Конспект

время. Помимо этого, будучи членом партии большевиков, он не сошелся во взглядах с ее вождем В.И.

Лениным, за что все его произведения были изъяты из обращения почти на семьдесят лет.

Начиная с 30-х годов XX века, системный подход находит широкое применение, как в области технических разработок, так и в области решения социальных задач. В те годы в промышленно развитых странах были заложены основы производственных, транспортных и энергетических систем, систем связи. Совершенно очевидно, что без всестороннего рассмотрения всех факторов и последствий построения столь больших технических систем, обойтись было просто невозможно. Конечно, системный подход, применяемый в те годы, имел существенные ограничения, обусловленные недостатком научных исследований в этой области.

В настоящее время применение системного подхода стало практически повсеместным. Он является методической основой исследований и проектирования в различных областях науки, техники и деятельности человека. Самая общая расшифровка этого понятия включает в себя точную формулировку требований к решаемой задаче, набор критериев оценки качества и математический аппарат для исследований и оценки вариантов решений. Причем детальное рассмотрение физических основ реализации решений вовсе не является необходимым.

3.2 Основные понятия теории систем и системного подхода

Гносеологической основой (в философии гносеология - это наука, изучающая формы и методы научного познания) системного подхода является общая теория систем. Она имеет дело с проектированием и функционированием систем, которые образуются взаимодействующими, взаимосвязанными и взаимозависимыми элементами. Однозначного понятия

51

системы не существует. В наиболее общем виде системой называется множество элементов и связей между ними, которые образуют некоторое единство. Исходя из этого определения, можно сделать два вывода:

−окружающий нас мир является совокупностью систем;

−любая система состоит из более мелких систем (подсистем) и, в свою очередь, является частью другой, более крупной системы (надсистемы).

Технические системы и их проектирование изучается в научной

дисциплине, называемой системотехникой. В ней вводится понятие сложной системы, т.е. такой системы, которая характеризуется большим числом элементов и взаимосвязей между ними.

Состав системы определяется образующими ее элементами, или компонентами - такими частями системы, представление о которых нецелесообразно разделять на более мелкие элементы в процессе проектирования.

Среди них выделяется такой элемент, от которого решающим образом зависит функционирование всех остальных элементов, а, значит, и жизнеспособность системы в целом. Это системообразующий элемент. Структура системы представляет собой некоторую устойчивую картину взаимосвязей между ее компонентами.

Системный подход к проектированию связан с необходимостью решения двух классов задач:

-анализ системы - разделение рассматриваемой системы на отдельные элементы и изучение свойств и характеристик каждого элемента;

-синтез системы - объединение элементов в единое целое, т.е. создание проекта и формирование проектных документов.

Поскольку любая система представляет собой определенным образом организованную сущность, обособленную от окружающих ее систем (внешнего мира), то существует набор материальных и нематериальных ограничений,

52

определяющих характер и принципы этого обособления. Он называется границами системы.

Влюбой момент времени система характеризуется своим состоянием - определенным набором компонентов и текущим характером взаимосвязей между ними. Состояние системы в любой момент времени определяется параметрами - величинами, описывающими определенные свойства системы в целом, отдельных ее составных частей или окружающей среды, влияющей на систему. Функционирование системы представляет собой динамический процесс перехода системы из одного состояния в другое, который определяется характеристиками трех составляющих его процессов: вход, преобразование, выход.

Вкачестве примера рассмотрим работу конструктора в САПР с точки зрения теории систем. Вход представляет собой техническое задание на проектирование. Преобразования - действия конструктора по формированию математической модели проектируемого изделия, расчетов ее характеристик, компьютерному моделированию и т.д. Выходом же будет являться комплект конструкторской документации. Компонентами системы служат технические средства, программное и иное обеспечение САПР, специалисты, выполняющие проектные операции, причем в качестве системообразующего элемента (субъекта процесса преобразования) выступает человек. Границы системы будут определяться с одной стороны возможностями техники и программ, а с другой стороны, опытом и способностями субъекта преобразования. Состоянием процесса является текущая степень реализации выполняемого проекта.

Исходя из сказанного, можно сформулировать первое определение системного подхода. Системный подход - это такой способ представления знаний, при котором любой объект (система) рассматривается как совокупность взаимосвязанных компонентов, имеющая вход и выход и выполняющая некоторые преобразования. Другими словами, при исследовании сложных

объектов с позиций системного подхода реализуется абстракция (упрощение),

53

при которой исследуемый объект представляется в виде системы. Это позволяет упростить его понимание и описание.

Системный подход, как методология исследования, охватывает любые объекты и любой род деятельности, позволяя выявлять общие закономерности

ивзаимосвязи. Он базируется на следующих основных принципах:

1.Принцип цели: выявление предназначения системы и целей ее функционирования.

