Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория технических систем и методы инженерного творчества в решении задач автоматизации технологических процессов. Учебное пособие
.pdf
Системы
Естественные
Биологи-
ческие
Неоргани-
ческие
Искусственные
Химические Технические
Машинные
системы
Электрические
системы
Строительные
системы
Рисунок 1.1 – Разделение систем по их происхождению
Классы, представленные в данной схеме, соответствуют известным отраслям
техники – машиностроение, электротехника, строительство и так далее. Однако такой
подход не даёт точного определения понятия «техническое средство», так как в соот-
ветствии со схемой его можно трактовать и как объект машиностроения, и как объект
электротехники и так далее. Упорядочение систем в соответствии с принципами их
действия – механическим, электрическим, гидравлическим и тому подобное - также
не позволяет унифицировать свойства и однозначно определить классы элементов си-
стем, так как в настоящее время уже существуют гибридные системы.
Все сказанное выше приводит к тому, что для обозначения «абстрактной ма-
шины» целесообразно использовать термин «техническая система».
Технические системы – это и не механизмы в чистом виде, и не автоматы.
«Теория машин», разработанная И. И. Артоболевским, представляет собой лишь
11
часть этой будущей общей теории. Изложим концепцию современного понимания
теории технических систем.
а) Цель теории состоит в том, чтобы привести, имеющиеся знания по объекту
теории – техническим системам – в единый комплекс понятий, определений и поло-
жений, основываясь на сущности и закономерностях структуры, создания и исполь-
зования технических систем, а не на отдельных эмпирических данных, относящихся
к этим системам. В то же время должна быть установлена целесообразная система
понятий, позволяющая, во-первых, понять их смысл без дополнительных пояснений
и, во-вторых, выводить из них другие понятия. Поскольку теоретические исследова-
ния в этой области находятся на начальной стадии, такая дедуктивная форма теории
может быть получена лишь постепенно.
б) Структура теории должна содержать основные положения, определяемые
более детально в рамках этой теории, такие, как:
– система понятий;
– система преобразований;
– технический процесс как элемент системы преобразований;
– техническая система как элемент системы преобразований;
– назначение технической системы;
– структура;
– свойства и оценивание технической системы;
– возникновение и развитие технической системы;
– эволюция технической системы;
– систематика – классы, типы и виды технической системы;
в) Виды теории. В соответствии с областью применения различают:
– общую теорию технических систем, которая справедлива для всех технических, в том числе и машинных, систем;
– специальные теории, которые конкретизируют общую теорию для отдельных
классов, типов или видов технических систем.
Структура специальной теории также может быть иерархической (например,
теория станков, теория металлообрабатывающих станков, теория токарных станков).
12
Особое положение занимают специальные теории, которые применимы для несколь-
ких отраслей техники, например теория механизмов, теория деталей машин и тому
подобное.
г) Взаимосвязь теории с другими дисциплинами. Теория технических систем ос-
новывается на целом ряде научных дисциплин, число которых возрастает по мере
включения в неё новых систем и установления требований к ним. Наряду с такими
«классическими» науками, как физика (со всеми ею направлениями) и химия, все в
большей мере вовлекаются в рассмотрение биология и такие дисциплины, как теория
систем, экономика, эргономика, логика.
С другой стороны, теория технических систем образует некоторые рамки и вво-
дит определённый порядок во многие инженерные дисциплины, связанные с констру-
ированием, изготовлением, испытаниями, сбытом, хранением, транспортировкой,
вводом в действие или ликвидацией технических систем. В этих инженерных дисци-
плинах положения общей – теории технических систем в том или ином смысле «детализируются».
Рассмотрим некоторые примеры. Наука о сопротивлении материалов исследует
связи между прочностью технической системы, с одной стороны, и геометрическими
характеристиками, свойствами материала и нагрузками технической системы, с дру-
гой; аналогично надёжность, срок службы, технология изготовления в соответствую-
щих теориях основываются на некоторых частных положениях общей теории. В тео-
рии подъёмно-транспортных машин изучаются процессы транспортировки, и, таким
образом, с позиции теории технических систем она также является некоторой специ-
альной теорией процессов. В теории механизмов и машин рассматриваются меха-
низмы как часть технической системы; эта теория также является специальной тео-
рией технических систем.
