Прошло еще более 50 лет, и системная проблематика снова появилась в поле зрения науки. В

В 1911г. вышел в свет первый том, а в 1925г. – третий том книги «Всеобщая организационная наука (тектология)» А.А.Богданова [22]. Настоящая фамилия автора (Богданов - псевдоним) - Малиновский [17].

Большая общность тектологии связана с идеей Богданова о том, что все существующие объекты и процессы имеют определенную степень, уровень организованности В отличие от конкретных естественных наук, изучающих специфические особенности организации конкретных явлений, тектология должна изучать общие закономерности организации для всех уровней организованности.

В некоторых вопросах Богданов предвосхитил, а кое в чем и превзошел многие положения современных кибернетических и системных теорий. Тот факт, что к тектологии стали обращаться лишь к концу 20-го столетия, объясняется рядом политических событий, а в большей степени противоречивостью, сложностью личности и судьбы Богланова. Медик по профессии, он всерьез занялся философией, создав на позициях махизма свою собственную - эмпириомонизм. В.И. Ленин в «Материализме и эмпириокритицизме» подверг Богданова жестокой критике, после чего тот вообще отошел от философии. Богданов активно участвовал в политической деятельности, но когда социал-демократы отвергли его вместе с «богоискателями», вообще прекратил работу в партии. Тем не менее после революции он вошел в состав Коммунистической академии. В.И.Ленин высоко оценил написанный им «Красный курс политической экономии», а также поддержал идею Богданова о создании первого в мире Института переливания крови. Богданов становится директором института, начинает проверять некоторые выводы тектологии на примере действительно сложной систсемы - кровеносной. Рискованные опыты он проводил на себе, и его абсолютная вера в безошибочность своих гипотез привела к трагедии: один из таких опытов окончился его гибелью.

Все это в совокупности с новизной предмета тектологии привело к тому, что о ней вспомнили лишь тогда, когда другие начали приходить к тем же результатам. Однако, приоритет и вклад А.А.Богданова в развитие системных представлений нельзя недооценивать.

По-настоящему явное и массовое усвоение системных понятий, общественное осознание системности мира, общества и человеческой деятельности началось с 1948г., когда американский математик Н.Винер [23] опубликовал книгу под названием «Кибернетика».

Первоначально он определил кибернетику как «науку об управлении и связи в животных и машинах». Однако, очень быстро стало ясно, что такое определение неоправданно сужает сферу приложения кибернетики. Уже в следующей книге Н.Винер анализирует с позиций кибернетики процессы, происходящие в обществе.

В нашей стране кибернетика была встречена настороженно и даже враждебно. Кибернетика была признана идеалистической лженаукой. И только в 60-70-е годы 20-го столетия получает признание.

Параллельно и как бы независимо от кибернетики прокладывается еще один подход к науке о системах – общая теория систем.

Идея построения теории, применимой к системам любой природы, была выдвинута австрийским биологом Л.Берталанфи. Один из путей реализации этой идеи Берталанфи видел в том, чтобы отыскивать структурное сходство законов, установленных в различных дисциплинах, и, обобщая их, выводить общесистемные закономерности. Однако, заманчивый замысел построить общую теорию систем как новую логико-математическую дисциплину не реализован в полной мере до сих пор.

В дальнейшем происходит развитие системного анализа, общих системных представлений и подходов к решению разнообразных задач.

Итак. Наращивание системных знаний – естественный процесс, происходящий во всех областях человеческой деятельности. Системность – всеобщее свойство материи.

В качестве иллюстрации обратим внимание на специальности классиков системности: Ампер – физик, Трентовский – философ, Федоров – геолог, Богданов – медик, Винер – математик, Берталанфи – биолог, Пригожин – физик [17].

Системный подход может быть распространен как на саму техническую систему, так и на людей, общество и т.п., которые проектируют, изготавливают и эксплуатируют эту технику, а также на мыслительные процессы.

Дальнейшим развитием системного подхода является исследование и обоснование теории комплексных самоорганизующихся систем. Зарождается синергетика.

Синергетика как новая междисциплинарная отрасль науки возникла в конце 20 века [199]. Ее создателями являются немецкий ученый Герман Хакен и русский физикохимик И.Р.Пригожин (1917-2003 г.г.). Об этом было сказано в разделе 2.4. Однако, повторим некоторые положения. Основной постулат синергетики заключен в следующем.

