Лекция 2. Системы, надсистемы и подсистемы. Тема 3. Жизненный цикл сложной технической системы

- Комплекс космического аппарата

Понятие «система» является в настоящее время одним из самых широко употребляемых в технической и научной литературе. Его появление и широкое использование связано с развитием кибернетики и с публикацией в 1951 году работы Ludwig von Bertalanffy “General System Theory: A new approach to Unity of science”, который первый использовал определение «общая теория систем» в попытке найти общие закономерности в развитии самых различных отраслей знаний и исследовании междисциплинарных отношений, a также работы Boulding K. “General System Theory: The Skeleton of Science “ в 1956 г. Именно к этому времени следует отнести становление системотехники как самостоятельной области знаний.

Система (греч. systema – целое, составленное из частей, соединение) есть совокупность достаточно большого числа взаимосвязанных компонентов, организованных определенным образом для достижения общей цели.

Если рассматривать с этой точки зрения ракету – носитель (как и любой другой летательный аппарат), то очевидно, что он как совокупность взаимосвязанных частей, предназначенная для достижения совершенно определенной цели, является хорошим примером системы.

Другое определение системы, достаточно часто встречающееся в литературе, следующее.

Система - объект любой природы, обладающий выраженными «системными» свойствами, т.е. свойствами которых не имеет ни одна из частей системы при любом способе ее членения.

Перечень таких системных свойств в наиболее общем виде может быть представлен следующим образом:

- объект создается ради определенной цели и в процессе достижения этой цели функционирует и развивается;

- в составе системного объекта имеется источник энергии и материалов для его функционирования;

- системный объект – управляемый;

- для управления системным объектом используется информация о его состоянии и о состоянии внешней среды;

- объект состоит из взаимосвязанных компонентов, выполняющих определенные функции в его составе;

- свойства системного объекта не исчерпываются суммой свойств его компонентов.

В обладании системным свойством проявляется целостность объекта. Благодаря целостности системы, ее можно выделить из окружающей среды. Под окружающей средой здесь понимается все, что остается вне границ системы. Однако нет систем, которые были бы полностью изолированы от окружающей среды. Система взаимодействует со средой путем обмена веществом, энергией, информацией. Материалы, энергия, информация пересекают границу и определяются как вход в систему. И, наоборот, материалы, энергия, информация также пересекают границу, выходя из нее, принято называть выходом из системы. Объективные границы между системой и средой нечетки, размыты. Тем не менее, исследователь определяет границу хоть и условную, но четкую.

Системы могут быть классифицированы для удобства по нескольким категориям, каждая из которых обладает определенной общностью. Следует отметить, что любая классификация, отражая объективные различия, является целевой и условной. Разные цели исследований порождают различные классификации. Наиболее общая классификация систем предусматривает их деление по происхождению:

- естественные;

- искусственные;

- смешанные.

Естественные системы представляют собой совокупности объектов природы и подразделяются на неорганические (неживые), биологические, экологические и др.

Искусственные системы – это совокупности социально-экономических и технических объектов. Искусственные системы могут быть разделены на материальные и абстрактные. В частности, к материальным системам относят технические объекты, такие как механизмы, машины, летательные аппараты, ЭВМ и т.д. Примером абстрактной системы является математическая модель системы, система математического обеспечения ЭВМ и т.д.

Смешанные системы созданы человеком, но от искусственных они отличаются участием человека в работе системы. К числу смешанных систем принято относить системы обслуживания и социально-экономические системы. Примером первой может быть совокупность искусственной и организационной системы в лице коллектива людей, участвующих в эксплуатации искусственной (технической) системы. Примером социально-экономической системы могут быть трудовой коллектив, государство и т. п.

Человеческий компонент системы обслуживания часто называют организационной системой.

Подавляющее большинство систем, которые будут рассматриваться ниже, относятся к искусственным, для которых имеется установившийся термин – технические системы. Предполагается, что в основе функционирования технических систем лежат процессы, совершаемые машинами, - роль человека при этом незначительна.

