Понятие система и ее изменяемость. Модель и ее свойства

Возможно решение двух видов технических задач:

• разработка технической системы (задача синтеза). Здесь конеч­ный вид системы еще неизвестен и невольно приходится опе­рировать с ее приближенными представлениями;

• исследование реальной системы (задача анализа). Здесь полу­чение обозримого и понятного описания, удобство работы и ре­альность проведения исследований требуют упрощения изу­чае­мой системы и исключения из рассмотрения второстепен­ных факторов.

Эффективность решения за­дачи зависит и оттого, на­сколько полно учтены все связи как меж­ду частями рассматри­ваемого объекта, так и с взаимодействую­щими с ним другими объектами. Поэтому целесообразно любой объект, сложный ли он или простой, рассматривать как систему.

Внутри такой системы можно выделить логически свя­занные бо­лее простые части - подсистемы, единство частных свойств кото­рых и образует качественно новые свойства сис­темы. С другой стороны, ряд систем могут быть взаимосвязан­ными и образовы­вать более общую систему, которую называют подсистемой. На­пример: система "лампочка" включает подсис­темы "цоколь", "колба", "нить накаливания", а с другой стороны, является частью, например, такой надсистемы, как "настольная лампа".

Все три понятия - подсистема, система, надсистема - от­носи­тельны и их конкретное содержание определяется назначе­нием объекта и условиями его применения. Так, в предыдущем примере система "настольная лампа" будет подсистемой для системы "жи­лая комната".

Технические системы предназначены для людей, ими созда­ются и эксплуатируются. Поэтому человек также обязан рассмат­риваться в качестве одной из взаимодействующих сис­тем. При этом должно приниматься во внимание не только фи­зическое взаимодействие, но и духовно-эстетическое воздейст­вие.

Технические системы активно взаимодействуют и с окру­жающей средой, испытывая влияние внешних нагрузок, измене­ния температуры, влажности и других факторов. В то же время систе­мы сами оказывают влияние на эту среду, загрязняя ее продуктами износа и утечками веществ, выделяя тепло и т. п. Внешняя, или как ее еще называют - жизненная среда, также должна рассмат­риваться в качестве системы, взаимосвязанной с проектируемым объектом. Жизненная среда конкретизирует ус­ловия применения и производства объекта проектирования, влияет на выбор показате­лей качества.

Изменяемость во времени. Технические системы не воз­никают мгновенно и в никуда не исчезают, а как и живой орга­низм находятся в постоянном развитии. Эти системы и связан­ная с ни­ми деятельность последовательно проходят ряд этапов:

• планирование работы,

• проведение исследований и проектирование,

• производство,

• эксплуатация,

• утилизация (переработка и захоронение вышедшего из упот­ребления изделия).

Все вместе, т. е. период от возникновения потребности в соз­дании технической системы до ее ликвидации вследствие ис­чер­пания потребительских качеств, составляет жизненный цикл. Учет этапов жизненного цикла позволяет избежать неожиданно­стей и, следовательно, уменьшить издержки или даже предот­вратить воз­можный ущерб, рационально спланировать деятель­ность по соз­данию и обслуживанию объекта.

С другой стороны, техническая система возникает не на пус­том месте. Важно учитывать историю и предусматривать перспек­тивы развития и применения разрабатываемого объекта, а также областей науки и техники, на достижениях которых ба­зируются соответствующие разработки. Создание новых систем возможно двумя путями - эволюционным, посредством непре­рывных посте­пенных изменений в уже имеющейся системе (введение отдель­ных новых частей, улучшения работы преж­них), и революцион­ным, посредством значительных качествен­ных изменений (замена большинства частей старой системы на новые, разработка прин­ципиально нового объекта, как по конст­рукции, так и по техноло­гии производства).

Примеры применения указанных принципов и их осо­бенности будут приведены в следующих главах.

Всю жизнь нам постоянно приходится соприкасаться с раз­личными системами. Это - физические, биологические, соци­аль­ные, технические и иные системы, а также комбинированные сис­темы. С техническими системами, их разработкой, производ­ством и эксплуатацией, связана деятельность инженера (назва­ние про­исходит от латинского слова ingenium и переводится как "способность, изобретательность").

