книги из ГПНТБ / Мясников, В. А. Программное управление оборудованием

этого условия отличает всякую действительно целостную систему от простого конгломерата каких-либо элементов. Применительно к нашей конструкции системой будем считать п каких-либо пере­ менных х ъ х 2, . . хп, связанных уравнениями:

F,■(хи х2, ..., хп) = О, / —-1. 2 , . . т\ т < п,

где Fj является дифференцируемой функцией в заданной области

изменения переменных.

Всякая система как данная качественная определенность отно­ сительна. Она может заключать в себе системы меньшего порядка и, в свою очередь, входить в виде составного элемента в систему большего порядка. Применительно к нашей конструкции это

Такое объединение будем называть коллективом.

Определив таким образом систему, перейдем к определению среды и связи между средой системой и попытаемся исследовать построенную модель «система—среда» с помощью аппарата диф­ ференциальных уравнений с неопределенными коэффициентами.

Относительно среды будем полагать, что она обладает беско­ нечным числом степеней свободы, состоит из бесконечно большого числа элементов, при этом лишь некоторые из них контактируют с рассматриваемой нами системой.

Система обладает степенями свободы x lt . . ., хп, при этом лишь

или иным элементам среды, число которых бесконечно велико. Будем полагать, что целью системы является такое поведение, чтобы рассогласования Ab . . ., Ак все время были равны нулю,

какие бы новые элементы среды ни вступали в контакт с систе­ мой. Если х х = у ъ х 2 = у о, . . ., хк = ук, то система адекватно

отражает среду и эта цель достигнута.

11

Если же имеют место не равные нулю рассогласования, то они воздействуют через механизмы обратной связи ОС как на систему, так и на среду (рис. 1). В блоке управления системы БУ вырабаты­

ваются такие командные сигналы, которые должны свести рас­ согласования Дь . . . . Ак к нулю.

Какими же механизмами располагает система, чтобы достичь поставленной цели?

Для того чтобы ответить на этот вопрос, опять обратимся к структуре дифференциальных уравнений, описывающих нашу систему. Эти дифференциальные уравнения включают в себя не-

Рпс. I. Блок-схема модели «система — внешняя среда»

определенные коэффициенты us, которые могут быть использованы

блоком управления для приспособления (подстройки) системы в функции от Ах, . . ., ЛА. Этот приспособительный аппарат назовем самонастройкой.

Но система может приспособиться к среде не только варьируя коэффициенты us. В блоке управления после анализа Ах, . . .

. . ., Ай может быть найдена такая функциональная связь между переменными

F (хъ . . ., хп) = О,

наложение которой позволит уменьшить рассогласования. Най­ денная функциональная зависимость будет отражать более посто­ янную связь между переменными среды, т. е. закон — ограниче­ ние, которое на эти переменные наложено. Этот способ приспособ­ ления назовем обучением или самообучением.

Таким образом, наша система обладает двумя средствами для приспособления к внешней среде — обучением и самонастройкой.

Остановимся на вопросе о соотношении между ними. Отметим, что гибкость, мобильность системы будет определяться числом функций us. Чем их больше, тем система более гибкая, тем она

12

легче приспосабливается к неизученным ею изменениям внешней среды. С другой стороны, число произвольных функций зависит от числа наложенных связей. Эта зависимость такова, что при уве­ личении числа наложенных связей s сначала растет, а потом убы­ вает, т. е. с ростом обученности системы (если степень обученно­ сти отождествить с числом наложенных связей) вначале способ­ ность системы к самонастройке растет, потом проходит максимум и начинает падать (рис. 2). В пределе число произвольных коэф­ фициентов может быть сведено к нулю; в этом случае будем иметь систему с жесткой структурой, которая при самом небольшом изменении внешней среды не сможет правильно функциони­ ровать. Неспособность системы эффективно уменьшать тем или иным способом рассо­ гласования будем отождествлять с гибелью системы, с необходимостью замены старой технологической системы другой, более совершенной.

Отметим, что указанная связь (.между обучением и самонастройкой имеет место только лишь для систем с числом пере­ менных больше шести.

Таким образом, в жизни рассмотрен­ ной системы можно выделить период ро­ ста, когда по мере роста обученности растет число коэффициентов щ, период

расцвета или зрелости системы, когда число коэффициентов us остается при­

мерно постоянным, и период упадка, когда система переучилась и наложение

новых связей ведет к уменьшению us, к уменьшению гибкости си­

стемы. В условиях непрерывного обучения система с конечным чис­ лом степеней свободы непременно должна погибнуть в указанном выше смысле. Гибель системы является результатом противоречия между двумя способами отражения — обучением и самонастройкой.