д) Применение теории технических систем. Кроме практического применения,
теория технических систем должна иметь также познавательное значение. Разработка
некоторой системы объектно-ориентированных дисциплин (для отдельных областей
техники) позволяет установить ясные взаимосвязи и границы между частными дис-
циплинами и ввести определённое упорядочение. С учётом этого теория технических
13
систем важна для создания общей картины в области техники и будет способствовать
совершенствованию инженерных дисциплин, где она может и должна служить в ка-
честве обобщающей теории.
В заключение необходимо отметить несколько соображений относительно це-
лесообразности создания теории технических систем и покажем некоторые преиму-
щества объединения системных теорий.
1) Теория выявляет закономерности, справедливые для всех объектов техники.
Она способствует перенесению профессионального опыта из одной области в другие
благодаря возможности переноса системных категорий (использование гомомор-
физма объектов техники).
2) Объединение всех объектов техники в класс «технические системы» позво-
ляет разработать подход к инженерной деятельности, не связанный с конкретным
объектом техники и приемлемый во всех специальных областях. В рамках этого под-
хода можно изучать и разрабатывать методы конструирования технических систем
вообще и систем определённого класса в частности.
3) Работа с абстрактными понятиями заставляет инженеров применять научные
методы там, где силы воображения и опыта недостаточно. Тем самым создаются
условия для того, чтобы отойти от устаревших традиций и шаблонов.
4) Теория технических систем позволяет трактовать любую техническую про-
блему целостно, с позиций системного подхода. Такой подход является предпосыл-
кой эффективного конструирования и успешного выполнения других инженерных ра-
бот.
5) Использование кибернетики и её понятий позволяет улучшить связи инжене-
ров с учёными. Кроме того, при этом облегчается формализация некоторых операций
в процессе конструирования, поскольку расширение применения вычислительных
устройств требует построения алгоритмов логических операций. Таким образом, теория технических систем связана с развитием автоматизированного проектирования.
6) Формирование классов технических систем, основанных на аналогичности
отношений, даёт инженерам базу для выявления максимального количества способов
14
реализации определённой функции или определённого отношения. Тем самым созда-
ются предпосылки для того, чтобы из множества возможных решений выбрать
наилучшие. Практической формой представления такой информации является созда-
ние каталога конструкций.
Теория технических систем даёт в руки инженерам подход, ориентирующий на
конечную цель и позволяющий видеть взаимосвязи, понимать и применять целост-
ность как принцип, а также распознавать в различных технических объектах суще-
ственные аналогии и отношения. Такие навыки особенно важны для инженеров-кон-
структоров, чем объясняется интерес к теории технических систем в этой среде спе-
циалистов.
1.2 Развитие определения «Система»
Термин система используют в тех случаях, когда хотят охарактеризовать иссле-
дуемый или проектируемый объект как нечто целое (единое), сложное, о котором не-
возможно сразу дать представление, показав его, изобразив графически или описав
математическим выражением (формулой, уравнением и тому подобным), и желают
подчеркнуть, что это что-то большое, сложное и при этом целое, единое.
Понятие системы подчёркивает упорядоченность, целостность, наличие определённых закономерностей.
Существует несколько десятков определений этого понятия. Их анализ показы-
вает, что определение понятия система изменялось не только по форме, но и по со-
держанию. Рассмотрим основные и принципиальные изменения, которые происхо-
дили с определением системы по мере развития теории систем и использования этого
понятия на практике.
В первых определениях в той или иной форме говорилось о том, что система
– это элементы (части, компоненты) и связи (отношения) между ними.
Так, Людвиг фон Берталанфи (Ludwig von Bertalanffy, 1901 – 1972) определял
систему как «комплекс взаимодействующих компонентов» или как «совокупность
элементов, находящихся в определённых отношениях друг с другом и со средой». В
15
Большой советской энциклопедии система определяется прямым переводом с грече-
ского «susthma», что означает «состав», то есть составленное, соединённое из частей.
Для уточнения элементов и связей в определения включают свойства. Так, в
определении А. Холла свойства (атрибуты) дополняют понятие элемента (предмета).
Затем в определениях системы появляется понятие «цель».
Далее, в определение системы начинают включать наряду с элементами, свя-
зями и целями ещё и наблюдателя N, то есть лицо, представляющее объект или процесс в виде системы при их исследовании или принятии решения.
На необходимость учёта взаимодействия между изучаемой системой и исследователем указывал ещё У.Р. Эшби. Но первое определение, в которое в явном виде
включён наблюдатель, дал экономист Ю.И. Черняк: «Система есть отражение в со-
знании субъекта (исследователя, наблюдателя) свойств объектов и их отношений в
решении задачи исследования, познания».