Техническая система - целостная, обладающая опреде­ленной структурой совокупность взаимосвязанных средств и предметов труда (элементов). Она включает такие виды продук­ции, как изде­лия (от небольшой гайки до огромных турбин) и сооружения (от мелких построек до крупных транспортных се­тей, технических комплексов, промышленных комбинатов). Вне людей технические системы не существуют - людьми разраба­тываются, изготовляют­ся и эксплуатируются, и уже изначально фактически являются частью комбинированных, человеко-тех­нических систем (их еще называют человеко-машинными сис­темами).

Свойства технических систем не сводятся к сумме свойств от­дельных ее элементов. И поэтому, работа с ними требует зна­ния, как составляющих их элементов, так и особенностей об­разованной на их основе всей системы в целом. Кроме того, характер и осо­бенности проектирования зависят от вида раз­рабатываемой систе­мы.

 

Упрощенное представление реальной системы и проте­каю­щих в ней процессов называется моделью. Построение моде­лей - моделирование, облегчает изучение имеющихся в системе объективных свойств и закономерностей, поскольку сложность любого материального объекта бесконечна вследствие неисчер­паемости материи и форм его взаимодействий внутри себя и с ок­ружающей средой.

Проектирование тесно связано с моделированием, так как не только включает в себя обе эти задачи, но и основывается на уме­нии выбора и применения тех или иных видов моделей. По­этому напомним основные понятия, используемые в моделиро­вании.

 

Требования к моделям

 

Моделирование всегда предполагает принятие допущений той или иной степени важности. При этом должны удовлетворяться следующие требования:

• адекватность, т. е. соответствие модели исходному объекту и учет, прежде всего, наиболее важных качеств, связей и харак­теристик. Оценить адекватность выбранной модели, особенно на начальной стадии проектирования, когда вид создаваемого объ­екта еще неизвестен, очень сложно. Здесь полагаются на опыт предшествующих разработок или применяют определен­ные ме­тоды, например, метод последовательных приближений (см. главу, посвященную методам проектирования);

• точность, т. е. степень совпадения полученных в процессе мо­делирования результатов с заранее установленными, желаемы­ми. Важной задачей здесь является оценка, как потребной точ­ности результатов, так и точности исходных данных, согласо­вание их между собой и с точностью используемой модели;

• универсальность, т. е. применимость модели к анализу ряда однотипных объектов в одном или нескольких режимах функ­ционирования. Это позволяет расширить область поиска реше­ний;

• целесообразная экономичность, т. е. точность получаемых ре­зультатов и общность решения задачи должны увязываться с затратами на моделирование. И удачный выбор модели, как по­казывает практика, - результат компромисса между отпущен­ными ресурсами и особенностями используемой модели.

Выбор и обеспечение точности моделирования считается од­ной из самых важных задач.

Погрешности моделирования вызываются как объективными причинами, связанными с упрощением реальных объектов и про­цессов, так и субъективными, обусловленными недостатком зна­ний и навыков, особенностями характера того или иного че­ловека. Погрешности можно предотвратить, компенсировать или учесть. И всегда обязательна оценка правильности получае­мых результа­тов. Часто оценку проводят следующими спосо­бами:

• проверяют соответствие результатов физическому (здравому) смыслу. Удобно это делать для частного случая модели, когда решение очевидно. Иногда даже говорят, что еще перед реше­нием задачи инженер уже должен представлять характер и по­рядок ожидаемого результата. Правда, точность такого пред­ставления зависит от развитости физического воображения и опыта работы с подобными объектами;

• проверяют выполнение очевидных условий задачи,что также позволяет отсечь неприемлемые решения;

• проверяют соблюдение тенденции изменения величин и знаков результатов (монотонность, цикличность, плавность и т. п.);

• проверяют правильность размерности полученного результата (если работа ведется с аналитическими зависимостями). Из­вестно, что посредством грубых измерений, использования при­боров с низкой точностью или на основе приближенных дан­ных невозможно получить точные результаты. С другой стороны, бессмысленно вести, например, расчет с точностью до грамма, если результат потом нужно округлять (скажем, указывать в фор­муляре) с точностью до килограмма, или же определять среднюю величину точнее составляющих ее значений, и т. д. Поэтому важ­но помнить о следующем:

• точность результатов расчетов и экспериментальных исследо­ваний не может превысить точности исходных данных, исполь­зуемых приборов, измерительных инструментов и т. п.;

• вид выбираемой модели должен согласовываться с точностью исходных данных и потребной точностью результатов;

• желаемая точность результатов должна соответствовать нуж­дам и реалиям практики.