Какими же возможностями располагают системы, чтобы избе­ жать такого исхода?

Во-первых, если система устроена так, что она может опера­ тивно снимать часть из наложенных связей, забывать кое-что из ранее выученного, то она может повышать свою гибкость и даже поддерживать ее на максимуме. Для этого число наложенных связей должно быть примерно равно половине от числа степеней свободы системы.

Во-вторых, система может увеличить число своих координат, увеличить п, что повышает ее способность как к обучению, так

и к самонастройке.

В-третьих, системы могут объединиться в коллектив, что также сильно увеличивает число коэффициентов us. Действительно, если

13

имеем одну систему из пх переменных с тх наложенными связями и другую систему с переменными и ни наложенными связями, то

При объединении этих систем в коллектив, т. е. при т общих связях, получим систему с пх + /г2 переменными и пгх -|- т 2 + т

связями, при этом число произвольных функций в объединенной системе, коллективе,

с__ r>m,-|-ms+ m + l

й!(0 Л -------

При этом может быть sK0JI > sx -)- s2, т. е. объединение систем

3.ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕХАНИЗМА КУЛЬТУРЫ

ССУММОЙ ТЕХНОЛОГИЙ

Внутри механизма культуры человеческого общества форми­ руются заказы, которые реализует технологическая система. С другой стороны, продукция технологической системы влияет самым непосредственным образом на весь механизм культуры и на формирование новых потребностей (рис. 3). Взаимодействие этих двух механизмов является чрезвычайно важным фактором. Вы­

числительная техника, вы­ полняя функции по пере­ работке, накоплению и обобщению информации как внутри механизма культуры, так и внутри технологических систем должна отражать наибо­ лее адекватным образом структуру задач этих си­ стем [23].

В результате очень сложных процессов внутри механизма культуры перед отдельными технологическими подси­

стемами ставятся задачи по разработке и выпуску новых видов продукции и модернизации старых. Поставить задачу — это зна­ чит сформулировать ее на том или ином языке. Человека или группу лиц, которые формулируют задачу, будем называть За­ казчик. После того как задача сформулирована, ее требуется решить. Решить задачу — это значит получить ответ, понятный Заказчику. Таким образом, подразумевается, что Заказчик обла­ дает определенным словарем и системой правил для построения высказываний с соответствующей интерпретацией — иначе ом не смог бы сформулировать задачу.

14

Задачу берется решить Исполнитель, работа которого заклю­ чается в том, чтобы получить ответ на поставленную задачу. Иногда для этого Исполнитель должен произвести выкладки на бумаге, иногда для получения ответа он должен разработать и испытать устройство. Работа Исполнителя при решении больших задач оказывается сложной, выполнить ее может лишь коллектив людей разных профессий, вооруженных техникой. Например, пер­ вым этапом решения задачи может быть разработка соответствую­ щей математической модели, вторым этапом ■— разработка техно­ логии и изготовление соответствующей физической модели или самого изделия, с помощью которого и можно решить задачу.

Каждый из Исполнителей этих этапов является носителем своего профессионального языка. При построении математической модели это формульный язык математики с соответствующим словарем (тезаурусом) и правилами оперирования терминами и знаками. При синтезе радиотехнического устройства это язык электро- и радиотехники (в частности, в словарь такого языка вхо­ дят радиотехнические элементы: резисторы, конденсаторы и дру­ гие детали), а правила построения грамматически правильных фраз—это правила соединения этих элементов для построения раз­ личных функциональных блоков. Таким образом, процесс решения задачи сводится к переводу определенного текста, сформулирован­ ного Заказчиком, на язык Исполнителей. Мы здесь не будем оста­ навливаться на всех сторонах принятия решений. Для нашего рассмотрения важен лингвистический аспект этого процесса.

В процессе перевода с одного языка на другой возникает

дет ли перевод однозначным? С какими затратами связан такой перевод?

Например, если требуется спроектировать радиотехнический блок, то очевидно, что из одних пассивных элементов далеко не всякий блок может быть изготовлен. Включение в словарь уси­ лительных элементов расширяет возможности реализации радио­ технических блоков. В -этом случае может быть решено больше задач, т. е. больше задач переведено на язык радиотехнических схем. Далее, один и тот же функциональный блок может иметь различные схемы, т. е. перевод в данном случае неоднозначен. Затраты на.перевод определяют сложность автоматизации про­ изводства этих радиотехнических схем. При использовании вычи­ слительной машины для управления таким производственным процессом эти затраты могут определяться объемом памяти и чи­ слом вычислительных операций, необходимых при трансляции

сязыка функциональных блоков на язык радиотехнических схем.

Внастоящее время лингвистика вплотную подошла к решению этих вопросов.

