1. 2 Основы анализа и синтеза сложных технических систем

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ СИСТЕМОТЕХНИКИ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И СВОЙСТВА СИСТЕМЫ

Система и внешняя среда

В настоящее время в науке, технике и других областях человеческой деятельности понятие системы используется очень широко. Несмотря на это, не удается выработать более или менее общеприемлемого определения понятия «система». Ни одно из фи­лософских определений, например, «система есть отграниченное множество взаимодействующих элементов» не может удовлетво­рить каждую область науки. В конкретных исследованиях и разра­ботках систем правомерно и даже необходимо оперировать поняти­ями, более точно отражающими исследуемую область реальности. Поэтому и литературе можно найти несколько десятков определений понятия «система».

В соответствии со сказанным приведем понятие «система», спе­циализированное для технических объектов и фиксирующее те свой­ства системы, которые обычно исследуются при решении техниче­ских задач [58].

Система — это отграниченный в окружающей ее внешней среде и взаимодействующий с ней объект, который обладает следующими взаимосвязанными свойствами:

1. Имеет цель (назначение), для достижения которой он функ­ционирует;

2. Состоит из взаимосвязанных составных частей-компонентов, образующих многоуровневую (иерархическую) структуру и выпол­няющих определенные функции, направленные на достижение цели объекта;

3. Имеет управление, благодаря которому все компоненты функ­ционируют согласованно и целенаправленно;

4. Имеет в своем составе или во внешней среде источники энер­гии и материалов для функционирования;

5. Обладает интегративными свойствами, не сводимыми к сумме свойств его компонентов.

Рассмотрим выделенные в определении термины и свойства сис­темы.

В реальном мире все взаимосвязано и поэтому выделение не­которой части объективно существующей реальности в самостоятельный объект является условным, относительным. Как определить границу «система — не система (внешняя среда)»? С одной стороны, граница определяется объективно существующей относительной са­мостоятельностью объекта и внутренней взаимосвязанностью его частей. Однако это объективно существующее разграничение сис­темы и среды является нечетким, размытым. С другой стороны, гра­ница определяется целью исследователя, его пониманием реально­сти, исследовательскими возможностями. Это разграничение явля­ется уже четким, но условным и представляет собой методический прием, обусловленный субъективным мнением исследователя.

Таким образом, отграничение системы означает выделение неко­торого объекта А и условное разграничение тем самым (всей объек­тивно существующей реальности на систему А и внешнюю среду. Так, например, в зависимости от цели исследования можно рассмот­реть зенитную управляемую ракету (ЗУР), комплекс ЗУР, батарею (группировку комплексов) ЗУР, систему ПВО объекта, систему ПВО района и т. д. Вопрос о том, включать ли в состав батареи личный состав, средства технического обслуживания и ремонта, строения и прочее обеспечение, зависит от цели исследования. Гра­ницу 'Между сооружением (комплексами ЗУР) и средствами обес­печения можно провести четко, но она будет условной.

Система, выделенная из окружающей ее внешней среды, являет­ся обособленной лишь условно, так как всегда имеет место взаимо­действие системы с внешней средой. Отличительной особенностью любого исследования системы является полная бессмысленность этого исследования без надлежащего учета взаимодействия системы с внешней средой. Так, например, при изучении полета крылатого ЛА в атмосфере Земли внешней средой для ЛА являются воздуш­ная среда и гравитационное поле Земли. Они вызывают соответст­венно силы, действующие на ЛА: аэродинамическую силу и силу земного притяжения, без учета которых исследование полета будет

•бессмысленным.

Итак, любая система является частью некоторой более обшир­ной системы. Приступая к исследованию или проектированию систе­мы, прежде всего необходимо выделить систему из окружающих ее систем, другими словами, определить систему, установив ее состав и границы. Если исследуемая или проектируемая система непра­вильно выделена из внешней среды, то может оказаться, что при ис­следовании будут сделаны неправильные выводы, а при проекти­ровании будут приняты нерациональные, а в некоторых случаях и

ошибочные решения.

Цель системы

Выделение системы из внешней среды является одним из элементов процесса постановки задачи, который будет рассмотрен в гл. 2. Здесь же ограничимся замечанием, что в основу выделения системы из внешней среды должен быть положен целевой подход. Другими словами, при выделении из внешней среды некоторой совокупности взаимосвязанных частей в качестве обособленной сис­темы следует руководствоваться целью функционирования системы.

Характерным свойством любой системы, созданной или созда­ваемой человеком, является наличие у системы цели функциониро­вания, для достижения которой все компоненты системы работают согласованно и целенаправленно. Под целью системы понимается желаемый результат функционирования системы, т. с. ее назначе­ние, определенное человеком. Так, например, целью космической системы наблюдения за Землей может являться периодическое на­блюдение природных ресурсов в заданном регионе земной поверх­ности.