Системы могут быть классифицированы и по сложности. Сложность системы определяется сложностью структуры. По сложности системы подразделяются на элементарные и сложные. Существуют различные определения понятия «сложная система». Их различие в основном связанно как с физической природой системы, так и с задачами исследования.

В частности в соответствии с одним из определений систему считают сложной, если она представляет собой целостную (т.е. обладающую системным свойством) совокупность большого числа систем различной физико-технической природы. В действительности в ежедневной практике наиболее распространенными являются сложные смешанные системы. Их сложность принято оценивать сложностью структуры, которая характеризуется следующими признаками:

- наличие структурных уровней различной природы (искусственный, естественный, организационный и т.д.);

- многоуровневая структура искусственного уровня;

- большое число компонент различной физико-технической природы;

- целостные подсистемы на каждом структурном уровне с целями, подчиненными цели сложной системы;

- главная роль информационных связей в образовании сложной системы.

Примером такой сложной смешанной системы может быть ракетно-космическая отрасль в целом.

Применительно к техническим системам, воспользуемся определением, наиболее подходящим для обсуждаемых далее проблем, а именно, сложной технической системой (СТС) называется техническая система, представляющая собой целостную совокупность компонент, объединенных как функциональными, так и информационными связями.

Необходимо отметить, что технические системы взаимодействуют не только между собой, но и с естественными. И это взаимодействие с живым миром, когда результатом могут быть нежелательные последствия, должно быть предметом особого внимания. Примером такого взаимодействия может быть запуск ракеты-носителя с последующими негативным воздействием на окружающий мир.

Каждая из систем является частью другой более обширной системы (надсистемы) и в свою очередь может включать в свой состав ряд систем более низкого уровня (подсистем), что свидетельствует об иерархическом построении системы. Расчленение системы на подсистемы (компоненты) при исследовании определяется как объективными свойствами последних, так и позицией исследователя.

Так определяется иерархия (от греч. hieros – священный и arche – власть) системы, т.е. расположение компонентов целого в порядке от высшего к низшему («пирамида» систем).

Если обратиться к вышеупомянутому примеру технической системы, т.е. ракете-носителю, то он является частью (компонентой) более обширной системы (надсистемы), называемой в соответствие с принятой в отрасли терминологией (см. Лекцию 1) комплексом ракеты-носителя, представляющим собой совокупность ракеты-носителя с ее комплектами технологического оборудования, измерительными средствами, сооружениями с техническими системами технической и стартовой позиций.

С другой стороны в ее состав входят такие компоненты как двигательная установка, система управления, система разделения и т.д., каждый из которых в соответствующих исследованиях может быть представлен системой соответствующего уровня.

Выделение тех или иных компонентов в системе определяется двумя факторами: с одной стороны, объективно существующими свойствами системы, с другой, - субъективным подходом исследователя (его целями, знаниями о системе и исследовательскими возможностями). В результате расчленение реальной целостной системы является относительным, условным.

Между компонентами системы, а также между компонентами системы и среды имеется множество разнообразных связей. Связи между компонентами системы принято называть внутренними, между компонентами системы и среды – коммуникативными.

Среди множества связей в системе имеются связи, необходимые для функционирования системы в направлении достижения цели. Благодаря этим связям совокупность компонентов приобретают системные свойства (свойство целостности). Такие связи называют структурными или системообразующими.

На систему действуют внутренние и внешние (со стороны среды) возмущения, они стремятся разрушить систему, препятствуя достижению ее цели. Благодаря структурным связям система сохраняет свои свойства и структуру при воздействии возмущений, изменении внешних и внутренних условий.

Благодаря системообразующим (структурным) связям между компонентами их совокупность приобретает системные свойства, отсутствующие у компонентов системы. Совокупность компонентов и структурных связей определяет структуру системы.

Каждый компонент обладает определенной функцией, которая обуславливается его объективными свойствами и структурными связями. Исполнение компонентом своей функции дает определенный результат вне этого компонента – в надсистеме. Например, функция двигателя (в составе ракеты- носителя) – генерировать тягу, ее результат сообщение ракете-носителю ускорения и в конечном результате требуемой скорости. Другой пример – функция ракеты носителя (в составе комплекса ракеты-носителя) выведения КА на орбиту, ее результат построения орбитального комплекса.