Ответ на вопрос о возможности перевода с одного языка на другой связан с анализом идиоматики этих языков. Чтобы сделать

15

возможным перевод. Исполнителю иногда требуется увеличить свой словарь: разработать новые радиотехнические элементы или новую математическую теорию.

Ответ на вопрос об однозначности перевода связан с анализом изоморфизма и гомоморфизма переводимых языков. Чаще всего при переводе с языка Заказчика на язык Исполнителя языки оказываются гомоморфными. И если при переводе естественных языков, например с английского на русский, наличие синонимов усложняет перевод и является нежелательным, то при решении технических задач неоднозначность языков является весьма жела­ тельным свойством, позволяющим обойти многие трудности реа­ лизации.

Ответ на вопрос о затратах на перевод в настоящее время полу­ чил в ряде случаев точное количественное решение и определяется объемом программы-трансляторов. Чтобы уменьшить сложность трансляции, пытаются разрабатывать по возможности близкие языки. Близость языков оказывается возможным измерять объе­ мом программы-транслятора.

Будем предполагать, что решение задачи Заказчика существует, т. е. возможен перевод с исходного языка на языки Исполнителей. Но в процессе решения задачи помимо отмеченных выше трудно­

ный из пх элементов словаря (словарь содержит Ыг разных слов) с помощью Z x различных правил, и имеется соответствующий ему

текст Исполнителя 7%, построенный из п2 элементов словаря (сло­ варь содержит jV2 разных слов) с помощью Z2 правил. Под дейст­ вием помех оба эти текста искажаются, при этом нарушается соот­ ветствие между ними. О мере соответствия этих текстов Заказчик и Исполнитель договариваются предварительно. Для разных за­ дач эта мера может быть различной. Влияние помех уменьшают раз­ личными способами. Можно изменять АД, Zx, пх, М2, Z2, п 2,

сохраняя эквивалентность переводимых текстов. При введении избыточности пытаются пользоваться изменением только лишь Zlt пъ Z 2, /г2, оставляя неизмененными А/ф и АД. При этом в ка­

честве текста Заказчика будем иметь Т\, а в качестве текста Испол­

из Т\ в Т2.

Как показывает опыт, введение избыточности часто является мощным средством для увеличения помехоустойчивости. Однако

16

не всегда’ введением избыточности можно преодолеть мешающее действие помех. Иногда добиться этого можно только введением новых слов (увеличением и М2) в алфавиты Заказчика и Испол­

нителя, т. е. изобретением новых конструкционных материалов, новых функциональных элементов, введением новых математичес­ ких понятий и т. п.

Технологический процесс тоже можно рассматривать как про­ цесс перевода с одного языка на другой. Каждый уровень управле­ ния технологией является носителем своего проблемно ориенти­ рованного языка. Любая система является единством трех компо­ нентов: материала, энергии и информации. Наибольшее распро­ странение имеет точка зрения, что для технологических процессов главную роль играет переработка материалов, а информационный аспект остается в тени. Но задачи комплексной автоматизации нельзя решить, оставаясь на такой точке зрения. С точки зрения управления, технологический процесс следует рассматривать и как процесс переработки информации.

Действительно, заготовка, поступившая в цех, постепенно ста­ новится носителем все большего количества информации по мере прохождения цепочки технологических операций, до тех пор пока она не превратится в готовое изделие. Разработка информацион­ ного и лингвистического аспектов протекания технологических процессов является самой актуальной задачей.

Человек в борьбе за жизнь включен в два процесса: во-первых, он выступает как потребитель материальных, вещных ценностей, которые ему предоставляет вся сумма технологий, во-вторых^, является аккумулятором информации. Обе эти стороны жизненно необходимы; если для человека как биологической особи доста­ точно первой, то социальное бытие подразумевает наличие обеих. Потребности, удовлетворение которых может осуществляться путем накапливания некоторых резервов, образуют особую группу. Они являются объективной основой приобретения орга­ низмом сверхгенетической информации. Имеем ли мы дело с ма­ териальным накоплением каких-либо предметов или с памятью в ее кратковременных или долговременных, личных или коллек­ тивных формах, перед нами, по сути дела, один и тот же процесс, который может быть определен как процесс возрастания информа­ ции. Понимание сущности культуры как информации не означает,

что культура — склад информации. Это чрезвычайно сложно ор- Д ганнзованный механизм, который хранит информацию, постоянно вырабатывая для этого наиболее выгодные и компактные формы,

организованная. Именно момент организации, проявляющийся как некоторая сумма правил, ограничений, наложенных на си­ стему, выступает в качестве определяющего признака культуры.