На открытые системы не распространяется принцип, согласно которому при предоставлении такой системы самой себе хаос в ней будет постоянно расти [198].

Принцип Больцмана, касающийся энтропии как меры хаоса, стремящийся достичь своего максимума, оказывается верен только для закрытых систем. В случае закрытой системы рост энтропии зависит только от количества возможностей, которые может реализовать система – например, от числа различных положений молекул газа в системе, которая представляет собой емкость, наполненную газом. Поскольку для каждой системы существует совершенно определенное число таких положений, принцип Больцмана является статическим.

Синергетические исследования направлены на изучение общих принципов возникновения структур в открытых системах. Множество отдельных элементов открытой системы задействованы в процессе постоянного тестирования различных возможностей, предоставляемых им системой, пробуя при этом все новые и новые типы движения или реакции. Под воздействием непрерывно поступающей энергии (или энергии и вещества) один или несколько типов такого коллективного движения или коллективной реакции оказывается предпочтительнее других. Именно эти формы движения или типы реакций становятся преобладающими в системе. Постепенно происходит подавление – или, говоря языком синергетики, подчинение им всех прочих форм движения или типов реакций. Подчиняя себе всю систему последние изменяют и макроструктуру системы, приводя, как правило, к состоянию более высокой степени упорядоченности.

Таким образом, рассмотренный принцип возникновения структур в открытых системах является принципом динамическим, поскольку определяется скоростью роста определенных форм движения или типов реакций.

Итак, основатели синергетики в противовес второму началу термодинамики выдвинули положение о наличии у материи созидательной тенденции, т.е. способности самопроизвольно развиваться не только в направлении к беспорядку, хаосу, но и в противоположном направлении – к самоорганизации и самоусложнению.

Кроме того, в развитии систем большую роль играет случай, от которого зависит выбор того или иного варианта дальнейшего развития. Именно случай определяет одно из возможных направлений развития в так называемых точках бифуркации (от лат. - раздвоение единого), т.е. точках, когда малое изменение входного сигнала или внешних воздействий приводит к резким изменениям (часто необратимым) в системе, причем в ту или иную сторону выходного сигнала [199]. Развитие систем носит не однонаправленный, хорошо предсказуемый характер, а преимущественно многовариантный, нелинейный, а иногда скачкообразный характер. Случай есть необходимый элемент механизма эволюции.

Рассматривая общие закономерности зарождения, проектирования, изготовления и эксплуатации ТО и ТС, с учетом социальной и биологической сфер, ограничений экономических, социальных и технологических, данные принципы могут быть распределены на мир технических систем.

 

Тема 2. Основные определения и понятия системного анализа, классификация систем

___________________

 

 

 

В Древней Греции любая техническая ремесленная деятельность называлась «техне» - понятие имеющее индогерманские корни и первоначально обозначавшее плотницкое ремесло, строительство жилища. В нефилософской античной литературе, в частности у Гомера, это понятие распространяется и на кузнечное ремесло, а позднее на ремесленное производство вообще, ремесленную профессиональную деятельность. Позднее это понятие относится к еще более широкой сфере, объединившей и искусство, и технику, и вообще профессиональное мастерство (технэ поэта, певца, врача, музыканта и т.д.).

Немецкий ученый Шадевальд возводит этимологию слова «техника» к греческому «техне», от которого в греческом языке образовалось прилагательное technikon, а от него латинское technica ars. Это слово затем перешло во французский язык, в котором в течение 17 века появился термин technique, перешедший в начале 18 века в немецкий язык как Technik.

В современном языке слово «техника» имеет несколько значений:

1. Техника – совокупность средств человеческой деятельности, созданных для осуществления процессов производства и обслуживания непроизводственных потребностей общества [25, 37, 143].

2. Техника – мастерство, умение, система определенных навыков, выработанных для любого использования. (Техника игры на виолончели, техника рисунка и т.п.).

3. Техника – процесс, последовательность изготовления, т.е. техника в смысле технологии. (Техника получения синтетического волокна)

Полная совокупность технических объектов и систем, созданных человеком, а также техногенные вещества, включая утилизированные отходы и побочные продукты техногенеза условно объединяют в техносферу.

Под техносферой [26, 28, 178] понимается вся диалектически развивающаяся материальная совокупность искусственно созданных технических объектов и систем, воздействующая на человека в социальной и биологической сферах.

Наиболее распространенная схема взаимодействия техно-, био- и социосфер, применяемая в инженерной деятельности представлена на рис. 4.3.

