2298

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ СВОЙСТВ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

И.А. Гарькина, А.М. Данилов, Е.В. Королев

Определены методологические принципы идентификации, синтеза и управления сложных систем с приложениями к разработке композиционных материалов. Границы системы, ее состав, системные свойства, взаимосвязи между элементами, иерархическая структура критериев качества системы определяются, исходя из надсистемы (национальные интересы страны; при предельно допустимых интегративных параметрах – системный кризис). Показана необходимость построения системы моделей по системообразующим классам: идентификация, синтез и управление в рамках какой-либо одной, даже очень сложной, модели невозможны; эффективность использования формальных методов идентификации, синтеза и управления ограничивается непрозрачностью отношений в системе и сложностью ее динамики. Указана возможность

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

использования результатов коллективной многовариантной экспертизы; при многокритериальной оптимизации может эффективно использоваться итеративный способ. Приводятся примеры реализованных на основе системного подхода проектов.

Ключевые слова: сложные системы, композиционные материалы, идентификация, управление, проектирование, системный подход, методологические принципы

DESIGN AND OPTIMIZATION OF PROPERTIES OF COMPLEX

SYSTEMS

I.A. Garkina, A.M. Danilov, E.V. Korolev

The methodological principles of identification, synthesis and control of complex systems with applications to the development of composite materials are defined. The boundaries of the system, its composition, system properties, the relationship between the elements, the hierarchical structure of the system quality criteria are determined on the basis of a super-system (national interests of the country; with the maximum allowable integrative parameters – a system crisis). The necessity of building a system of models according to the system-forming classes is shown: identification, synthesis and management within the framework of any one, even a very complex model, is impossible; the effectiveness of the use of formal methods of identification, synthesis and control is limited by the opacity of relations in the system and the complexity of its dynamics. The possibility of using the results of a collective multivariate examination is indicated; with multi-criteria optimization, an iterative method can be effectively used. Examples of the projects implemented on the basis of a systematic approach are given.

Keywords: complex systems, composite materials, identification, control, design, systems approach, methodological principles

Имеются три взаимосвязанных класса задач, связанных с разработкой сложных систем: идентификация (основных составляющих системы, ее организационной структуры, процедур функционирования и т.д.), синтез и управление [1, 2]. В широком смысле идентификация – это определение модели при неполной информации, а синтез – построение системы управления по модели (не обязательно должна быть математической), которой она описывается. При этом реализация основных направлений идентификации, синтеза и использования знаний не осуществима в рамках какой-либо одной, даже очень сложной, модели. Нужна система моделей. Задачи идентификации связаны в основном с проблемами синтеза и функционирования системы в целом и отдельных ее компонент (подсистем и элементов). Часть задач идентификации формулируется и решается в контексте задач синтеза. Вопросы синтеза тесно связаны с техническими, математическими, философскими, гносеологическими проблемами автоматизации, компьютеризации и информатизации и являются центральными задачами теорий управления и синтеза. С точки зрения теории управления наиболее важными свойствами систем считаются: активность, самоорганизация, нестационар-

ность, неопределенность. Эффективность использования формальных методов при моделировании и идентификации зависит от сложности динамики и прозрачности связей в системе; получить исчерпывающие объективные данные об исследуемой системе трудно. В связи с этим при идентификации систем используется не только количественная, но и экспертная информация, получаемая методами коллективной многовариантной экспертизы.

Начальным этапом и методологической базой определения механизма управления (связана взаимными отношениями с группой непротиворечивых способов управления для достижения заданных целей) в целом и отдельных его компонентов является построение концептуальной модели.

В сложной системе один и тот же элемент в разных случаях может выступать как управляющий или управляемый. Один и тот же элемент может входить в разные подсистемы и участвовать в одной или нескольких временных коалициях. Образование коалиций может быть одним из видов управления (средством достижения определенной цели) или спорадическим (так же преследующим определенную цель). Все это приводит к необходимости построения моделей, распределенных по системообра-

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

зующим классам, являющихся базой для формирования взаимосвязанных направлений синтеза (вертикальном, горизонтальном, компонентно-структурном и др.). Так, результатом логического синтеза является нормативная логическая модель процесса функционирования системы относительно фиксированных целей. Ввиду сложности логического синтеза обычно производится декомпозиция системы по различным аспектам управления. Особо выделяется абстрактный синтез – построение математической модели или комплекса математических моделей функционирования системы. Математические модели, описывающие процессы функционирования системы, могут быть непрерывными, детерминированными, стохастическими. Они используются для решения задач анализа, устойчивости, качества, эффективности, а также для получения других оценок технологического синтеза. Центральным является технологический синтез; логический и абстрактный имеют вспомогательный характер и выполняются в интересах технологического синтеза. Процессы синтеза и связанные с ними операции идентификации носят перманентный характер; определяются системой целей. Это относится и к созданию перспективных материалов с регулируемой структурой и свойствами: управление должно осуществляться на основе системного подхода (обычно качество системы определяется векторным критерием). Иерархическая структура критериев качества является основой проектирования всей системы и отдельных ее подсистем.

