Глава 2. Общесистемные вопросы сапр, цели и задачи проектирования.

2.1 Краткие сведенья о системном анализе

Системный анализ-это самостоятельное научное направление, которое интенсивно развивается с середины прошлого столетия. Появление его связанно с рядом новых проблем, одной из которых является и проектирование, при решении которых оказались не приемлемы традиционные по тем временам методы.

Уже к концу XIX века стало резко увеличиваться число комплексных проектов и задач, требующих участия специалистов различных областей знаний. Постоянное усложнение объектов проектирования, развитие науки, появление проблем большой начальной неопределённости, которые невозможно было решить с помощью формальных математических методов прошлого столетия, требовало развития новых подходов при их решении.

Не меньшее влияние на развитие этого направления в науке вызвало возникновение мировых глобальных проблем, связанных с необратимыми катастрофическими последствиями развития цивилизации - экология и разрушение природных балансов, энергетика и захоронение ядерных отходов и т.п.

В этих задачах всё большее место стал занимать собственно процесс постановки задачи, возросла роль человека, как носителя целостного восприятия, сохранение целостности при расчленении проблемы для облегчения её решения, роль методов активизации интуиции и опыта специалистов различных областей знаний, принимающих участие при решении сложной проблемы.

Для решения подобных комплексных проблем стало широко использоваться понятие «система», и на определенной стадии развития научных знаний теория систем сформировалась в самостоятельную науку, имеющую непосредственное отношение к САПР. В 30-е годы XX века возникла теория открытых систем Л.Фон Бертаналафи. Важный вклад в становление системных представлений внес в начале XX века А.А.Богданов, предложивший всеобщую организационную науку тектологию. Потребности практики, почти одновременно со становлением теории систем, привели к возникновению направления, названного исследование операций. Это направление возникло в связи с задачами военного характера. Предметом исследований операций является разработка методов анализа целенаправленных действий (операций) и объективная сравнительная оценка решений (поиск оптимальных решений).

В 60-е годы XX века широкое распространение получил термин «системотехника», предложенный профессором Темниковым из МЭИ, как эквивалент американского «system engineering» (буквальный перевод - системная инженерия), который используется в основном в применении системных методов только в технических приложениях (систематология, аналогичный термин, используемый в философской литературе).

В первые годы становления теории систем наибольшее распространение получил термин системный подход, который использовался как методологическое направление философии, так и в прикладном смысле, как синоним комплексный подход.

Наиболее конструктивным из направлений системных исследований в настоящее время считается системный анализ, занимающийся приложением методов и моделей теории систем для принятия решений. Впервые понятие системный анализ было предложено в 1948 г. корпорацией RAND (мозговой центр министерства обороны США) в связи с задачами военного управления. Применяется в тех случаях, когда задача (проблема) не может быть сразу представлена и решена с помощью формальных математических методов. При этом основное внимание уделяется процессу постановки задачи и использование не только формальных, но и методов качественного анализа. Опирается на основные понятия теории систем и философские концепции, лежащие в основе общесистемных закономерностей.

Рассмотрим некоторые из основных понятий теории систем, которые могут быть нам полезны в дальнейшем: что такое система или сложная техническая система, о которой мы уже упоминали раньше?

Существует несколько десятков определения этого понятия, когда хотят охарактеризовать исследуемый или проектируемый объект, как нечто целое (единое), сложное, о котором невозможно сразу дать представление, показав его, изобразив практически или описав математическим выражением. Тем не менее, можно определить что система (большая система, система большого масштаба, СТС и т.п.). Эта совокупность двух или более элементов, удовлетворяющих следующим условиям:

-Наличие большого количества взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов, обладающих свойством совместимости;

-Поведение каждого элемента влияет на поведение целого;

-Поведение элементов и их взаимодействие в целом взаимосвязаны;

- Сложность функций, выполняемых системой;

- Возможность разбиения системы на подсистемы, цели функционирования которых подчинены общей цели.

-Наличие управления (часто имеющего иерархическую структуру), разветвленной информационной сети интенсивных потоков информации;

- Наличие взаимодействия с окружающей средой ( внешней) и функционирование в условиях воздействия внешних факторов;

При формальном подходе к сложной системе элементом считается объект, не подлежащий дальнейшему расчленению. Внутренняя структура элемента не подлежит изучению. Любая совокупность элементов сложной системы может рассматриваться как подсистема. Обычно подсистемой является некоторая самостоятельно функционирующая часть системы. Правильное выделение подсистемы в СТС часто способствует упрощению расчётов при исследовании и обеспечивает большую наглядность при интерпретации результатов.

Основное свойство системы - это самоорганизация (лобилизация) или можно сказать устойчивость. В широком смысле слова под этими словами понимается способность системы возвращаться в состояние равновесия после того, как она была из этого состояния выведена под влиянием внешних сил или способность после воздействия внешней среды путем последовательного изменения своих свойств придти к некоторому устойчивому состоянию (предполагается, что воздействие оказывается в некоторых допустимых пределах.)