В определениях системы бывает и большее число составляющих, что связано с
необходимостью дифференциации в конкретных условиях видов элементов, связей и
так далее. Сопоставляя эволюцию определения системы (элементы и связи, затем –
цель, затем – наблюдатель) и эволюцию использования категорий теории познания в
исследовательской деятельности, можно обнаружить сходство: вначале модели (осо-
бенно формальные) базировались на учёте только элементов и связей, взаимодействий между ними, затем стали уделять внимание цели, поиску методов её формали-
зованного представления (целевая функция, критерий функционирования и тому по-
добное), а начиная с шестидесятых годов XX века всё большее внимание обращают
на наблюдателя, на лицо, осуществляющее моделирование или проводящее экспери-
мент (даже в физике), то есть лицо, принимающее решение.
С учётом этого и опираясь на более глубокий анализ сущности понятия системы
следует, по-видимому, относиться к данному понятию, как к категории теории позна-
ния, теории отражения. В связи с этим интересно обратить внимание на вопрос о ма-
териальности или нематериальности системы, рассматриваемый далее, по поводу ко-
торого до недавнего времени довольно часто возникали дискуссии о том, матери-
альны или нематериальны системы. Бессмысленность этих дискуссий показал
16
В.Г. Афанасьев: «...объективно существующие системы – и понятие систем; понятие
системы, используемое как инструмент познания системы, – и снова реальная система, знания о которой обогатились нашими системными представлениями; – такова
диалектика объективного и субъективного в системе...».
В Большой советской энциклопедии наряду с уже приведенным определением
дается следующее: система – «...объективное единство закономерно связанных друг
с другом предметов, явлений, а также знаний о природе и обществе», то есть подчер-
кивается, что понятие элемента (а следовательно, и системы) можно применять как к
существующим, материально реализованным предметам, так и к знаниям об этих
предметах или о будущих их реализациях.
Таким образом, в понятии система (как и любой другой категории познания)
объективное и субъективное составляют диалектическое единство, и следует гово-
рить не о материальности или нематериальности системы, а о подходе к объектам
исследования, как к системам, о различном представлении их на разных стадиях по-
знания или создания.
Так, Ю.И. Черняк показал, что один и тот же объект на разных этапах его рас-
смотрения может быть представлен в различных аспектах, и соответственно предла-
гает одну и ту же систему представлять на разных уровнях существования: философ-
ском (теоретико-познавательном), научно-исследовательском, проектном, инженерном и так далее, вплоть до материального воплощения.
Иными словами, в термин система на разных стадиях её рассмотрения можно
вкладывать разные понятия, говорить как бы о существовании системы в разных фор-
мах. М. Месарович, например, предлагает выделять страты рассмотрения системы.
Аналогичные страты могут существовать не только при создании, но и при по-
знании объекта, то есть при отображении реально существующих объектов в виде аб-
страктно представляемых в нашем сознании (в моделях) систем, что затем поможет
создать новые объекты или разработать рекомендации по преобразованию (пере-
стройке, реконструкции) существующих.
17
Методика системного анализа (или модель системного исследования) может
разрабатываться не обязательно с охватом всего процесса познания или проектирова-
ния системы, а для одной из ее страт (что, как правило, и бывает на практике) и для
того чтобы не возникало терминологических и иных разногласий между исследова-
телями или разработчиками системы, нужно, прежде всего, четко уточнить, о какой
именно страте рассмотрения системы идет речь.
Взгляд на определение системы, как на средство ее исследования, позволил осо-
знать целесообразность определения, в котором объект не расчленяется на элементы,
то есть не разрушается, что делается в уже приведенных определениях, а представля-
ется как совокупность укрупненных компонентов, принципиально необходимых для
существования и функционирования исследуемой или создаваемой системы.
1.3 Понятия, характеризующие строение систем
Понятия, входящие в определение системы, тесно связаны между собой, и, по
мнению Людвига фон Берталанфи, могут быть определены независимо, а определя-
ются, как правило, одно через другое, уточняя друг друга, и поэтому принятую здесь
последовательность их изложения следует считать условной.
Элемент. Под элементом принято понимать простейшую, неделимую часть си-
стемы. Однако ответ на вопрос, что является такой частью, может быть неоднознач-
ным.