Определение культуры как подчиненной структурным правилам знаковой системы позволяет смотреть на нее как на язык в общесемиотическом значении этого термина. Культура неизбежно принимает характер вторичной системы, надстраиваемой над тем или иным принятым в данном коллективе естественным язы­ ком, и по своей внутренней организации воспроизводит структур­ ную схему языка. Но при более детальном рассмотрении нетрудно убедиться, что культура каждого коллектива представляет собой совокупность языков и что каждый из его членов выступает как

функционируя на фоне «некультуры», оставаясь в сложных с ней отношениях. Переведение одних и тех же текстов в другие семио­ тические системы, идентификация различных текстов, перевод некоторого участка действительности иа тот или иной язык куль­ туры, запоминание и стирание из памяти тех или иных текстов и т. д. — таковы сложные процессы внутри механизма культуры. В результате этих глубинных процессов перед технологической системой формируются новые заказы и отменяются старые. В связи с этим большой интерес представляют вопросы: каково разнооб­ разие заказов и какова динамика изменения заказов во времени? Ответы иа эти вопросы позволили бы определить структуру инфор­ мационно-вычислительных систем управления технологией. Но, к сожалению, вследствие неизученное™ механизма культуры полу­ чить даже приблизительные ответы сейчас нельзя. Можно лишь определить грубые границы разнообразия заказов.

По-видимому, верхняя граница разнообразия будет опреде­ ляться тем, что каждое изделие будет создаваться по индивидуаль­ ному заказу, а нижняя граница — тем, что для всех изделий имеется только одна модификация. Реальное положение значе­ ния разнообразия заказов располагается где-то между этими гра­ ницами. В настоящее время можно лишь констатировать ежегод­ ное увеличение номенклатуры выпускаемых изделий и увеличение сложности изделий, что выражается в росте количества деталей, входящих в одно изделие, и количества технологических операций, необходимых для обработки одной детали.

Лингвистический подход к описанию и механизма культуры и суммы технологий позволяет рассматривать взаимодействие этих систем. Любое изменение в знаковой структуре одной из систем отзывается соответствующим изменением в знаковой структуре другой.

4. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ

Основными характеристиками работы системы будем считать надежность и точность функционирования. Часто эти понятия раз­ личают, но мы будем их рассматривать как одну характеристику.

18

Под надежностью или точностью будем понимать некоторую меру сходства между действительным поведением системы и тем пове­ дением, для которого она предназначена.

В настоящее время является общепризнанным, что повысить функциональную надежность и точность различных информацион­ ных систем — вычислительных, управляющих и др., — можно двумя способами.

Первый способ — увеличением надежности и точности функ­ циональных элементов: он связан с совершенствованием техноло­ гии, использованием новых физических принципов, увеличением чистоты применяемых материалов и т. д.

Второй способ — улучшение организации систем, когда пы­ таются синтезировать надежную систему из малонадежных эле­ ментов или точную систему из элементов с меньшей точностью. Этот способ связан с использованием избыточности различного вида. Если требуется решить задачу, то из заданного выбора эле­ ментов или блоков программы составляется схема, которая позво­ ляет получить решение при отсутствии помех различного рода. Эта схема будет минимальной, если удаление из нее одного из элементов или блоков приводит к нарушению функционирования. Всякая другая схема по сравнению с этой минимальной будет счи­ таться избыточной. Иногда избыточность определяют как отноше­ ние числа элементов, действительно используемых при синтези­ ровании системы, к минимальному числу элементов, теоретически необходимому для осуществления необходимого поведения.

Наиболее общий способ описания поведения различных сис­ тем — это таблица или протокол, в котором записаны числа,со­ ответствующие состояниям входов и выходов системы для каж­ дого момента времени. В принципе такой способ описания приме­ ним к любым системам, но с ростом сложности систем таблицы, описывающие их поведение, становятся очень громоздкими. В про­ цессе развития науки были найдены более экономные способы описания поведения систем — дифференциальные и конечные уравнения, логические функции и т. д., которые позволяли по­ лучить компактное описание отдельных классов таблиц. Но табличное или протокольное описание поведения и по сей день остается наиболее общим способом, к тому же для многих случаев не найдено способов экономного описания. Поэтому представ­ ляется целесообразным рассмотреть вопрос об использовании избыточности именно при табличном описании поведения систем.

Пусть имеем систему с определенным числом входов и выходов, и пусть задана таблица чисел, соответствующих состояниям вхо­ дов и выходов для определенных моментов времени. Эта таблица задает требуемое поведение системы. Действительное поведение бу­ дет отличаться от требуемого из-за действия различного рода помех.

Возникает задача обеспечить требуемое функционирование несмотря на действие помех. В настоящее время имеется два раз­ личных подхода к решению этой задачи.