Иерархии компонентов соответствует иерархия их функций, на верхнем уровне которой находится функция системы. Функция системы не совпадает ни с одной из функций компонентов и определяется структурой системы. Так, например, компоненты ракеты – носителя создают силу тяги (двигательная установка), 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.

Каждый компонент системы, выполняя свою функцию, реализует при этом определенную физическую операцию. Компоненты, связанные друг с другом функционально, образуют функциональную структуру системы.

Описание компонентов системы, структурных и коммуникативных связей принято называть моделью структуры. Наиболее распространенный вид модели структуры – структурная схема. Возможно также описание структуры в виде списка или таблицы.

Понятие иерархия является одно из ключевых в системотехнике, так как системный подход может быть реализован только на основе иерархического подхода к системе, функциям, задачам, критериям и т.д.

В частности иерархия задач предполагает членение общей задачи на частные. (Операцию разделения нечто целого на части называют декомпозицией.) Цель декомпозиции и упростить процедуру решения общей задачи проектного решения (оптимизации) к решению совокупности частных задач (субоптимизации). Основное требование к декомпозиции общей задачи на частные состоит в том, чтобы каждая частная задача, любого уровня сложности, была замкнутой и одновременно общей. Частное решение лишь тогда не противоречит интересам системы в целом, когда оно дает возможность анализировать влияние различных параметров и характеристик исследуемой подсистемы однозначно.

Так, если объектом разработки является семейство (система) космических ракетных комплексов (применительно к созданию семейства КРК «Ангара»), то на первом иерархическом уровне исследуется комплекс в целом и решаются следующие три основные задачи:

- целесообразность создание нового семейства (системы);

- определение схемного решения семейства (системы);

- распределительная задача.

На втором уровне исследуется совокупность компонетов комплекса. Основные задачи этого уровня:

- исследование структуры и эффективности комплекса;

- обоснование технического задания (ТЗ) на компоненты

комплекса.

На третьем уровне проектирование разделяется на несколько направлений. Объектами проектирования являются РН собственно и другие входящие в комплекс системы наземного обслуживания. Задачами, решаемыми на этом этапе, являются:

- определение схемного решения объекта (например, РН);

- определение проектных параметров объекта;

- оценка эффективности объекта;

- обоснование ТЗ на подсистемы объекта.

На четвертом уровне разрабатываются подсистемы РН (двигательная установка, система управления и др.).

Техническая система создается для достижения определенной цели, сформулированной Человеком. Эта цель может быть какой-либо тривиальной, например распределение электрической энергии, или такой грандиозной, как пилотируемый полет на Марс. Цель должна быть предельно ясно определенной и понятной, с тем, чтобы могли быть выбраны компоненты, обеспечивающие желаемый выход при заданном перечне исходных данных (входе в систему).

Очень важно определить цель системы так, чтобы потребности заказчика были удовлетворены наилучшим образом. Любая деятельность человека имеет целенаправленный характер, т.е направлена на достижения определенной цели. Цель человека – это субъективный образ желаемого результата. Для реализации своих целей человек создает и использует определенные средства, в частности инструменты, орудия, машины, организации. Системы. Искусственные системы имеют назначение служить средством достижения целей человеком.

При создании системы одной из ключевых проблем является формирование модели цели, представляющей собой список требований, удовлетворение которых обеспечивают достижение поставленной перед системой цели.

С понятием цели непосредственно связаны такие свойства системы как ее качество и эффективность.

Качество системы – одно из важных свойств системы, обеспечивающих ее функционирование и пригодность к выполнению своего назначения. Другими словами, качество системы – одно из ее свойств, обязательных для достижения цели системы, для обеспечения ее работоспособности.