При исследовании систем под закономерностью понимается часто наблюдаемое, типичное свойство (связь или зависимость), присущее многим объектам, процессам и явлениям, устанавливаемое опытом (например, процессы формирования физико-меха- нических характеристик материала). Выявление закономерностей позволяет в значительной степени облегчить перенос знаний об основных процессах, происходящих в сложных системах, из одной области в другую, независимо от их природы. Универсальные закономерности в синергетике сложных нелинейных неравновесных открытых систем позволяют при определенных условиях переносить знания о механизмах бифуркации, деградации, самоорганизации и т.п. с одних систем на другие. Универсальные закономерности помогают определять заранее, в каком направлении и в каких пределах может происходить развитие систем и в каких пределах и направлениях исключается их совершенствование. Универсальные системные закономерности определяют ограничения по управлению сложными открытыми системами различной природы аналогично тому, как известные универсальные законы термодинамики предопределяют рост энтропии, деградации и хаоса для закрытых систем (рост негэнтропии предопределяет процесс организации и самоорганизации открытых систем). Условия самоорганизации или дезорганизации открытых систем определяются на основе общесистемной закономерности возрастания и убывания энтропии. Для стабилизации открытых систем необходимо рационально управлять энтропийными процессами в системах, в том числе точкой энтропийного равновесия, или критическим уровнем организации систем, амплитудой и частотой энтропийных колебаний, отводом излишней энтропии из системы вовне и т. п. Из энтропийной закономерности вытекает важное следствие – зависимость потенциала системы от степени ее организованности или характера взаимодействия структурных элементов системы. Исходя из нее, можно определить зависимость потенциала системы от потенциала структурных элементов для хорошо, плохо и нейтрально организованной системы, что позволяет выработать рекомендации по рациональной организации и управлению системой. Пока среди различных теорий систем в настоящее время еще не существует универсальной, пригодной для различных практических приложений. Это относится и к обшей теории систем Ю.А. Урманцева с ее высокой абстракцией (само определение системы включает более двух десятков признаков-атрибутов; главные признаки-атрибуты: целостность, интегративность, наличие двух и более совокупностей составных элементов, их взаимосвязей и отношений, наличие обмена информацией, энергией или веществом с другими системами или окружающей средой) и поэтому трудно приложимой к практическому решению системных задач. Что касается композиционных материалов, то признаки-атрибуты подробно рассматриваются в [3…5]. В соответствии с распро-

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

страненной мировоззренческой позицией мир устроен целостно и неделимо. Разделение мира на отдельные составные части – это структурирование чисто условное и делается исследователем ради достижения определенных целей, решения определенных задач. Во многих случаях структурирование привычно и общепринято. Существование системы определяется некоторыми основными определяющими ее параметрами. Их сохранение поддерживает существование самой системы и определяет ее гомеостаз. Системный (общий) гомеостаз обеспечивает сохранение интегративного качества, а частный – конкретной компоненты. Влияние изменения системных параметров на систему неодинаково и, в частности, зависит от диапазона изменения. Пока значение системообразующего параметра не выходит за некоторые пределы, сохраняется интегративное качество системы; выход за пределы области частичного гомеостаза ведет к переходу системы в новое качественное состояние без разрушения системы. С выходом параметра за пределы области системного гомеостаза система утрачивает интегративное качество и перестает существовать. Приближение интегративных параметров системы к предельно допустимым порождает системный кризис с непредсказуемыми последствиями и тогда дальнейшее существование системы оказывается под вопросом. Система вступает в зону бифуркации. Под влиянием внутренних или внешних флуктуаций она либо вернется в нормальное состояние, либо перейдет в другие, приобретая новое качество (например, больной острым воспалением легких (зона бифуркации) либо выздоравливает, либо болезнь приобретает хроническую форму, либо он умирает). Объект, как правило, изучается с разных точек зрения и с применением различных формализованных количественных или хотя бы концептуальных моделей при необходимых уточнениях и структурированиях сложного объекта (предварительно выделяются элементы, подсистемы, системы и надсистемы). При структурном исследовании строительных материалов предметом являются строение, фазовый состав, связи, топология и т.п.; при функциональном – динамические характеристики (кинетические процессы сорбции агрессивных сред, разрушения материала и др.), стойкость в эксплуатационной среде, экономическая эффективность (что при неизменной структуре системы зависит от свойств ее элементов и их отношений). Как видим, при решении любой возникающей проблемы прежде всего следует определить границы системы, ее состав, системные свойства, взаимосвязи между ее элементами суть системного подхода). При приближении интегративных параметров системы к предельно допустимым наступает системный кризис. Приложения указанного подхода достаточно полно приводятся в [6…9].