В случае процесса проектирования системы цель процесса вклю­чает в себя как составную часть цель системы, например: разработ­ка проекта космической системы связи внутри отдельного региона поверхности Земли (разрядкой выделена цель системы). Таким образом, исследователям и проектировщикам сис­тем приходится встречаться с двумя типами целей. К первому типу относятся цели систем, целями второго типа являются цели проек­тирования, решения проблем и задач.

Структура системы

Система состоит из составных частей — компонентов. Вы­деление тех или иных компонентов в системе определяется двумя соображениями: с одной стороны, объективно существующими свой­ствами системы, с другой — целями и позицией исследователя, его представлением о системе и исследовательскими возможностями.

Компоненты системы могут быть двух типов — подсистемы и эле­менты системы, элементы — это минимальные для данной задачи части, выполняющие в ней определенные функции. В условиях рас­сматриваемой задачи они дальнейшему членению не подлежат. Под­системы же расчленяются дальше на свои компоненты: подсистемы более низкого ранга и элементы. Выделение подсистем как само­стоятельных компонентов является методическим приемом, удоб­ным для данного исследования. В результате использования этого приема устанавливается иерархия компонентов системы.

При этом каждая подсистема может рассматриваться как систе­ма более низкого уровня, а сама исследуемая система может вхо­дить составной частью (компонентом) в некоторую систему более (высокого уровня (надсистему), находящуюся во внешней среде по отношению к исследуемой системе.

Так, например, систему ПВО района можно представить состоя­щей из компонентов шести уровней иерархии рис. На одном из уровней находится самолет-перехватчик; в условиях по­ставленной задачи самолет расчленяется на подсистемы и элемен­ты, функции которых направлены на выполнение перехвата само­лета противника. В свою очередь самолет входит компонентом в комплекс перехвата.

Совокупность составляющих систему компонентов в их взаимо­связи друг с другом представляет собой структуру системы, т. е. строение и внутреннюю форму организации системы. Структурные связи— связи между компонентами системы — являются устойчи­выми, благодаря им система сохраняет свои свойства при изменении внешних и внутренних условий.

Реальные связи между компонентами системы обычно являются очень сложными и притом различной природы; физические, хими­ческие, информационные, организационные и прочие. В самом общем виде можно выделить два основных типа структурных связей; «подчинения-подчиненности» и «согласования».

Связь подчинения-подчиненности предполагает, что одни из двух взаимосвязанных компонентов является определяющим в их совме­стном функционировании. Связь согласования предполагает, что ро­ли обоих взаимосвязанных компонентов в их совместном функцио­нировании равноценны.

Связи между компонентами определяют иерархическую структу­ру системы — размещение компонентов системы по иерархическим уровням. Два компонента, связанных подчинением-подчиненностью, размещаются на соседних уровнях иерархии. Компоненты на одном уровне иерархии могут иметь связь согласования.

Если компонент В входит в состав компонента Л, то В подчи­няется Л, Если компоненты В и С входят в состав компонента Л, то между В и С может быть связь согласования. Так, например, на рис. 1.1 между комплексом перехвата и самолетом имеется связь подчинения-подчиненности, а между самолетом и наземной радиоло­кационной станцией — связь согласования.

Между компонентами системы и компонентами внешней среды также имеются связи — коммуникативные связи. Аналогично струк­турным связям они могут быть двух типов: подчинения-подчинен­ности и согласования. Так, например, ЗУР — компонент системы ПВО — взаимодействует с такими компонентами внешней среды,, как атмосфера и самолет противника.

Каждый компонент в составе системы выполняет определенные функции. Они определяются, с одной стороны, собственными свой­ствами компонента, а с другой, его структурными и коммуникатив­ными связями. Между функциями компонентов также имеются свя­зи подчинения и согласования, в результате чего можно предста­вить иерархическую структуру функций компонентов. На верхнем уровне этой иерархической структуры находится цель системы, на достижение которой направлены все функции компонентов системы. В связи с этим функции компонентов можно трактовать как цели функционирования компонентов,

Итак, иерархической структуре компонентов системы соответст­вует иерархическая структура их целей функционирования: цели всех компонентов подчинены целям компонентов более высокого? уровня.

Управление и информационное обеспечение

Согласованное взаимодействие всех компонентов системы друг с другом и процессе достижения системой возложенной на нее цели (в процессе функционирования системы) обеспечивается путем управления системой. Наличие управления является неотъемлемым свойством любой системы.

Для управления системой необходим специальный механизм уп­равления компонентами. В системах, создаваемых человеком (тех­нических, экономических, организационных и прочих) —это система управления, которую образуют специализированные компоненты системы.

Система управления является подсистемой в данной системе и может иметь иерархическую структуру. В системе управления дол­жен быть некоторый компонент, который вырабатывает и принимает решение по управлению. В иерархической структуре подсистемы уп­равления он находится на самом верхнем уровне, и его можно на­звать центральным органом управления.