При выборе показателей желательно, чтобы они:

(а) обеспечивали оценку достижения определенного требования;

(б) были чувствительными к выбираемым параметрам

рассматриваемых вариантов решения;

(в) были достаточно простыми, иметь ясный физический смысл, с тем, чтобы не возникало затруднений при интерпретации результатов анализа.

Совокупность показателей может быть представлена в виде n-мерного вектора

Q = , i= 1……n (2.1)

Каждая из компонент этого вектора должна удовлетворять одному из следующих условий:

, т.е. показатель должен быть равен некоторой величине ,

или , т.е. имеет место ограничение на показатель

или , т.е. показатель должен быть минимально (максимально) возможным.

Сформулированные выше требования к показателям качества могут трактоваться как количественная мера цели, ее модель. Такой список может быть получен в процессе конкретизации и уточнения качественного описания назначения системы, указания количественных характеристик производимого действия, объекта, на который направленно действие, условий и ограничений, при которых выполняется действие.

Обычно первые две группы показателей принято относить к показателям качества, определяющих в совокупности качество системы, невыполнение которых приводит к тому, что система оказывается непригодной для решения поставленной задачи; а третью группу показателей относить к показателям эффективности, которые используются в качестве количественной меры для принятия решения.

Различие между этими группами состоит в том, что первые позволяют выявить альтернативы технических решений, а вторые – выбрать из них лучшие.

Эффективность системы, как понятие, можно трактовать как фактический или ожидаемый результат (эффект) функционирования системы, служащий средством достижения цели надсистемы или как количественный показатель, отражающий в какой степени системой достигнута поставленная цель. Показатели эффективности обычно тесно связаны с характеристиками системы. Именно один из показателей эффективности часто используется в качестве критерия в задачах оптимизации. Рассмотрим два простых примера. Одной из основных характеристик средств выведения является масса выводимой на орбиту полезной нагрузки. Естественным в таком случае является использовать в качестве показателя эффективности именно эту характеристику. Для большинства научных программ в составе характеристик можно встретить вероятность выполнения поставленных задач. В таком случае в качестве критерия эффективности может быть использован этот показатель. Такой подход является упрощенной процедурой принятия решений, так как на практике не представляется возможным достаточно уверенно из множества реальных показателей эффективности выбрать один, определив его как критерий для принятия решений.

В более строгой постановке задач принято использовать многокритериальный подход, т.е., использовать для принятия решений одновременно несколько наиболее значимых показателей эффективности. Такая постановка задача, сопряженная со многими математическими проблемами, которые на практике стараются обойти, переходя к монокритериальной постановке задач, выбирая в качестве критерия какой-то обобщенный показатель, учитывающий относительную значимость показателей эффективности. В такой постановке задачи появляется другая проблема - определение относительной значимости показателей, которая к конечном итоге устанавливается экспертами с использованием каких-либо формализованных процедур.

В обоих примерах в качестве показателя эффективности используются технические характеристики. Однако наибольшую практическую ценность представляет экономическая эффективность. Среди показателей экономической эффективности наиболее значимым является величина прибыли, представляющая собой разность между полным экономическим выигрышем и затратами. Привлекательность такого показателя девальвируется из-за очень низкой точности его оценки, особенно вначале разработки таких сложных и уникальных изделий, какими являются изделия космической техники.

Эффективность является внешним свойством системы, оно проявляется в надсистеме. Надсистема вынуждена «платить» за получение эффекта функционирования системы, «платить» затратами ресурсов на создание и эксплуатацию системы (денег, оборудования, материалов, энергии, рабочей силы и т.д.) Затраты ресурсов на создание и эксплуатацию системы – внешнее по отношению к системе явление: затраты происходят в надсистеме.

Без учета затрат ресурсов эффективность сама по себе не дает оснований для выбора лучшей из возможных вариантов системы. Можно добиться очень высокой эффективности за счет чрезмерных затрат, но ресурсы всегда ограничены. Если стремиться к наименьшим затратам, то можно получить очень низкую, неприемлемую эффективность. Существует много альтернатив достижения цели системы; для каждой из них требуются различные затраты ресурсов. Следовательно, предпочтительную альтернативу можно выбрать только с помощью критерия, учитывающего как эффективность системы, так и затраты на ее создание и эксплуатацию.