2.Принцип целостности: рассмотрение системы одновременно как единого целого, реализующего свои специфические функции в соответствии с собственными законами, и в то же время как подсистему для некоторой более сложной системы.

3.Принцип сложности: любой объект представляет собой сложную совокупность различных элементов (подсистем), образующих множественные связи между собой и с окружающей средой.

4.Принцип иерархичности строения: наличие множества (не менее двух) элементов, образующих иерархическую связь - подчинение элементов нижнего уровня элементам более высокого уровня.

5.Принцип структуризации: анализ элементов системы и связей между ними в контексте конкретной организационной структуры, свойства которой оказывают влияние, в том числе и на свойства отдельных элементов.

6.Принцип множественности: использование для описания отдельных элементов и системы в целом различных математических, экономических и других моделей с целью всестороннего изучения свойств и поведения объекта.

7.Принцип историзма: рассмотрение любого объекта производится с точки зрения того, какие этапы развития он прошел к моменту начала исследования.

8.Принцип динамизма: все свойства объекта изменяются с течением времени.

9.Принцип сходства: ранее полученные результаты изучения иных сходных объектов необходимо использовать при текущем исследовании.

54

Применение системного подхода к процессам исследования и проектирования предполагает реализацию определенных действий (аспектов), направленных на возможно более полное изучение объекта. Таких аспектов восемь:

1.Системно-элементный аспект: выявление всех элементов, образующих рассматриваемую систему, к которым относятся материальные компоненты, научные данные и процессы.

2.Системно-структурный аспект: получение представления о строении (внутренней организации) системы посредством выявления внутренних взаимосвязей между ее элементами.

3.Системно-функциональный аспект: определение множества функций, для реализации которых предназначены исследуемые объекты.

4.Системно-целевой аспект: выявление целей проводимого научного исследования или проектирования, а поскольку целей может быть несколько, то и взаимная увязка их между собой.

5.Системно-ресурсный аспект: определение потребностей в ресурсах (время, кадры специалистов, финансирование и т.д.), необходимых для проведения исследования.

6.Системно-интеграционный аспект: нахождение того набора свойств системы, которые определяют ее целостность и уникальность.

7.Системно-коммуникационный аспект: выявление связей исследуемого объекта с окружающей средой.

8.Системно-исторический аспект: рассмотрение объекта в динамике его развития, начиная с момента возникновения до современного состояния с учетом возможных перспектив развития.

Исходя из этого, можно дать второе определение системного подхода. Системный подход - это определенное множество общих принципов,

регламентирующих научную и инженерную деятельность по синтезу и анализу сложных объектов, основанные на специальном способе их представления, суть

55

которого в замене реального объекта абстрактной системой. Из этого следует, что системный подход - это, прежде всего, методика правильной постановки задачи, методология научного познания и практической деятельности, основанная на представлении любого объекта в виде целостной системы: инженерной, экономической, социальной и т.д.

3.3 Системный подход и инженерная деятельность

По мере развития современного общества возрастают роль и значение инженерной деятельности, особенно той ее части, которая связана с проектированием новых изделий. Понятие проектирования зародилось в начале XX века. Первые представления о нем связывались с работой чертежников, которые должны были графически точно донести замысел конструктора до специалистов на производстве. С развитием науки и техники смысл и содержание понятия проектирования расширялось. С ним связывается выполнение научно-технических расчетов параметров на чертеже и предварительные исследования будущих изделий, а затем и компьютерное моделирование.

Современное инженерное проектирование характеризуется следующими особенностями:

-большой объем обрабатываемой информации, относящейся к различным научным направлениям; -постоянно возрастающая сложность проектируемых объектов, что приводит

кнеобходимости формирования сложных математических моделей и применения алгоритмов инженерных расчетов, требующих больших вычислительных ресурсов;

-широкое использование компьютерного моделирования в силу высокой стоимости исправления субъективных ошибок, обнаруживаемых на завершающих этапах проектирования или в производстве;

56

-использование новейших результатов научных исследований и разработок

иучет перспектив развития данной технической области.

Проектирование технического объекта представляет собой процесс создания и представления в требуемой форме объекта, существующего только в виде образа в сознании проектировщика. Он реализуется посредством последовательного принятия рациональных решений на всех стадиях создания объекта: от предпроектного исследования до изготовления. Укрупненная общая схема процесса проектирования показана на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 - Общая схема процесса проектирования

Процесс проектирования может быть разбит на ряд этапов, на каждом из которых решается определенный круг задач:

1.Научно-исследовательские работы (НИР):

-предпроектные исследования - сбор, анализ и обобщение информации о состоянии в данной области науки и техники, об изделиях и процессах, аналогичных проектируемым объектам, о состоянии рынка и т.п.;

-разработка технического задания - документа, содержащего перечень основных требований, предъявляемых к проектируемому объекту или процессу, таких как показатели производительности и экономической эффективности, надежности и безопасности, мощности, экологичности и т.д.;

57

-разработка технического предложения с целью поиска вариантов реализации объекта, отвечающих условиям и требованиям технического задания, а также обоснования технической и экономической целесообразности.