Осознание всех выше перечисленных проблем позволило американскому математику Р. Акроффу назвать их основным источником интеллектуальной революции, вызывающей смену эпох. Уходящую эпоху он назвал веком машин, а наступающую веком систем. Появление этого направления в науке привело к развитию специфических направлений в математике-теории массового обслуживания, теории игр, исследования операций, математическое программирование, дискретная математика, значительно расширилась сфера применения теории вероятностей и математической статистики.

2.2 Блочно-иерархический подход - основной метод исследования сложных систем.

Блочно-иерархический подход не является каким то неожиданным изобретением. Он явился естественной реакцией человечества на сложность в исследовании и описании различных больших по объему, многокомпонентных с большим количеством связей объектов. Его фрагменты в виде блок-схем алгоритмов, структурных схем различных технических объектов и т.п. традиционно использовались для облегчения понимания и разработки в инженерной практике.

Дело в том, что описание технических объектов, должно быть согласованно (по сложности) с возможностями восприятия человека. Однако выполнить это требование в рамках одного описания, не расчленяя его на некоторые составные части, удается лишь для простых изделий. В СТС, как правило, требуется структурирование описаний и соответствующее расчленение представлений о проектируемом объекте на иерархические уровне и аспекты. Это позволяет распределить работы проектирования между подразделениями проектной организации, что способствует повышению эффективности и труда проектировщиков.

Разделение описаний по степени детализации отображаемых свойств и характеристик объектов лежит в основе блочно-иерархического подхода к проектированию и приводит к появлению иерархических уровней (уровней абстрагирования) в представлении о проектируемом объекте.

На каждом уровне используются свои понятия систем и элементов. При этом элементы верхнего уровня иерархии являются системами для нижнего уровня. Подобное разбиения продолжается вплоть до получения на некотором уровне элементов, описание которых дальнейшему расчленению не подлежит. Такие элементы называются базовыми. Таким образом, в основе блочно-иерархического подхода используются 2 принципа:

-Принцип иерархичности, означающий структурирование представлений об объектах проектирования по степени детализации описаний;

- Принцип декомпозиции (блочности)- разбиение представлений каждого уровня на ряд составных частей (блоков) с возможностями раздельного (не блочного) проектирования объектов.

Кроме расчленения описаний по степени подробности, отображение свойств проектируемого объекта, порождающей иерархические уровни (которые иногда называют горизонтальные уровни) используется декомпозиция описаний объекта по характеру отображаемых свойств, что приводит к появлению ряда, т.н. аспектов описаний.

В соответствии с ЕСКД вводится функциональный, конструкторский и технологический аспекты, которые считаются вертикальными уровнями. Решения задач проектирования на этих уровнях называют соответственно функциональным, конструкторским и технологическим проектированием.

Функциональный аспект связан с отображением основных принципов функционирования, характера физических и информационных процессов, протекающих в объекте и находит отображение в принципиальных электрических, кинематических, пневматических и т.п. схемах и сопровождающих их документах.

Конструкторский аспект связан с реализацией результатов функционального аспекта, т.е. определением геометрических форм и их взаимным расположением в пространстве (принципиальная электрическая (логическая) схема - функциональный аспект, печатная плата, реализующая эту схему - конструкторский аспект).

Технологический аспект связан с описанием методов и средств изготовления конструкции.

Все перечисленные аспекты тесно взаимосвязаны. И хотя основные идеи разработки определяются функциональным аспектом, удачное конструктивное решение в значительной степени определяет перспективы внедрения разработки. Ещё большее значение, особенно на современном этапе, имеет технологический аспект. Использование новейших технологических достижений может значительно повлиять как на функциональный, так и на конструкторский аспекты.

Внутри каждого аспекта, возможно, своё специфическое выделение иерархических уровней.

В рамках рассмотренной блочно-иерархической структуры возможны два подхода к проектированию, которые и реализуются на практике.

Если решение задачи высоких иерархических уровней предшествует решению задач более низких уровней, то проектирование называется нисходящим. Если раньше выполняются этапы, связанные с нижними иерархическими уровнями (т.е. проектирование идет от готовых базовых элементов не подлежащих расчленению и разработке), проектирование называют восходящих.

При всех преимуществах блочно-иерархического подхода к проектированию, позволяющему решать задачи большой размерности, основным недостатком как нисходящего, так и восходящего проектирования является то, что на каждом этапе работа ведется с доконца не определёнными объектами, а решения принимаются в обстановки неполной информации. При проектировании сверху вниз, может оказаться, что базовых элементов на самом нижнем уровне не существует в природе, а их разработка весьма проблематична. Проектирование от базовых элементов (снизу вверх) может привести к тому, что подойдя к самому верхнему уровню оказывается, что невозможно удовлетворить техническому заданию на разрабатываемое изделие.

Тем не менее, более разумной альтернативы блочно-иерархическому подходу не существует, поэтому он является основным методом разработки сложных технических систем.