Системный подход при исследовании технических систем

Несмотря на многообразие технических систем, системный подход к ним позволяет выделить их общие черты и характеристики, знание которых обеспечивает более продуктивный поиск новых технических решений.

Техническая система – это искусственно соз­данное материальное единство взаимосвязанных элементов, имеющее целью своего функционирования удовлетворение неко­торой потребности окружения (общества или окружающих тех­нических систем). Цель создания и функционирования ТС определяет главную полезную функцию системы (ГПФ).

В соответствии с ГПФ элементы, составляющие систему, оп­ределенным (закономерным) образом организованы в простран­стве и во времени.

Элементы, образующие систему — это относительно недели­мые части целого. Элемент считается неделимым в пределах со­хранения определенного данного качества системы, что зависит в первую очередь от масштаба рассматриваемой системы. На­пример, автомобиль представляет собой сложное сооружение, со­стоящее из множества частей: двигатель, шасси и т. д. В то же время в системе «автомобильный парк» автомобиль можно считать элементом, то есть неделимым целым, так как сложность его при рассмотрении системы «автомобильный парк» в определенном аспекте может не иметь никакого практи­ческого значения.

Каждый, даже самый простой элемент ТС обладает множест­вом различных свойств: геометрических, механических, физичес­ких, химических и т.д. К примеру, обыкновенный каран­даш. Он имеет определенную форму, размеры, вес, прочность, цвет; грифель его может оставлять следы на поверхности при наличии трения, проводить электрический ток и т. д. В зависимости от того, с чем и каким образом взаимодействует карандаш, осуществляется реализация тех или иных его свойств и выпол­няется та или иная функция: писать, делать дырки в бумаге, служить опорой комнатному цветку, создавать электросопротив­ление. Таким образом, реализация свойств элементов зависит от структуры системы.

Структура — это закономерная устойчи­вая связь между элементами системы, отражающая форму рас­положения элементов и характер взаимодействия их сторон и свойств. Структура делает систему некоторым качественно опре­деленным целым, отличным от суммы качеств составляющих ее элементов — именно за счет того, что обеспечивает взаимодей­ствие элементов только определенными сторонами, свойствами, а не в целом.

Структура — важнейшая характеристика ТС, ибо при одном и том же составе элементов, но при различном взаимодействии между ними меняются и способности системы, ее функции.

Состав и структура системы характеризуются:

- сложностью;

- однородностью в пространстве и во времени (неоднородность во времени имеет вид динамизма элементов и связей между ними);

- сложностью формы движе­ния материи в системе: механической, физической, химической, биологической. (в ТС могут быть использованы те формы движения материи и, соответственно, те природные явления и эффекты, которые человек познал и освоил или осваи­вает технологически).

Как правило, свойства элементов в любой структуре реализуют­ся не полностью, поэтому в ТС всегда имеется множество скрытых свойств и возможностей. Умение выявить и использовать эти свойства — одно из необходимых условий успешного творческого поиска.

Взаимодействие элементов и сопутствующие ему явления и эффекты составляют внутреннее функционирование и определяют принцип действия ТС. В свою очередь, результат внутреннего функционирования проявляется в форме внешних свойств системы, в виде функции ТС. Функция ТС показывает, соответствует ли ТС цели своего существования.

Функции системы, необходимые и доста­точные для выполнения ГПФ, называются элементарными полезными функциями (ПФ). Выполнение каждой полезной фун­кции обеспечивается частью взаимодействующих элементов сис­темы. Эта часть называется подсистемой (ПС). В ряде ТС под­системы выделяются конструктивно, в виде отдельных блоков или отдельной совокупности элементов. Однако чаще всего одни и те же элементы входят в ряд подсистем, обеспечивая выполне­ние нескольких элементарных функций. Например, рама автомо­биля входит в подсистемы обеспечения движения и удержание груза. (В общем случае взаимодействие элементов между собой не совпадает с взаимодействием подсистем). Как и ТС в целом, каждая подсистема имеет свой принцип действия.

Среди полезных функций и соответствующих им подсистем есть своя иерархия. Те полезные функции, выполнение которых непосредственно связано с осуществлением ГПФ, называются основными. Остальные полезные функции, обеспечивающие вы­полнение основных функций, называются вспомогательными.

ТС, как и любую систему, можно представить в виде так называемого «черного ящика» с входами и выходами. Выходы ТС соответствуют ее «способностям», а входы — затратам на функционирование сис­темы. Еще часть затрат идет на создание самой ТС. В физиче­ском аспекте входы и выходы представляют собой чаще всего потоки энергии, вещества и информации.

Входы и выходы далеко неоднородны по своей ценности. Те «способности» и затраты, которые необходимы для выполнения ГПФ, считаются полезными, остальные — избыточными. Избы­точные входы и выходы, как правило, вредные. Например: выхлопные газы автомобиля, шум работаю­щих механизмов. Полезность и неполезность входов и выходов относительна и зависит от ГПФ системы. Например, у электродвигателя, вращающего малошумный механизм, все выхо­ды, кроме вращения вала (вибрация, шум, тепло), будут избы­точными — вредными, а если помещение, в котором работает электро­двигатель, нужно обогревать, то в число полезных способностей попадает и выделение тепла.

Совокупность полезных «способностей» определяет полезный результат функционирования ТС, называемый также функцио­нальным эффектом. А отношение функционального эффекта к за­тратам называется эффективностью системы. В физическом плане эффективность функционирования определяется отношением по­лезного выхода ко всему входу. Для отдельных видов затрат физическая эффективность функционирования имеет вид таких распространенных характеристик, как коэффициент полезного действия, коэффициент использования времени и т.д. Эффективность снижается с ростом избыточности ТС, то есть с увеличением доли неполезных выходов и нереализованных свойств элементов. Выделение и анализ эффективности отдельных подсистем помогает выявлять резервы совершенствования системы: эффективность вспомогательных ПС не должна быть заметно меньшей, чем эффективность ПС ос­новных.

Своими входами и выходами ТС взаимодействует с окруже­нием, осуществляя внешнее функционирование. При этом в окру­жении необходимо выделять объекты (системы), входящие вмес­те с данной ТС в систему более высокого ранга (надсистему — НС) в качестве ее подсистем. Кроме того, взаимодействующие с ТС объекты ее окружения могут входить в соседние надсистемы. Всю остальную часть окружения, связанную с системой, можно считать средой.

Рассмот­ренные основные понятия позволяют на достаточно качественном уровне выполнить анализ ТС, уточняя ее состав, структуру, входы и выходы и т.д.