В случае больших сложных систем, сформированных по модульному принципу (в том числе и композиционных материалов), удается производить декомпозицию системы на сепаратные подсистемы, обладающие определенной степенью автономности

(интегративные свойства приближенно можно определить на основе автономных исследований сепаратных подсистем). Здесь каждый элемент иерархической структуры качества системы определяет автономное (без учета всех межсистемных связей) качество сепаратной системы. Результаты автономных исследований модулей можно использовать для определения интегративных свойств (определяются связями между модулями, уровнями и на каждом из уровней; в основном лишь на качественном уровне). Возможность использования при конструировании системы в целом напрямую связана с необходимостью устранения межсистемных связей. Это можно сделать введением настраиваемых эталонных моделей с одновременной децентрализацией модулей по входам. Условия для переноса результатов автономных исследований на систему в целом определяются полнотой понимания процессов формирования структуры и свойств системы. В частности, при определении некоторых свойств материала в зависимости от гранулометрического состава можно использовать ингредиенты из других материалов, но с тем же гранулометрическим составом, что и в синтезируемом материале. Однако необходимо обеспечить аналогичные, по возможности точные, межсистемные связи (например, смачиваемость). При переносе результатов автономных исследований смачиваемости на формирование структуры и свойств материала необходимо знать параметры смачиваемости входящих компо-

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

нентов в стесненных условиях. Принципиально это можно обеспечить использованием настраиваемой эталонной модели, предусматривающей регулирование давления между компонентами. Настройку можно обеспечить использованием экспериментальных данных на образцах.

Используемые традиционно в строительном материаловедении данные о кинетических процессах формирования структуры и физико-механических характеристик материала [10…11] по существу являются результатом автономных исследований отдельных сепаратных модулей. Здесь требуемые параметры кинетических процессов определяются с учетом межсистемных связей. Неявно присутствуют эталонные модели, предусматривающие одновременную децентрализацию по входам. Алгоритмы определения параметров моделей составлялись исходя из характерных точек кинетических процессов [12].

Возможность создания композита и реализация технического задания первоначально определялись на этапе когнитивного моделирования с установлением интенсивных и экстенсивных свойств с выделением управляющих параметров. На основе когнитивной карты определялись иерархические структуры критериев качества, а в соответствии с выделенными критериями качества – соответствующие структурные схемы системы (для каждого выделенного масштабного уровня). Далее осуществлялась

формализация критериев качества системы и разрабатывались математические модели в соответствии с каждым из критериев. Наконец, на основе решения задач

однокритериальной оптимизации с использованием найденных оптимальных значений осуществлялась формализация многокритериальной задачи и ее решение (определялись оптимальное строение и свойства системы – композита).

Особо отметим, польза системного подхода зависит от того, насколько успешно выделен системообразующий фактор и насколько полно установлено его значение для формирования системы. Полезными будут лишь те математические выкладки, которые сформулированы с учетом приоритетных системообразующих факторов.

Так, результаты междисциплинарных исследований на основе системного подхода стали основой создания современных технологий получения материалов специального назначения с заданными свойствами [13…16].

Выводы

1.Определены методологические принципы идентификации, синтеза и управления с приложениями для разработки композиционных материалов как сложных систем.

2.Задачи и иерархическая структура критериев качества сложной системы определяются надсистемой.

3.Самоорганизация, нестационарность, неопределенность определяются как основные свойства системы. При идентификации, синтезе и управлении учитываются реально сложившиеся, а не нормативные составляющие системы.