 

 

техносфера

социосфера

био- сфера

ч

Рис. 4.3. – Схема взаимодействия техно-, био- и социосфер.

Человек с точки зрения биологической принадлежности взаимодействует с биосферой, т.е. естественной средой, биологическими формами и т.д. В то же время, созданная человеком социальная сфера формирует отношение к природе, общественное мнение, «социальный заказ». В свою очередь биосфера формирует или оказывает влияние на социосферу.

Некоторые авторы [78, 79] выдвигают даже «климатическую» теорию развития истории человечества. Климат, его изменение сильно влияют на историческое развитие человека, нравственные устои, общественное сознание.

В период мезолита вымерли мамонты, шерстистые носороги, овцебыки и др. [156]. В результате человек был вынужден охотиться на сравнительно мелких животных и птиц. Загонно-облавная охота большими коллективами сменилась индивидуальной охотой. Новый вид охоты отразился на образе жизни: постоянные поселения палеолита сменяются временными стоянками мезолита. Изменения коснулись и общественной жизни, социальных условий.

Человеку, уходящему на север, надо было больше уделять внимание сооружению жилищ и изготовлению одежды, чем его экваториальному современнику. Процесс прядения и ткачества, строительство, сооружение отопительной техники не только способствовали развитию человека, но и привели к переоценке географических ценностей. Раскрылись преимущества севера: средства защиты против холода оказались проще, чем против тепла.

«Рачительный хозяин» способен обеспечить безбедное существование семьи в зимний период. Бытовые удобства освобождают силы и время людей для целей следующего, более высокого порядка: искусство, наука. Центры человеческой активности смещаются в северные земли. Экваториальному соседу природа дарит все сама: ему меньше надо заботиться о завтрашнем дне. Это не способствует развитию. Условия крайнего севера требуют от человека всех сил для заботы о выживании. Свободного времени практически не остается.

Вернемся к рис. 4.3. Человек является творцом и потребителем услуг техники. Социосфера формирует общественную потребность в том или ином техническом объекте. Многие выдающиеся изобретения, возникшие в отсутствии общественной потребности, остались без внимания и были забыты. Когда же общественная потребность возникала, их изобретали заново.

Изучение рукописей Леонардо да Винчи, умершего в 1519 году, открытых вновь в конце 18-начале 19 веков, указало, что в них изложены идеи, которые получили развитие в 17-19 веках при условиях, когда ни о каких заимствованиях у Леонардо не могло быть и речи.

Его турбины, подводные суда, парашют были изобретены вторично, когда общество осознало целесообразность этих технических объектов. Кроме этого, в обществе должны быть созданы политические, бытовые, экономические и иные условия.

В свою очередь техносфера оказывает значительное влияние на социосферу. Овладение огнем позволило человеку выжигать леса, заниматься земледелием. В результате изменялись не только ландшафты, изменялся уклад общества, пересматривались жизненные ценности.

Беспрецедентно влияние на социосферу средств массовой информации, в первую очередь телевидения: многократно увеличенный поток информации, его политизация, возможность психологического воздействия на миллионы людей, формирование специфичного образа жизни, заключающегося в многочасовом просмотре телепередач.

Техносфера представляется как область технической деятельности человека. Сам человек существует «конечное» время, а производимая им техника создается в условиях «конечных» временных, материальных, энергетических и информационных ресурсов.

Видимо поэтому техносфера отличается от других планетарных оболочек и ожидать от нее устойчивости, рационализации биосферы не следует. Этим определяется ее продолжающаяся дегуманизация и подавление биогенеза. Поэтому влияние техносферы на биосферу носит как позитивный, так и негативный характер. При этом негативная составляющая возрастает с увеличением объема техногенеза.

Биосфера в свою очередь влияет на техносферу, выставляя новые требования, приспосабливаясь к техногенным воздействиям, отвечая изменениями климата, кислотными дождями, мутациями микроорганизмов, иммунодефецитом и т.д.

Рассматривая каждое из взаимодействий между человеком и техносферой, следует выделить ряд уровней локального и глобального характера. Сравните: неправильно сделанный наконечник стрелы или копья мог привести к гибели одного или нескольких людей на охоте. Неправильно спроектированная межконтинентальная ракета или атомная станция, ошибка в управлении могут прервать человеческую популяцию.

