ТОПИН.Лекции, задания / ТОППиН_часть1 / глава 1_

5

Глава 1 ОСНОВЫ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА

1.1Научная основа создания электронной аппаратуры высокого качества

Непрерывное усложнение электронной аппаратуры в связи с ростом объемов решаемых ею задач и расширением условий эксплуатации требует определенного подхода к проектированию и производству таких объектов. Этот подход должен быть комплексным, иметь достаточную широту охвата решаемой проблемы и обеспечивать четкую организацию процессов проектирования и производства. Таким подходом в настоящее время является системный подход, который позволяет решать задачи анализа и синтеза объектов как сложных систем. Решение задачи синтеза состоит в создании нового объекта и составляет основу деятельности инженеровпроектировщиков и инженеров-технологов.

Установившегося определения системного подхода пока нет. Поэтому приведем три определения.

Системный подход – это некоторый общеметодологический принцип: методология решения сложных задач и проблем, основанная на концепции систем. Его гносеологический аспект – это теория систем. Его рецептурная, аппаратная реализация – это системный анализ – дисциплина, развивающая методы проектирования сложных технических, организационных и других структур [1].

Системный подход – это совокупность принципов и методов исследования и разработки объектов как больших или сложных систем.

Системный подход – это диалектический подход (метод) в технике. Системный подход требует от инженера многомерного мышления, позволяющего сразу видеть новое изделие или технологический процесс в целом, его результаты и последствия его использования. Как отмечается в [2]: «Успешность всякой деятельности тем более вероятна, чем выше уро-

вень ее системности; неудачи вызваны недостаточной системностью». Системный подход оказался единственно правильным, рациональ-

ным и прогрессивным подходом в исследовании сложных явлений, решении сложных задач, создании и использовании сложных организаций. Системный подход позволяет вводить научно-обоснованные ограничения, находить оптимальные решения и адекватные описания, организовать эффективное функционирование сложных и больших систем.

Методология системного подхода получила свое развитие, когда производственные силы достигли более высокой степени развития и позволили перейти к созданию больших систем. Было замечено, что функционирование таких систем приводило иногда к неожиданным результатам. Стала усиливаться тенденция к более тесной увязке решения технических проблем с военными, политическими, экономическими и психологически-

6

ми факторами. Во второй половине двадцатого века стало наблюдаться усиленное влияние политических факторов на крупные научнотехнические решения и наоборот.

Втаких условиях прежние методы исследований и разработки малых систем (например, классических тепловых и электрических машин и аппаратов), которые опирались на детальный анализ, на растущую специализацию задач и методов, оказались не эффективными. Главный недостаток прежних методов состоял в том, что целое разделялось на части, эти части изучались изолированно с помощью частных методик, и при этом не учитывался эффект взаимодействия этих частей.

Невозможность разработки и исследования больших систем на основе механистического подхода привело к тому, что в инженерном мышлении стала происходить ломка многих традиций. Потребовалась разработка новой методологии, которая позволяла бы проявить мудрую дальновидность, связывать близкие цели с дальними, технические перспективы с со- циально-экономическими. В области социальной эта методология была разработана в XIX веке и получила название диалектического подхода.

Вобласти техники эта методология получила свое развитие в начале 60-х годов прошлого века, хотя впервые в виде социальной концепции (системы взглядов на какие-либо явления и т.п.) была сформирована в 30-е годы прошлого столетия австрийским ученым Л. Берталанфи. Однако у него было много предшественников, и в частности Богданов А.А. (это псевдоним известного русского ученого, медика, философа, экономиста, публициста, социал-демократа Малиновского), который пытался создать всеобщую организационную науку под названием тектология. В тектологии он выразил ряд идей (об изучении систем, моделировании, обратной связи

идр.), позднее развитых в кибернетике и общей теории систем.

1.2Понятие системы

В литературе существует несколько десятков определений системы. Наиболее общим является определение, приведенное в [2]: «Система есть средство достижения цели». Но нужно иметь еще представление о том, что это за средство, как оно устроено. Поэтому предполагают, что система состоит из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих между собой и с окружающей средой отдельных частей системы. Однако, совокупность, состоящая из большого числа изолированных объектов, не является системой.

Прежде, чем давать другие определения системы, рассмотрим ряд понятий, не отделимых от системы.

Цель – это состояние, к которому направлена тенденция движения системы [3].

Состояние системы – это некая изображающая точка в пространстве состояний системы при определенных значениях параметров системы.

7

Пространство состояний системы – это n-мерное (по числу пара-

метров системы) пространство, в котором функционирует система. Функционирование системы – это переход из одного состояния в дру-

гое или сохранение какого-либо состояния в течение некоторого промежутка времени. Следовательно, функционирование (функцию) системы можно представить как движение изображающей точки в пространстве состояний, причем покой – это одна из форм движения – сохранение состояния (рис. 1.1).