Например, в качестве элементов стола можно назвать «ножки, ящики, крышку
и так далее», а можно – «атомы, молекулы», в зависимости от того, какая задача стоит
перед исследователем.
Аналогично в системе управления предприятием, элементами можно считать
подразделения аппарата управления, а можно – каждого сотрудника или каждую операцию, которую он выполняет. С непониманием этой проблемы была связана типич-
ная ошибка при обследовании существующей системы управления как первой стадии
разработки автоматизированной системы управления: инженеры в соответствии со
своим подходом обеспечения полноты подвергали анализу все документы, вплоть до
18
реквизитов, что существенно затягивало работу, в то время как для разработки тех-
нического задания на создание автоматизированной системы управления предприятием такой детализации не требовалось.
Поэтому примем следующее определение: элемент – это предел членения си-
стемы с точки зрения аспекта рассмотрения, решения конкретной задачи, поставленной цели.
Систему можно расчленять на элементы различными способами в зависимости
от формулировки задачи, цели и ее уточнения в процессе проведения системного ис-
следования. При необходимости можно изменять принцип расчленения, выделять
другие элементы и получать с помощью нового расчленения более адекватное пред-
ставление об анализируемом объекте или проблемной ситуации.
Компоненты и подсистемы. Иногда термин элемент используют в более ши-
роком смысле, даже в тех случаях, когда система не может быть сразу разделена на
составляющие, являющиеся пределом ее членения. Однако при многоуровневом рас-
членении системы лучше использовать другие термины, предусмотренные в теории
систем: сложные системы принято вначале делить на подсистемы или на компоненты.
Понятие подсистема подразумевает, что выделяется относительно независимая
часть системы, обладающая свойствами системы, и в частности имеющая подцель, на
достижение которой ориентирована подсистема, а также другие свойства – целостности, коммуникативности и тому подобное, определяемые закономерностями систем.
Если же части системы не обладают такими свойствами, а представляют собой
просто совокупности однородных элементов, то такие части принято называть ком-
понентами.
Расчленяя систему на подсистемы, следует иметь в виду, что так же, как и при
расчленении на элементы, выделение подсистем зависит от цели и может меняться по
мере ее уточнения и развития представлений исследователя об анализируемом объ-
екте или проблемной ситуации.
Уже первый шаг членения системы может привести к ситуации, когда каждая
из частей будет элементом. Например, когда дальнейшее расчленение не требуется
для решения конкретной научной или познавательной задачи либо когда этого ещё не
19
умеют делать. В этом случае говорят, что такая система обладает элементарной орга-
низацией. Примерами таких систем могут служить: простые числа в арифметике; ге-
лиоцентрическая система Коперника в её первоначальном варианте; механистическая
«планетарная» модель атома вещества.
Понятие «уровень» употребляется в теории технических систем в четырех зна-
чениях: уровни-эшелоны, уровни-страты, уровни-слои, уровни-оценки.
Во-первых, уровень трактуется в организационном плане. Так, рассматривая ка-
кое-либо производственное предприятие, выделяют следующие организационные
уровни: предприятие в целом, службы, отделы, цеха, бригады, отдельные специали-
сты. Анализируя какое-либо техническое устройство, мы приходим к выводу, что оно
состоит из комплексов, комплексы – из блоков, блоки – из модулей, модули – из плат,
платы – из деталей и так далее. Такого типа уровни называются эшелонами.
Во-вторых, уровнем фиксируется определенная общность законов функциони-
рования, единство пространственно-временной топологии и субстанционального по-
строения определенных компонентов изучаемой системы. С этой позиции то же са-
мое производственное предприятие может рассматриваться на социальном, экономи-
ческом, информационно-управленческом, технологическом и иных уровнях. Другой
пример. Для обычного персонального компьютера характерны как минимум два
уровня представления и анализа: технический и программный. На техническом
уровне компьютер представляет собой систему, образованную электронными пла-
тами, блоками, микросхемами, конденсаторами, резисторами, соединительными ши-
нами и другими устройствами, обеспечивающими преобразование электрических
сигналов. На программном уровне тот же компьютер выглядит иначе, а именно как
совокупность программ, подпрограмм, программных модулей и блоков, выполняю-
щих логические операции над двоичными символами, несущими определенную ин-
формацию. Уровни такого типа принято называть стратами (от латинскогоstratum–
настил).
В-третьих, понятием уровня выражается точка зрения исследователя (по выражению У. Эшби – наблюдателя) на различные аспекты изучаемой системы. В этом
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]