Некоторые авторы [141] говорят о вероятностном режиме человеческого существования, т.е. будущее «всего лишь вероятность, а не гарантированная данность....»

Большинство исследователей [28, 34] выделяют четыре иерархических уровня взаимодействия человека (социосферы) и техносферы:

· ТС-оператор (группа операторов);

· ТС-микроколлектив (цех, производство);

· ТС-регион;

· ТС-популяция.

Процессы, происходящие при взаимодействии на всех уровнях, состоят из одних и тех же элементов: биологического, социального, экономического, но на различных уровнях их характер и удельный вес различны. На нижних уровнях человек-оператор или коллектив как неотъемлемая часть единого социального организма (социосферы) взаимодействует (управляет, обслуживает, получает информацию и т.д.) с техносферой через какие-либо ее элементы. Отрицательные воздействия носят в основном биологический характер: физические или психические травмы, профессиональные заболевания и т.д. На этих уровнях кроме оператора или микроколлектива может быть выделена группа людей, вовлеченных в контакт с ТС, но не связанных с ее непосредственным использованием. Например, посторонние люди на стройплощадке в зоне работы подъемного крана. Возможное воздействие на эту группу тоже необходимо учитывать.

На высших (глобальных) уровнях доминируют социальные и экономические процессы при сохранении биологического. Так, на верхнем уровне (ТС-популяция) к биологическому ущербу можно отнести возможное поражение генетического аппарата в связи с эксплуатацией опасного для здоровья ТО, что ставит под угрозу существование вида. К социальному – нарушение социальных отношений внутри общества, ранее старение общества. К экономическому – непосредственный ущерб, расходы, связанные с миграцией населения, охраной окружающей среды и т.п.

Созданные человеком ТС в Большей или меньшей степени воздействуют на биосферу и через нее на всю популяцию, регион, микроколлектив, человека. Таким образом, помимо непосредственного воздействия техносферы на человека, существует вторичное воздействие, вызванное нарушением биосферы.

Некоторые исследователи [32, 28, 35] предлагают рассматривать отдельно социотехнический комплекс, антрпотехнический комплекс. Такое упрощение правомерно на локальном уровне, при проектировании отдельных ТО и ТС, при решении частных задач анализа и синтеза ТО и ТС.

Таким образом, при оценке вероятных последствий функционирования ТО и ТС следует учитывать четыре уровня воздействия как непосредственного, так и вторичного.

 

 

 

Одной из характерных тенденций развития техники в настоящее время является непрерывно увеличивающаяся сложность ТО и ТС, появление больших и гипербольших систем.

При их проектировании возникают проблемы, меньше связанные с рассмотрением свойств и законов функционирования элементов, а больше – с выбором наилучшей структуры, оптимальной организации, учетом влияния различных внешних и внутренних факторов и т.п. Кроме этого, решение сложных и объемных задач как за один прием, так и при простом разбиении всей большой задачи на ряд мелких последовательных этапов редко приводит к успеху. К решению сложных задач подключаются специалисты различных научных направлений и специальных технических знаний. Руководитель проекта не может быть абсолютно знающим специалистом во всех областях.

Учитывая все вышесказанное для создания таких систем необходим определенный идеологический и организационный план проектирования системы, пронизывающий весь проект, начиная от предварительной исследовательской проработки и заканчивая эксплуатацией и утилизацией системы.

В результате возникла необходимость в системном подходе, о котором говорилось в разделе 4.4., в появлении соответствующих специалистов – системотехников и их обобщающей научно-технической дисциплины – системотехники.

Системотехника – научное направление, изучающее общесистемные свойства ТО и ТС, процессы их создания, совершенствования, эксплуатации и ликвидации (утилизации) в целях получения максимального социального, технического и (или) экономического эффекта.

Фундаментальным понятием системотехники, как и базовых теоретических дисциплин (теории систем, исследования операций, системного анализа и т.п.), является понятие «система».

Большинство авторов [18, 19, 66, 81] определяют систему примерно так:

Система – это совокупность элементов, обладающих следующими свойствами:

1. Целостность и членимость.

2. Организация.

3. Наличие существенных связей.

4. Интегративные качества.

Некоторые авторы [32], говорят именно о технических системах подчеркивают, что совокупность элементов (технических объектов) должна быть объединена единой целью и общим алгоритмом функционирования. ТС нельзя ограничить как часть техносферы, т.к. большинство систем является гибридными, т.е. включающими объекты био- и социосферы.