4.Эффективность использования формальных методов идентификации, синтеза и управления ограничивается существенной и сложной динамикой, непрозрачностью отношений; часто основными являются экспертная информация и методы коллективной многовариантной экспертизы.

5.Идентификация, синтез и управление в рамках какой-либо одной, даже очень сложной, модели невозможны; требуется система моделей по системообразующим классам.

6.При многокритериальной оптимизации может эффективно использоваться итеративный способ.

7.Показана возможность представления строительных материалов как сложных систем с указанием системообразующих атрибутов.

8.Указана методика определения интегративных свойств композиционных материалов на основе автономных исследований сепаратных подсистем.

9.Предложена методика оптимизации рецептурно-технологических параметров материала как многоцелевой, сложной системы с использованием результатов однокритериальной оптимизации по каждому из частных критериев.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

10. Приведенные для синтеза композитов методики можно использовать при разработке и управлении качеством и других сложных технических систем модульной структуры.

Список литературы

1.Прангишвили, И.В. Системный подход и общесистемные закономерности / И.В. Прангишвили. – М.: СИНТЕГ, 2000. – 528 с.

2.Гарькина, И.А. Строительные материалы как системы / И.А. Гарькина, А.М. Данилов, Е.В. Королев // Строительные материалы. – 2006. – № 7. – С.55–58.

3.Данилов, А.М. Современная общая методология идентификации систем: моделирование свойств материалов / А.М. Данилов, И.А. Гарькина // Региональная архитектура и строительство. – №1 (8). – 2010. – С.11–14.

4.Данилов, А.М. Приложение метода ПАТТЕРН к конструированию композиционных материалов / А.М. Данилов, И.А. Гарькина // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2011. – № 1. – С.46–51.

5.Данилов, А.М. Сложные системы модульной структуры: композиты, автономные исследования сепаратных подсистем / А.М. Данилов, И.А. Гарькина // Известия КазГАСУ. – 2011. – № 1(15). – С.152–156.

6.Гарькина, И.А. Когнитивное моделирование при синтезе композиционных материалов как сложных систем / И.А. Гарькина, А.М. Данилов, Е.В. Королев // Известия вузов. Строительство. – 2009. – №3/4. – С.30–37.

7.Гарькина, И.А. Управление качеством материалов со специальными свойствами / И.А. Гарькина, А.М. Данилов // Проблемы управления. – 2008. – № 6.– С. 67–74.

8.Гарькина, И.А. Системный подход к разработке материалов: модификация метода ПАТТЕРН / И.А. Гарькина, А.М. Данилов, Е.В. Королев // Вестник МГСУ. – 2011. – № 2, Т.2. – С.400–405.

9.Гарькина, И.А. Флокуляция в дисперсных системах / И.А. Гарькина, А.М. Данилов, В.А. Смирнов // Системы управления и информационные технологии. – 2008. –

№2.3(32). – С.344–347.

10.Данилов, А.М. Сатурн-технология управления структурой и свойствами материалов как сложными системами / А.М. Данилов, И.А. Гарькина // Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике: сб. статей XI Междунар. научно-техн. конф. – Пенза: ПДЗ, 2011. – С. 40-43.

11.Баженов, Ю.М. Системный анализ в строительном материаловедении: монография / Ю.М. Баженов, И.А. Гарькина, А.М. Данилов, Е.В. Королев. – М.: МГСУ: Библиотека научных разработок и проектов, 2012. – 432 с.

12.Будылина, Е.А. Моделирование с позиций управления в технических системах / Е.А. Будылина, И.А. Гарькина, А.М. Данилов // Региональная архитектура и строи-

тельство. – № 2(16). – 2013. – C. 138–143.

13.Гарькина, И.А. Системные методологии, идентификация систем и теория управления: промышленные и аэрокосмические приложения / И.А. Гарькина, А.М. Данилов, Э.В. Лапшин, Н.К. Юрков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2009. – № 1(9). – С.3–11.

14.Данилов, А.М. Формализация оценки оператором характеристик объекта управления / А.М. Данилов, Э.Р. Домке, И.А. Гарькина // Информационные системы и технологии. – №2 (70). – 2012. – С.5–11.

15.Гарькина, И.А. Управление в сложных технических системах: методологические принципы управления / И.А. Гарькина, А.М. Данилов // Региональная архитектура и строительство. – №1 (12). – 2012. – С.39–43.

16.Гарькина, И.А. Модификаторы для серных композитов специального назначения / И.А. Гарькина // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. – 2008. –

№5, Т.51 – С.70–75.