Модернизация технических систем методология и технология выбора решений. Монография

статков ТС, то есть по возможности стремиться к первому виду модернизации — комплексной модернизации ТС.

Принцип дискретности модернизации ТС. Поскольку необходимо время от времени вносить в ТС ряд улучшений для его модернизации, то целесообразно накапливать их, группировать и вводить вместе через определенные интервалы времени.

Принцип эволюционности модернизации ТС. Ввод улучшений в ТС при его модернизации целесообразно осуществлять в виде поэтапных приближений к «желаемому» качеству его функционирования, чтобы исключить или снизить технический риск и увеличение затрат, характерных для скачкообразного перехода от исходного качества ТС к «желаемому».

Принцип целесообразности очередного этапа модернизации ТС. Очередной этап модернизации ТС, безусловно, целесообразен лишь в случае, если он обеспечит «желаемое» качество ТС при меньших затратах и сроках по сравнению с созданием нового образца.

Нужно отметить, что, несмотря на достаточно «прозрачный» характер перечисленных организационно-методоло- гических принципов, в практике создания и производства технических систем некоторые из них не учитываются. Так, принцип неизбежности модернизации предполагает планирование модернизации системы уже при ее разработке, что при создании отечественных образцов ТС практически не используется. Не всегда соблюдаются и принципы дискретности и эволюционности модернизации образцов ТС, что приводит к увеличению затрат на модернизацию.

Процедурно-методологические принципы

Опыт проектирования, исследования, прогнозирования развития и устранения недостатков различных образцов ТС показывают, что задачи модернизации ТС, приведенные на рисунке 1.1, целесообразно решать, опираясь на три основных процедурно-методологических принципа.

31

Принцип декомпозиции. Свойства любого сложного ТС могут быть в достаточной для практики степени изучены только на основе расчленения ТС на части (подсистемы). Принцип декомпозиции приводит к необходимости формирования иерархической структуры процесса модернизации ТС, соответствующей уровневой декомпозиции модернизируемого ТС.

Принцип интерактивности процесса модернизации.

Эффективное решение задач модернизации ТС может быть получено лишь на основе симбиоза формализованных и эвристические методов поиска необходимых технических решений. Принцип интерактивности вызывает необходимость создания диалоговых (интерактивных) процедур выбора решений, которые обеспечили бы на основе рационального взаимодействия исследователя и ЭВМ выбор рациональных вариантов модернизации ТС.

Принцип моделирования. Задачи модернизации ТС разрешимы лишь на основе моделирования модернизируемых свойств ТС. Это предусматривает создание комплекса математических моделей для исследования свойств модернизируемого ТС.

1.7. Базисный граф модернизации

Формализованное представление понятия «модернизированная система» в сочетании с принципом декомпозиции позволяет ввести в рассмотрение базисный несвязный граф модернизации ТС.

В основе построения базисного графа модернизации лежит метод декомпозиции Ib образца S по модернизируемому свойству (свойствам). Декомпозиция Ib может быть, как реальной, так и условной [16]. В дальнейшем будем понимать под декомпозицией Ib условное расчленение какого-либо свойства.

Декомпозицию, в результате которой любое свойство превращается в самое себя, будем называть тождественной декомпозицией и обозначим ее через Ib.

32

Пусть bо любое свойство ТС (системы S). Применим к bo декомпозицию Ibo. В результате получим множество подсвойств bll, bl2,...b1n (риc. 1.2). Применим для описания иерархических структур свойств скобочную форму записи. Данная двухуровневая структура запишется в виде bо (b11, bl2,..b1n), где скобки имеют смысл отношений включения на множестве свойств, порождаемых свойством верхнего­ уровня. Любое из свойств b11,...

b1n. выделенных на первом шаге декомпозиции, может расчленяться на соответствующие свойства следующего уровня. На втором шаге декомпозиции ему будет соответствовать двухуровневая структура b1i (b2k....b2m). Связь свойств нижнего уровня со свойством верхнего уровня может подчиняться либо логике «И», либо логике «ИЛИ». Последовательное объединение двухуровневых структур с различной логикой позволяет получить n-уровневую структуру свойства bо ТС, имеющую вид древовидного графа «И-ИЛИ» (рисунок 1.2).

b0

Рисунок 1.2. Граф Gb0 «И-ИЛИ» декомпозиции свойства b0

После построения графа Gbo свойства bо необходимо согласовать исходные графы, характеризующие множества элементов и отношений ТС (системы S) с графом свойства bo. Это согласование заключается в том, что элементы исходных графов модернизируемого ТС ставятся

33

в соответствие вершинам графа свойства bо. В результате получаются модифицированные применительно к свойству bо графы Ga и Gd элементов и отношений модернизируемого ТС.