Элементом [18] называется некоторый объект (материальный, энергетический, информационный), обладающий некоторыми важными для системы свойствами, но внутреннее строение (содержание) которого безотносительно к цели рассмотрения.

Например, рассматривая автомобиль в целом, мы говорим о электролампочке, которая в данном случае будет элементом, с определенными свойствами нужными автомобилю как системе. В тоже время сама структура, строение лампочки нас не интересует, т.е. она безотносительна к цели рассмотрения.

Отдельные элементы принято обозначать через М, а возможную или рассматриваемую их совокупность – через {M}. Принадлежность элемента совокупности принято записывать: МÎ{M}.

Целостность и членимость подчеркивает двойственность систем: с одной стороны, ТС – целостное образование, т.е. рассматривается как единое целое, с другой – в ее составе отчетливо могут быть выделены отдельные элементы (объекты), каждый из которых обладает своей собственной целостностью.

Для любых систем характерно наличие существенных устойчивых связей (отношений) между элементами, превосходящих по мощности (силе) связи этих элементов с элементами, не входящими в данную систему.

Связью называется важный для целей рассмотрения обмен между элементами веществом, энергией или информацией.

В определении элемента и связи имеются понятия вещества, энергии и информации. С точки зрения взаимодействия человека с материальным миром нами уже три больших периода [105] (см. раздел 4.2.):

· освоение вещества, создание материального производства, осознание единства материального мира;

· освоение энергетических запасов и создание производства энергии;

· исследование информационной картины мира, создание информационной индустрии, осознание единства законов вещества, энергии и информации.

Единицей связи выступает воздействие. Воздействие элемента М₁ на элемент М₂ обозначают через х₁₂ и наоборот, элемента М₂ на М₁ через х₂₁, что можно изобразить графически (рис. 5.1)

М1

М2

х12

х21

Рис. 5.1. Связь двух элементов [18]

Термины: существенные и устойчивые связи подчеркивает возможность отделения системы от окружающей среды в виде целостного образования, определить границы системы.

Возникновение организации в системе – это, по существу, формирование существенных связей элементов, упорядоченное распределение связей и элементов во времени и пространстве. При формировании связей складывается определенная структура системы.

Существование интегративных качеств (свойств), т.е. таких, которые присущи системе в целом, но не свойственны ни одному из ее элементов в отдельности, показывает, что свойства ТС хотя и зависят от свойств элементов, но не определяются ими полностью.

Отсюда можно сделать важные практические выводы:

1. Система не сводится к простой совокупности элементов.

2. Расчленяя систему на отдельные части, изучая каждую из них в отдельности, нельзя познать все свойства системы в целом.

Применяя так называемое «кортежное» определение систем, можно записать [18]:

где å - система;

{M} – совокупность элементов системы;

{x} – совокупность связей;

F – функция (новое свойство) системы.

Существуют другие, более сложные формы условной записи системы [1, 66]. Практически любой объект с определенной точки зрения может рассматриваться как система. Важно отдавать себе отчет – полезен ли такой взгляд или разумней считать данный объект элементом.

Вторым, на наш взгляд, не менее важным термином является понятие технического объекта (ТО).

В современном понятии ТО часто употребляется как синоним ТС [45, 98], являясь целостной системой, включающей в себя определенные элементы, обладающие теми же свойствами, что и система (целостность и членимость, организация, наличие существенных связей, интегративные качества). При этом подчеркивается, что у любого ТО существует надсистема, т.е. другой ТО, в который он структурно или функционально включается или входит как отдельный элемент. Не которые авторы [16] определяют ТО как элемент системы, но считая, что его структура небезинтересна при рассмотрении системы в целом, но ТО может быть выделен как целостное образование (система) в рамках ТС. Эволюция терминологии приводится довольно подробно в работах [98, 16, 14].

Технический объект – это совокупность элементов, обладающих свойствами системы и входящих в надсистему как целостное образование (система).

Техническим объектом может быть названа как отдельная машина или прибор, так и агрегат, блок, из которых состоит машина, а также комплект машин, приборов и т.п.

Деление системы на части позволяет реально охватить при рассмотрении только отдельный блок (так называемый модуль), провести его проверку, настройку, модернизацию, обеспечить надежность и осуществить быстрый ремонт.

Модуль [25] (от лат. modulus - мера) – группа элементов, являющихся частью системы, оформленных конструктивно, структурно или функционально как самостоятельное целое, выполняющее определенную функцию в какой-либо ТС и описываемое только своими входами и выходами.