N1

b

a

N3

N2

Рисунок 1.1.

Если состояния системы изменяются за счет внутренних процессов или из-за внешних влияний, то такая система называется динамической.

Системы, в которых возможны любые состояния в пределах допустимой области (состояний), характеризуются непрерывным пространством состояний.

Системы, в которых возможно лишь конечное число состояний, называются дискретными и характеризуются дискретным пространством состояний.

Если рассматривать изменения состояний системы в функции времени, то это приведет к необходимости исследования траекторий в m-мерном пространстве. Иногда эти траектории называют линиями поведения.

Функция системы – есть ее свойство в динамике, приводящее к достижению цели или способ достижения системой заданной цели.

В зависимости от решаемой задачи – анализа или синтеза, существует еще два определения системы: дискриптивное и конструктивное [3].

а) Дискриптивное (описательное) определение: система – есть со-

вокупность объектов, свойство которой определяется отношениями между этими объектами (обычно их называют элементами). Этим определением пользуется исследователь, решающий задачу анализа.

б) Конструктивное определение системы: система – есть конкрет-

ное множество функциональных элементов и отношений между ними, вы-

8

деляемое из среды в соответствии с определенной целью в рамках определенного временного интервала.

Этим определением пользуются при решении задачи синтеза, т.е. когда создается новая система.

В основе определения лежит функционально-целевой подход: свойство объекта рассматривается как функция, если оно используется для достижения определенной цели.

1.3Структура сложных систем

Структура системы – это совокупность функциональных составляющих системы и их отношений, необходимых и достаточных для достижения системой заданной цели.

Функциональные составляющие, приведенные в определении структуры системы, носят названия: подсистемы и элементы.

Элемент (в формализованной схеме системы) – это объект (часть системы), не подлежащий (при данном рассмотрении системы) дальнейшему разбиению на части. Внутренняя структура элемента при этом не является предметом изучения. Должны быть известны только те свойства элемента, которые определяют его взаимодействие с другими элементами системы и оказывают влияние на свойства системы в целом.

Подсистема – совокупность элементов системы вместе со связями между ними. Подсистемы могут быть разных рангов (уровней). Выделение подсистем является важным этапом при построении формального описания сложной системы. Оно позволяет иногда упростить исследование сложной системы, т.к. уменьшается число связей в системе и, следовательно, громоздкость исследований. С другой стороны, переход от системы к подсистемам ведет к новому множеству связей. Подсистемы сложной системы сами могут быть сложными системами. Поэтому с формальной точки зрения сущность подсистемы двойственна: с одной стороны она является системой, состоящей из некоторого числа элементов, а с другой – представляет собой элемент сложной системы.

Таким образом, деление системы весьма условно и зависит от уровня, на котором рассматривается система. То есть процесс расчленения системы может продолжаться до тех пор, пока дальнейшее разбиение окажется нецелесообразным. Число подсистем и их порядок может быть любым. Важно лишь, чтобы подсистемы, действующие совместно, обеспечивали выполнение всех функций следующей, высшей по уровню подсистемы. Цель высшей подсистемы – влиять на низшие таким образом, чтобы достигалась общая цель, заданная для всей системы.

Таким образом, сложные системы имеют, как правило, иерархическую структуру, формализованный вид которой приведен на рис. 1.2.

Иерархическая структура системы позволяет вести независимое проектирование подсистем и организовать их независимое производство.

9

Иерархические структуры бывают идеальные и неидеальные. Идеальные иерархические структуры должны иметь пять признаков:

1.Многоуровневость (этажность);

2.Ветвистость;

3.Пирамидальность;

4.Субординация внутренних связей;

5.Субординация внешних связей, которые контролируются верхними подсистемами.

Система

Подсистемы 1-го ранга (уровня)

Подсистемы 2-го ранга

Подсистемы m-го ранга

Элементы

Рисунок 1.2.

Наиболее просто достигается цель в идеальной иерархии. Но, как правило, идеальных иерархий, из-за различного рода нарушений, не бывает.

Структуры некоторых сложных систем могут быть не иерархичными, т.е. не пирамидальными, а линейными (радиоприемник, автомобиль и т.п.).

Для представления структур удобно использовать теорию графов. «Язык структуры систем – графические модели» (У. Дж. Бендер [9]).

Главный признак, по которому классифицируются структуры из-за их многообразия – это количество и характер связей между элементами.