Для управления системой необходима информация о состоянии внешней среды и компонентов системы, о выполнении компонента­ми своих функций. Для этого необходимы специальные датчики (чувствительные элементы), воспринимающие информацию, переда­ча информации по информационным каналам и, если управление осуществляется человеком, отображение информации. Все это можно назвать информационным обеспечением системы. Например, в ЛА информационное обеспечение может реализовываться специ­альными датчиками, размещенными в компонентах ЛА, датчиками системы управления полетом (акселерометрами, гироскопами и др.) и т. д. Информация эта по специальным каналам поступает в бор­товую цифровую вычислительную машину (БЦВМ) или отобража­ется па приборных щитах для информирования пилота. Централь­ным органом управления является при этом БЦВМ или пилот.

Для выработки управляющего воздействия — управления (сиг­нала, команды, решения)—необходимо, чтобы в центральном орга­не управления происходило сравнение информации о состоянии внешней среды и компонентов системы с требуемым или желаемым состоянием системы во внешней среде (определение рассогласова­ния) и вырабатывалось управление (по принципу обратной связи) по приведению системы в требуемое состояние.

В более или менее простых системах алгоритм выработки управ­ления запрограммирован человеком в процессе создания системы. В более сложных случаях необходимо, чтобы в системе происходило моделирование внешней среды, самой системы, процессов их взаи­модействия и прогнозирование возможных результатов управления, В этих случаях управление вырабатывается на основе информации о состоянии внешней среды и системы, с одной стороны, и результа­тов моделирования, с другой, либо непосредственно в ЭВМ, если система автоматическая, либо человеком с помощью ЭВМ, если сис­тема автоматизированная, В последнем варианте информация, необ­ходимая для выработки управления, отображается па выходных устройствах ЭВМ (на распечатках, графиках, дисплеях).

Материально-энергетическое обеспечение

Система для функционирования должна иметь материаль­но-энергетическое обеспечение. Для этого в ее состав должны вхо­дить: запасы или источники материальных и энергетических ресур­сов, преобразующие устройства, каналы материального и энергетического снабжения, доставляющие компонентам системы необходи­мые материалы и энергию.

Эти функции могут выполнять специализированные компоненты системы. Последние могут иметь коммуникативные связи, через ко­торые поступают необходимые ресурсы из внешней среды.

Для эксплуатации самолета, например, необходимо иметь на «его борту запасы топлива и систему энергопитания; необходимы также запасные части, средства технического обслуживания и те­кущего ремонта и др.

Целостность системы

Целостность системы означает, что из ее свойств принци­пиально невозможно вывести сумму свойств составляющих ее ком­понентов и, обратно, из свойств компонентов невозможно вывести свойства целого, т. е. системы. Про это говорят, что система обла­дает интегративными свойствами.

Так, например, компоненты ЛА создают силу тяги (двигательная установка), подъемную силу при движении Л А относительно воздуха (крыло), отклоняют органы управления (система управ­ления) и пр. При совместном согласованном функционировании всех компонентов ЛА возникает новый эффект — управляемый полет ЛА, который не присущ ни одному компоненту ЛА в отдельности.

Сложная техническая система

Создаваемые человеком предметы (машины, транспортные средства, летательные аппараты и т. д.) можно рассматривать как технические системы, полностью удовлетворяющие приведен­ному определению, если они обладают автоматическим управле­нием. В тех случаях, когда центральным органом управления явля­ется человек, говорят о человеко-машинных системах, которые вклю­чают в свой состав наряду с техническими компонентами человека-оператора. Примером может служить система «самолет — летчик».

Среди всевозможных технических систем можно выделить класс сложных (или больших) технических систем.

Существует много различных определений сложной системы. Некоторые из них основываются на сложности описания и исследо­вания такой системы, т. е. обусловлены позицией исследователя. Более целесообразно при определении понятия сложной системы .опираться на ее объективные свойства.

Под сложной технической системой будем понимать систему, которая представляет собой совокупность технических систем, вы­ступающих по отношению к внешней среде и другим системам как единое" целое для достижения общей для них цели. Одним из приме­ров сложной технической системы является космическая система наблюдения за Землей.

В этом учебном пособии будем рассматривать сложные техниче­ские системы, использующие ЛА в качестве носителей устройств, предназначенных для выполнения целевых задач системы. Такие системы находят широкое применение в интересах народного хозяй­ства и обороны страны (для научных исследований, контроля окру­жающей среды, изучения природных ресурсов, метеорологических наблюдений, связи, навигации и т. д.)

Для сложных систем, включающих ЛА, характерно наличие в их составе новейших технических средств (радиоэлектронных уст­ройств, автоматизированных систем управления с ЭВМ и др.), ис­пользование новейших материалов и технологических процессов применение новейших методов анализа и синтеза систем с широким использованием ЭВМ и систем автоматизированного проектирова­ния, а также системная организация процессов управления создани­ем и развитием систем .

В дальнейшем для сложной технической системы, которая рас­сматривается как объект исследования, будем использовать сокра­щение «СТС». Во всех других случаях будем писать «сложная тех­ническая система» или просто «система».