 

Виды моделей

 

По способу отображения действительности различают три ос­новных вида моделей - эвристические, физические и матема­тиче­ские.

Эвристические модели, как правило, представляют собой об­разы, рисуемые в воображении человека. Их описание ве­дется словами естественного языка и, обычно, неоднозначно и субъек­тивно. Эти модели неформализуемы, т. е. не описыва­ются фор­мально-логическими и математическими выраже­ниями, хотя и рождаются на основе представления реальных процессов и явле­ний. Эвристическое моделирование - основное средство вырвать­ся за рамки обыденного и устоявшегося. Но способность к такому моделированию зависит, прежде всего, от богатства фантазии че­ловека, его опыта и эрудиции. Эвристиче­ские модели используют­ся на начальных этапах проектирова­ния (или других видов дея­тельности), когда сведения о разраба­тываемом объекте еще скуд­ны. На последующих этапах проек­тирования эти модели заменя­ются на более конкретные и точ­ные.

Физические модели - материальны, но могут отличаться от реального объекта или его части размерами, числом и материа­лом элементов. Выбор размеров ведется с соблюдением теории подобия. К физическим моделям относятся реальные изделия, образцы, экспериментальные и натурные модели.

Физические модели подразделяются на объемные (модели и ма­кеты) и плоские (тремплеты).

Под моделью понимают изделие, являющееся упрощенным по­добием исследуемого объекта.

Под тремплетом понимают изделие, являющееся плоским мас­штабным отображением объекта в виде упрощенной ортого­нальной проекции или его контурным очертанием. Тремплеты вырезают из пленки, картона и т. п. и применяют при исследова­нии и проектировании зданий, установок, сооружений.

Под макетом понимают изделие, собранное из моделей или тремплетов.

Физическое моделирование - основа наших знаний и средство проверки наших гипотез и результатов расчетов. Такая модель позволяет охватить явление или процесс во всемих многообра­зии, наиболее адекватна и точна, но достаточно дорога, трудо­емка и менее универсальна. В том или ином виде с физическими моделя­ми работают на всех этапах проектирования.

Математические модели - формализуемые, т. е. представля­ют собой совокупность взаимосвязанных математических и фор­мально-логических выражений, как правило, отображающих ре­альные процессы и явления (физические, психические, социаль­ные и т. д.). Модели по форме представления могут быть:

• аналитические, их решения ищутся в замкнутом виде, в виде функциональных зависимостей. Удобны, при анализе сущности описываемого явления или процесса, но отыскание их решений бывает весьма затруднено;

• численные, их решения - дискретный ряд чисел (таблицы). Модели универсальны, удобны для решения сложных задач, но не наглядны и трудоемки при анализе и установлении взаимо­связей между параметрами. В настоящее время такие модели реализуют в виде программных комплексов - пакетов программ для расчета на компьютере. Программные ком­плексы бывают прикладные, привязанные к предметной об­ласти и конкретной системе, явлению, процессу, и общие, реализующие универ­сальные математические соотношения (например, расчет сис­темы алгебраических уравнений).

Построение математических моделей возможно следующими способами:

• аналитическим путем, т. е. выводом из физических законов, математических аксиом или теорем;

• экспериментальным путем, т. е. посредством обработки ре­зультатов эксперимента и подбора аппроксимирующих (при­ближенно совпадающих) зависимостей.

Математические модели более универсальны, дешевы, позво­ляют поставить "чистый" эксперимент (т. е. в пределах точности модели исследовать влияние какого-то отдельного фактора при постоянстве других), прогнозировать развитие явления или про­цесса. Математические модели - основа построения компьютер­ных моделей и применения вычислительной техники. Резуль­таты математического моделирования нуждаются в обязатель­ном со­поставлении с данными физического моделирования - с целью проверки полученных данных и для уточнения самой мо­дели.