Объединяя элементы в модули мы уходим от излишней детализации в описании ТС, сохраняя ее основные особенности. Внутреннее строение таких первичных блоков можно проанализировать (в основном это уже сделано заранее), но на определенной стадии рассмотрения удобнее пользоваться модулем как элементом, пользуясь лишь входами и выходами.

Схематично изображение модуля можно представить [18] в полном виде (см. рис.5.2.):

 

J

{x-J}

{x-Jk}

{x+J}

{x+iJ}

Рис. 5.2. – Схематическое изображение модуля.

{x⁺_J} – внешние (от «не-системы») воздействия на элементы модуля J;

{x⁺_iJ} – связи от других элементов системы на элементы модуля J;

{x^-_J} – связи воздействия от элементов модуля J на другие элементы не системы;

{x^-_Jk} – связи от элементов модуля J на другие элементы системы.

Тогда условно преобразование связей в модуле можно записать:

По нятие модуля предусматривает и другие отличительные особенности. Например, в противовес ТО (машине) модуль чаще всего унифицирован, имеет определенный запас технико-экономического уровня, т.е. способность эффективно применяться в будущих модификациях ТС. В случае устаревания модуль может быть заменен на новый, усовершенствованный без затрат на выпуск других составных частей ТО. Некоторые авторы [20] подчеркивают, что модульное построение ТС предполагает ограниченное число унифицированных блоков, из которых, как из конструктора, можно набирать (выбирать) нужные структуры. Т.е. правильно спроектированный модуль позволяет свести элементную базу ТС к некоторому минимуму.

Такая тенденция в построении ТО и ТС прослеживает достаточно давно. Об этом свидетельствуют синонимы слова модуль: узел, блок, агрегат, подпрограмма и пр.

В отличии от элемента и «черного ящика», заимствованного в проектное дело, [9, 45] из кибернетики, которые тоже характеризуются только входами и выходами, можно отметить, что содержание (структура, конструкция и т.д.) у модуля известно и небезинтересно с точки зрения рассмотрения системы, а объединение произведено искусственно с определенной целью и позволяет производить определенные оперативные действия с этими группами элементов.

Система может представляться набором модулей и сама рассматриваться как модуль. Деление системы на модули – это удобный и наиболее распространенный прием работы с искусственными системами, включая их создание, проверку, настройку, усовершенствование [18].

Примерами реализации этого положения на практике являются создание не только сложных машин и комплексов, но и информационных систем и вычислительных сетей, охватывающих целый ряд стран, включая их многоуровневое программное обеспечение.

Государственным стандартом в системе проектирования и производства введено еще одно обобщающее понятие – изделие.

Для ведения конструкторских работ государственный стандарт в системе проектирования – производство устанавливает в качестве основного термина – изделие.

Изделие – единица промышленной продукции, количество которой может исчисляться в штуках или экземплярах [120]. Применительно к конструкторской документации изделием считается любой предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии.

Под изделием подразумеваются все объекты материального производства: машины, механизмы, функциональные схемы и др.

Как видно из определения, понятие «изделия» несколько уже понятие «технический объект» и максимально приближено к производству. Различают изделия, предназначенные для реализации (в основном производстве) и для собственных нужд производства (во вспомогательном производстве).

 

Понятия организации и структуры связаны весьма тесно. Структура отражает упорядоченность, организованность системы. Однако, организация охватывает только такие свойства элементов, которые связаны с процессами сохранения и развития целостности, т.е. существования системы. Таким образом, организация возникает в том случае, когда между некоторыми исходными объектами (элементами) возникают закономерные, устойчивые на определенном временном отрезке связи и (или) отношения.

Под организацией (ordanizo – лат. – сообщаю стройный вид, устраиваю) понимается внутренняя упорядоченность, согласованность взаимодействия отдельных элементов системы.

Внутренняя форма организации системы, выступающая как единство состава системы и устойчивых взаимосвязей между ее элементами, определяет структуру.

Под структурой (structura – лат. - строение) понимается устойчивая упорядоченность в пространстве и во времени ее элементов и связей [66, 2]. В понятии «структура» фиксируются относительно инвариантные и статические, т.е. относящиеся к строению, способам взаимодействия частей, закономерности. А в понятии «организация» - динамические, относящиеся к функционированию и взаимодействию частей. Структуру системы изображают в виде графической схемы, состоящей из ячеек (элементов, групп элементов) и соединяющих их линий (связей).