Графы Gbo, Ga, Gd полностью характеризуют исходный ТС по модернизируемому свойству bо и являются базисом для построения аналитического ядра модернизации. Для удобства и простоты использования этого базиса представим его в виде несвязного графа Gsbo (Ga, Gbo, Gd) что иллюстрируется рисунке 1.3

Рисунок 1.3. Базисный несвязный граф декомпозиции системы S по модернизируемому свойству b0

Анализ изложенных общих принципов декомпозиции системы S показывает, что для получения базисного несвязного графа Gsbo при решении задач модернизации образцов ТС необходимо, во-первых, установить сущность декомпозиций Ib на каждом уровне, то есть определить способы расчленения свойства (свойств) на составляющие их части, и, во-вторых, ограничить глубину декомпозиций Ib, Ia и Id, то есть определить тип конечных свойств, элементов и отношений древовидных графов свойства

34

bo, элементов «а» и отношений «d». Способ расчленения свойства (свойств) b на подсвойства зависит от типа модернизации ТС системы S.

Для первого типа модернизации ТС (системы S) системообразующее свойство bs0, характеризующее целевое назначение ТС в целом, делится на составляющие bs11, …bs1i, которые, в свою очередь, делятся на свойства bs21, …bs2k; bs2m, …bs2p; bs2t, …bs2x и т.д. Обобщенный граф Gbs отражает функциональную структуру системы. На основе графа Gbs для каждого модернизируемого ТС строятся графы Ga и Gd элементов и отношений данного ТС. В результате создается базисный несвязный граф Gsbs.

Второй тип модернизации системы S предполагает изменение как системообразующих, так и обеспечивающих свойств. Поскольку обеспечивающие свойства влияют на уровень системообразующих свойств необходимо ставить в соответствие декомпозиции системообразующих и обеспечивающих свойств в один «И-ИЛИ» граф. Декомпозиция системообразующих свойств в таком графе представлена, главным образом, вершинами «И», а декомпозиция обеспечивающих свойств — вершинами «ИЛИ». Таким образом, для второго типа модернизации технической системы необходимо иметь два графа «И-ИЛИ»: системообразующих и обеспечивающих свойств. Для третьего типа модернизации системы необходимо построить лишь граф «И-ИЛИ» системообразующих и обеспечивающих свойств, а для четвертого типа — независимые графы системообразующих и автономных свойств системы. Декомпозиции системы по модернизируемым свойствам для остальных типов модернизации, приведенных в таблице 1.3, представляют собой либо независимые графы, либо графы «И-ИЛИ», либо их композиции. Типы декомпозиции графов свойств для различных типов модернизации ТС приведены в таблице 1.6. Для приведенных в таблице 1.6 графов свойств ТС необходимо построение соответствующих графов Ga и Gd элементов

35

и отношений ТС по модернизируемым свойствам, что обеспечит создание базисных графов Gsb декомпозиции системы по модернизируемым свойствам.

Таблица 1.6

Типы декомпозиции свойств для различных типов модернизации ТС

36

Базисные несвязные графы Gsb модернизации служат методологической основой решения задач модернизации. На базе графов Gsb могут быть построены математические и алгоритмические модели, с помощью которых возможен выбор рациональных технических решений для модернизации конкретных систем.

1.8. Предмет и «аналитическое ядро» теории модернизации образцов технических систем

Рассмотренные методические аспекты модернизации систем дают возможность определить предмет, границы и задачи теории модернизации образцов ТС.

Содержание основной задачи модернизации показывает, что теория модернизации образцов ТС должна быть отнесена

кклассу теорий проектирования технических систем.