В определении структуры применен термин «отношения». Отношения могут быть временными, пространственными и типа связи. Термин «связь» используется в случае взаимосвязанных объектов, когда изменения одного объекта приводят к изменениям другого. В случае если объекты не приводят к изменению друг друга, используется более общий термин «отношение». Так в системе существуют взаимосвязанные элементы и могут

10

быть не взаимосвязанные элементы, между которыми имеются отношения (например, пространственные).

Связи могут быть информационные, энергетические и вещественные. Вещественные связи – это каналы, по которым передаются какие-

либо вещества. Например, в производственных системах – сырье, полуфабрикаты и т.п.

Энергетические связи – это каналы, по которым передается тот или иной вид энергии: механической, электрической, тепловой и т.п.

Информационные связи – это каналы, по которым передается та или иная информация: команды управления, различного рода сообщения и т.п.[4].

Связи бывают: направленные и ненаправленные, односторонние и двухсторонние, симметричные и несимметричные.

Необходимо отметить еще два вида структур систем: формальную (логическую) и материальную [3].

Формальная структура. Ее определение совпадает с определением структуры, приведенной выше.

Материальная структура – это реальное наполнение формальной структуры, одна из ее возможных реализаций.

Всегда следует иметь в виду, что:

1.Фиксированной цели соответствует одна и только одна формальная структура системы;

2.Одной формальной структуре может соответствовать множество материальных структур систем.

Формальная структура оказывается единственной, поскольку она определяется поставленной целью.

Множественность материальных структур определяется уровнем развития техники: на каждом уровне свои материальные структуры.

1.4Путь создания системы

Всякая система создается для разрешения возникшей проблемной ситуации. Следовательно: «Без проблемы нет системы». Поэтому, прежде всего необходимо четко сформулировать проблему. Четко сформулировать проблему – значит наполовину решить ее. При формулировании (или постановке) проблемы специалист по анализу систем должен выполнить следующие работы: во-первых, описать, каким образом проблема была обнаружена; во-вторых, установить почему она рассматривается как проблема; в-третьих, отличить ее от «симптома» некоторых смежных проблем; в- четвертых, дать операционные определения нежелательных последствий проблемы [5]. Анализ проблемной ситуации заключается прежде всего в ясной постановке цели (целей) системы, т.е. формулируется цель, которая разрешала бы данную проблему. Это не простая задача и требуется достаточно много усилий для ее решения [2]. Формулировка цели системы не

11

должна совпадать с функцией системы, которая формулируется на следующем этапе. И, наконец (поскольку функция реализуется лишь в структуре), на последнем этапе создается структура, которая выполняет заданную функцию.

Таким образом, путь создания системы может быть представлен в виде следующих этапов:

Синтез

Анализ

Рисунок 1.3.

Два последних этапа имеют прямую и обратную связи. Прямая связь означает решение задачи синтеза: создание структуры по заданной функции. Обратная связь означает решение задачи анализа: определение функции по созданной структуре.

1.5Классификация систем и их признаки

Все системы подразделяются на простые, сложные и очень сложные (большие).

Кроме того, различают системы детерминированные, поведение которых точно предсказывается, и вероятностные, для которых нельзя дать точного детального предсказания.

В численном выражении классификация систем следующая: Простая система – система, содержащая от 10 до 103 элементов, у

которой отсутствуют иерархические уровни.

Сложная система – система, содержащая от 103 до 107 элементов и имеющая развитую иерархическую структуру.

Большая система – система, которая содержит более 107 элементов и имеет развитую иерархическую структуру. Большие системы состоят из сложных систем.

В дополнение к этой приближенной классификации были сформулированы отличительные признаки сложных систем:

1.Наличие большого количества взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов (объектов);

2.Иерархичность структуры, т.е. определенная соподчиненность составных частей системы;

3.Целенаправленность функционирования, т.е. наличие у всей системы общей цели;

4.Наличие централизованного управления элементами;

5.Наличие взаимодействия с внешней средой и функционирование в условиях воздействия случайных факторов;

13

Входы системы могут быть желательными и нежелательными. Нежелательные входы – это энергия (тепло, свет, помехи, вибрации и т.п.) и объекты (бракованные изделия среди годных и т.п.).

Выходы системы также могут быть желательными и нежелательными. Нежелательные выходы – это энергия (тепло, помехи, акустические шумы и т.п.) и объекты (отходы производства, бракованные изделия и т.п.) (рис.1.5) [7].

Входы и выходы могут иметь разную значимость: существенные, несущественные (малосущественные), не заслуживающие внимания.

Рисунок 1.5.

Каноническая модель сложной системы с входами и выходами приведена в [6].

Рисунок 1.6.

На основе канонической модели системы могут быть построены конкретные модели различных систем: передачи информации, обработки информации на ЦВМ, производственной и т.п. [6].

Пример связей для производственной системы приведен на рис. 1.7.