К промежуточным между эвристическими и математическими моделями можно отнести графические модели, представляю­щие различные изображения - схемы, графики, чертежи. Так, эскизу (упрощенному изображению) некоторого объекта в зна­чительной степени присущи эвристические черты, а в чертеже уже конкрети­зируются внутренние и внешние связи моделируе­мого объекта.

Промежуточными также являются и аналоговые модели. Они позволяют исследовать одни физические явления или математи­че­ские выражения посредством изучения других физических явле­ний, имеющих аналогичные математические модели.

Выбор типа модели зависит от объема и характера исходной информации о рассматриваемом объекте и возможностей проек­тировщика, исследователя. По возрастанию степени соответст­вия реальности модели можно расположить в следующий ряд: эври­стические (образные) - математические - физические (экс­пери­ментальные).

Технические системы различаются по назначению, устрой­ст­ву и условиям функционирования. Следовательно, можно и нужно вносить соответствующие различия и в их модели.

В зависимости от целей исследования выделяют следующие модели:

• функциональные, предназначенные для изучения функцио­нального назначения элементов системы, внутренних связей и связей с другими системами;

• функционально-физические, предназначенные для изучения сущности и назначения физических явлений, используемых в системе, их взаимосвязей;

• модели процессов и явлений, таких как кинематические, проч­ностные, динамические и другие, предназначенные для иссле­дования тех или иных характеристик системы, обеспечиваю­щих ее эффективное функционирование.

Модели также подразделяют на простые и сложные, однород­ные и неоднородные, открытые и закрытые, статические и дина­мические, вероятностные и детерминированные.

Часто говорят о технической системе как простой или слож­ной, закрытой или открытой и т. п. В действительности же под­ра­зумевается не сама система, а возможный вид ее модели, ак­центи­руется особенность ее устройства или условий работы.

Четкого правила разделения систем на сложные и простые не существует. Обычно признаком сложных систем служит много­об­разие выполняемых функций, большое число составных час­тей, разветвленный характер связей, тесная взаимосвязь с внеш­ней средой, наличие элементов случайности, изменчивость во времени и другие. Понятие сложности системы - субъективно и определя­ется необходимыми для ее исследования затратами времени и средств, потребным уровнем квалификации, т. е. за­висит от кон­кретного случая и конкретного специалиста.

Подразделение систем на однородные и неоднородные произ­водится в соответствии с заранее выбранным призна­ком: исполь­зуемые физические явления, материалы, формы и т. д. При этом одна и та же система при разных подходах может быть и однород­ной, и неоднородной. Так, велосипед - однородная механическая система, поскольку использует механические способы передачи движения, но неоднородная по типам материалов, из которых из­готовлены отдельные части (резиновая шина, стальная рама, ко­жаное седло).

Все системы взаимодействуют с внешней средой, обменива­ются с нею сигналами, энергией, веществом. Системы относят к открытым, если их влиянием на окружающую среду или воз­дей­ствием внешних условий на их состояние и качество функ­циони­рования пренебречь нельзя. В противном случае системы рассмат­ривают как закрытые, изолированные.

Динамические системы, в отличие от статических, нахо­дятся в постоянном развитии, их состояние и характеристики изменяют­ся в процессе работы и с течением времени.

Характеристики вероятностных (иными словами, стохас­ти­ческих) систем случайным образом распределяются в про­странст­ве или меняются во времени. Это является следствием как случай­но, о распределения свойств материалов, геометриче­ских размеров и форм объекта, так и случайного характера воз­действия на него внешних нагрузок и условий. Характеристики детерминирован­ных систем заранее известны и точно предска­зуемы.

Знание этих особенностей облегчает процесс моделирова­ния, так как позволяет выбрать вид модели, наилучшим образом соот­ветствующей заданным условиям.

Выбор модели того или иного вида основывается на выделе­нии в системе существенных и отбрасывании второстепенных факторов и должен подтверждаться исследованиями или пред­ше­ствующим опытом. Наиболее часто в процессе моделирова­ния ориентируются на создание простой модели, поскольку это позво­ляет сэкономить время и средства на ее разработку. Од­нако повы­шение точности модели, как правило, связано с рос­том ее сложно­сти, так как необходимо учитывать большое число факторов и связей. Разумное сочетание простоты и по­требной точности и ука­зывает на предпочтительный вид мо­дели.