Для символьной записи структуры вводят вместо совокупности элементов {M} совокупность групп элементов и совокупность связей между этими группами . [18] Тогда структура системы может быть записана как:

(2.2)

Структуру можно получить из (2.1) объединением элементов в группы. Отметим, что функция F (т.е. назначение) системы опущена, поскольку структура в определенной степени безотносительна к ней.

В зависимости от характера организации в системе элементов и их связей можно выделить три основных типа: сетевую (рис.2.2а), скелетную (рис. 2.2.б), централистскую (рис.2.2.в) [66].

Вообще же структуры могут быть самые разнообразные и включать различные комбинации взаимосвязей элементов.

а)

б)

 

в)

Рис. 2.2. Наиболее распространенные типы структур.

Структурная схема может быть охарактеризована по имеющимся в ней типам связей. Простейшими связями являются последовательное, параллельное соединение элементов и обратная связь. (Рис.2.3.) [18].

 

 

а) последовательная

 

б) параллельная

 

 

в) обратная

Рис. 2.3. – Простейшие типы связей

Как правило, обратная связь выступает регулятором в системе.

Состав элементов системы [66] может быть гомогенным (содержать однотипные компоненты), гетерогенным (содержать разнотипные компоненты) и смешанным.

По временному признаку выделяются экстенсивные структуры, в которых с течением времени происходит рост числа элементов, и интенсивные, в которых происходит рост числа связей и их мощности при неизменном составе элементов. Противоположные типы структур: редуцирующие и деградирующие. Еще один тип – стабильные структуры, в которых структура не меняется в течение всего периода «жизни» системы.

Структура является наиболее консервативной характеристикой системы: хотя состояние системы изменяется, структура ее сохраняется неизменной иногда весьма длительное время.

Функция (fuhctio – лат. – исполнение, совершение) есть действие, поведение, деятельность некоторого объекта. Функция характеризует проявление свойств системы в данной совокупности отношений и представляет собой способ действия системы при взаимодействии с внешней средой.

Функция системы (в многофункциональных системах - набор функций) возникает как специфическое для каждой системы порождение всего комплекса функций и дисфункций элементов. Т.е. при формировании системы возникают не только «полезные» функции, обеспечивающие сохранение системой ее качественной особенности, но и дисфункции – функции, негативно влияющие на функционирование системы.

Характер элементов может быть различным. Отсюда и разнообразие структур. Например, вещественная структура сборного моста состоит из отдельных, собираемых вместе секций. Структурная схема такой системы укажет только эти секции и порядок их соединения. Последнее и есть связи, которые здесь носят силовой характер.

Пример функциональной структуры – это деление двигателя внутреннего сгорания на системы питания, смазки, охлаждения и т.п. Календарь – временная структура и т.д.

Расчленить систему на отдельные компоненты можно с различной степенью детальности. Так, в системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания выделить радиатор, термостат и т.д. Такое структурирование ТС по степени детальности описания отражает принцип иерархичности.

Иерархия (от греч. hieros – священный и arche - власть) – расположение частей или элементов целого в порядке от высшего к низшему, т.е. структура с наличием подчиненности. В практике проектирования необходимость расчленения ТС на иерархические уровни и блоки обуславливается психологическими возможностями проектировщика, возможностью восприятия и оперирования описаниями объекта в процессе их преобразования. В эксплуатации – возможность сборки, отладки, ремонта.

Общий вид иерархической структуры ТС представлен на рис. 5.3. Преимущества такого подхода заключаются в сведении задач более сложного уровня к ряду задач меньшей сложности.

Так, ЕСКД устанавливает следующую иерархию изделий машиностроения:

1. Комплекты

2. Комплексы

3. Сборочные единицы

4. Детали

Иерархическое представление роботизированного комплекса (РТК) может быть следующим:

1. РТК

2. Станки, роботы, позиции загрузки-выгрузки

3. Агрегаты

4. Узлы

5. Детали

Причем на каждом уровне имеются свои представления о системе и элементах. Для станка как система агрегат будет элементом, но сам станок есть элемент для РТК. Для более подробного представления иерархии сложных технических объектов могут быть предусмотрены дополнительные подуровни, например, узлы могут быть разбиты на подузлы, этапы на подэтапы и т.п.

 

ТС

<

---

---