С учетом вышеприведенных соображений для принятия решения по выбору варианта системы особый интерес представляет соотношение «эффективность - стоимость».

Под стоимостью в таком случае принято понимать общее количество затраченных на проектирование, изготовление и эксплуатацию ресурсов. Так как эти ресурсы весьма многообразны по форме (материалы, энергия, работа персонала и т.д.), то их представляют в виде денежной меры (в рублях, долларах или в каких-то условных денежных единицах).

Экономически эффективная система должна обеспечивать баланс между стоимостью и эффективностью: система при некотором количестве израсходованных ресурсов должна обеспечить максимальную эффективность, или должна быть предельно дешевой при достигнутой эффективности. Очевидной слабостью такого подхода является тот факт, что любой из вариантов, способный достичь поставленной цели, будет иметь разные значения для этой пары, т.е., стоимость-эффективность. Тем не менее, результаты такой оценки представляют интерес, так как позволяют сформировать некоторую обобщающую зависимость между эффективностью и стоимостью (Рис.2.1).

Кривая на этом рисунке является огибающей для всех достижимых значений эффективности для текущего уровня технологий с позиции «эффективность - стоимость». То есть, точки над этой кривой представляют решения, которые не могут быть реализованы доступными в данный момент располагаемыми технологиями (что не исключает их реализацию в будущем).

Точки под кривой представляют решения, которые реализуемы при текущем уровне технологий, но, очевидно, что наилучшими являются решения, представляемые точками на кривой, которые принято называть экономически эффективными решениями.

Следует иметь в виду, что переход к более высоким показателям эффективности, т.е., движению по кривой слева на право, сопряжено с большим риском (Рис.2.2), так как для более эффективных решений, как правило, имеет место выше уровень неопределенности при рассмотрении такой задачи в вероятностной постановке. Рис. 2.1 и Рис. 2.2 являются иллюстрацией характерных для системного инженера дилемм:

- снижение стоимости при фиксированном уровне риска сопряжено со снижением характеристик,

- снижение уровня риска при фиксированной стоимости сопряжено со снижением характеристик,

- снижение стоимости при фиксированных характеристиках сопряжено с повышением риска,

- снижение риска при фиксированных характеристиках сопряжено с повышением стоимости.

В системотехнике (как упоминалось выше) понятию «эффективность», как и к понятию «задача», сопутствует понятие иерархия показателей эффективности. Системный подход к построению иерархии показателей эффективности выражается в подчинении показателей эффективности в частных задачах показателям в вышестоящих задачах. Т.е. для успешного проведения декомпозиции – субоптимизации необходимо чтобы как задачи, как и показатели, выбираемые в каждой задаче, были увязаны в единую иерархическую систему. В противном случае оптимизация в рамках решения частной задачи может привести к тому, что критерии, используемые в ней. Кажущиеся правдоподобными, будут несовместимы с критериями для системы в целом.

Литература.

5. Основы синтеза систем летательных аппаратов: А.А. Лебедев и др.: - М.: Изд-во МАИ, 1996. – 444 с.: ил.

6. Новые наукоемкие технологии в технике: Энциклопедия Т.21. /Под общ. Ред. К.С.Касаева – М.: ЗАО НИИ «ЭНЦИТЕХ»,2002. 554 с.

7. Лебедев А.А., Нестеренко О.П. Космические системы наблюдения: синтез и моделирование. М.: Машиностроение, 1991. 224 с.

8. Гайкович А.И. Основы проектирования сложных технических систем. – СПб.: НИЦ «МОРИНТЕХНИКА», 2001, -432 с.

9. Дружинин В.В., Конторов Д.С. Системотехника. М.: Наука, 1985. 200с.

10. Blanchard, B.S., and W.J. Fabrycky, Systems engineering and analysis, Prentice Hall, Inc., Upper Saddle River, N.J., 1998

11. NASA Systems Engineering Handbook, NASA, SP-6105, 1995. 154 p.