Всоответствии с системными представлениями теории проектирования технических систем делятся на два подкласса [1, 20]: системного (внешнего) проектирования элементов (внутреннее проектирование). Системное проектирование охватывает этапы формирования замысла и исследования возможностей создания рассматриваемой технической системы, то есть изучает вопросы формирования критериев оценки, путей поиска оптимальных решений, выбора методов проектирования.

Внутреннее проектирование включает этапы разработки и конструирования системы с использованием методов конкретных наук.

Следовательно, теория модернизации образцов ТС, с точки зрения решения задач синтеза «желаемых» свойств, определения области поиска и выбора рациональных вариантов модернизации, является частью теории системного проектирования, имеющей специфические цели и используемые методы.

Вместе с тем, при модернизации образцов ТС необходимо решать задачи, не входящие в круг проблем системного проектирования. К таким задачам относятся задачи

37

оценки реализуемости «желаемых» свойств в исследуемой системе и задачи оценки целесообразности модернизации (см. рисунок 1.1). С точки зрения решения указанных задач, теория модернизации образцов ТС является частью теории преемственности образцов ТС как отдельной ветви общей теории преемственности технических систем.

Таким образом, теория модернизации образцов ТС может рассматриваться как система идей, концепций, принципов, моделей и методов, позволяющих осуществить целенаправленный поиск и выбор рациональных технических решений модернизации образцов ТС.

Учитывая перечисленные ранее понятия и определения, предметом теории модернизации образцов ТС является совокупность элементов, свойств и отношений исследуемой ТС, а также совокупность методов моделирования, поиска и выбора рациональных вариантов модернизации ТС. Как часть теории системного проектирования теория модернизации образцов ТС содержательно характеризует приложение различных средств математических и эвристических методов, а также развитие новых концепций, принципов и приемов, ориентированных на решение системы задач модернизации образцов ТС. Так же, как и системное проектирование, теория модернизации образцов ТС по природе является дуальной, в которой этапы логического анализа относят ее к строгой науке, а этапы синтеза творческого замысла — по большей части к искусству. В связи с этим корректное решение задач модернизации образцов ТС может быть осуществлено лишь при наличии аналитико-эвристического аппарата, позволяющего осуществлять выбор проектных решений модернизации. Основой этого аппарата может служить, по аналогии с системным проектированием, «аналитическое ядро», которое в соответствии с характером задач модернизации образцов ТС содержит две относительно независимые части: системно-ориентированные аналитические средства и аналитические средства построения процессов выбора решений при модернизации. К первой части

38

«аналитического ядра» относится совокупность математических моделей, характеризующих свойства образцов ТС, стоимость и время их модернизации. Вторая часть «аналитического ядра» включает процедуры анализа образцов ТС и разработки требований к модернизации, методы определения области поиска рациональных вариантов модернизации, на основе которых производится выбор рационального варианта модернизации образцов ТС. Характеристика теории модернизации ТС и состав ее аналитического ядра приведены на рисунке 1.4. Содержание первой части «аналитического ядра» рассматривается в главе 2, а второй части — в главах 3 и 4.

Теория модернизации технических систем

Рисунок 1.4. Характеристика теории модернизации образцов ТС

Глава 2 КОМПЛЕКС МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ, СИСТЕМА

ПОКАЗАТЕЛЕЙ И КРИТЕРИЕВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ МОДЕРНИЗАЦИИ

2.1.Общая характеристика комплекса математических моделей для решения задач модернизации ТС

Основой системно-ориентированных средств аналитического ядра процесса модернизации образцов ТС являются математические модели. Их характер определяется сущностью задач модернизации. Это положение применительно к техническим системам иллюстрирует рисунок 2.1.

Все математические модели, используемые в процессе модернизации, можно разделить на два класса: модели оценки свойств образцов ТС и прогностические модели для модернизации образцов ТС. Число и содержание моделей оценки свойств образцов ТС зависят от типа модернизации. Поскольку в общем случае при модернизации образцов ТС изменению подвергаются свойства, относящиеся ко всем четырем подмножествам свойств, то класс моделей оценки свойств должен содержать четыре группы моделей свойств образцов ТС: модели системообразующих bs, обеспечивающих bI, автономных ba и «внешних» be свойств образцов ТС.

Прогностические модели служат для решения задач синтеза «желаемых» свойств, оценки целесообразности модернизации образцов ТС и задачи преобразования исходного ТС в модернизированный. В соответствии

40