2.Опытно-конструкторские работы (ОКР):

-разработка эскизного проекта, дающего общее представление обустройстве и принципах работы объекта и его составных частей, их основных параметрах, принципиальных инженерно-технических и конструкторских решениях;

-разработка технического проекта с целью выполнения окончательных технических и конструкторских решений, дающих полное представление об устройстве разрабатываемого изделия, расчета отдельных его элементов, а также подготовки исходных данных для разработки рабочей документации.

3.Рабочее проектирование:

-разработка рабочей документации для реализации проектируемого объекта;

-изготовление опытного образца и его испытания;

доработка конструкции объекта по результатам испытания, корректировка рабочих чертежей и технологии изготовления объекта.

Таким образом, разработка любого объекта (системы) предполагает решение задач анализа и синтеза в процессе инженерно-технической и организационной деятельности. По этой причине проектирование разделяют на два уровня:

-«внешнее» проектирование - разработка общей концепции и принципов функционирования будущего изделия, исследование его свойств и поведения на математических моделях;

-«внутреннее» проектирование - формирование рабочих документов (чертежи, спецификации, ведомости и т.д.), необходимых для изготовления изделия на производстве.

Системный подход в проектировании можно применять на любом уровне к каждому отдельно взятому этапу, к любой их комбинации и всему

процессу в целом. С этой точки зрения инженерное проектирование можно

58

разделить на ряд последовательных шагов, по ходу выполнения которых представление о проектируемой системе изменяется в сторону последовательной конкретизации ее модели. Можно выделить шесть таких обобщенных шагов (операций):

1.Анализ проблемной ситуации.

2.Синтез возможных решений.

3.Оценка и выбор перспективного варианта из множества альтернатив.

4.Моделирование.

5.Корректировка решений по результатам моделирования.

6.Реализация решения.

Взависимости от конкретного этапа проектирования содержание данных обобщенных операций будет изменяться.

На этапе НИР анализ проблемной ситуации (первый шаг) начинается с анализа потребностей рынка, результатом которого должно стать определение множества пригодных решений поставленной инженерной проблемы.

Другими словами, определяются варианты исполнения технической системы, которые будут востребованы в определенной социальноэкономической сфере.

Синтез возможных решений (второй шаг) начинается с четкого определения, формулировки и исследования проектной проблемы на основе информации, полученной на предыдущем шаге, а также информации об окружающей среде и общих инженерных принципах системы. Проектируемая система при этом рассматривается как «черный ящик», у которого есть вход, выход и законы функционирования, но содержание которого пока неизвестно. Исходя из такого допущения, определяются параметры системы, возможные ограничения функционирования и основные проектные критерии. Естественно, что в таких условиях можно «сгенерировать» множество вариантов решения проектной проблемы.

59

На третьем шаге из этого множества возможных альтернативных решений должны выбираются потенциально пригодные решения. Пока еще они является абстракцией, которая учитывает только основные факторы, но совсем не учитывает способы реализации, экономическую эффективность и многое другое. А ведь именно эти, «второстепенные» факторы имеют решающее значение при выяснении возможности или невозможности реализации данного решения. Оценка их влияния производится на двух последующих шагах.

На четвертом шаге определяется возможность физической реализации каждого варианта, а на пятом - из этих решений выбираются экономически рентабельные решения, а также оценивается финансовая возможность их реализации.

Реализация решения (шестой шаг) представляет собой множество пригодных решений, информация о которых оформляется в виде технического предложения.

На этапе ОКР (предварительное проектирование) фактически выбирается наилучший проектный вариант, для которого и будет детальное проектирование. На первом шаге во множестве пригодных решений определяется наиболее перспективный вариант, который и принимается за предварительное решение проектной проблемы. Этот вариант не обязательно будет окончательным, поскольку при реализации последующих шагов в нем могут обнаружиться существенные недостатки. Тогда, отбросив его, в оставшемся множестве снова определяем наиболее перспективный вариант и повторяем шаги.

Второй шаг предполагает разработку математических моделей проектируемой системы, которые будут являться не только основой выполнения всех последующих шагов данного этапа, но и использоваться при рабочем проектировании. Отметим, что использование единой математической модели изделия или процесса на всех этапах жизненного цикла называется CALS технологией проектирования.

60