Теория и методы проектирования технических систем

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Омский государственный технический университет» Кафедра «Авиа- и ракетостроения» Теория и методы проектирования технических систем КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ для студентов специальностей 21.04.01 «Нефтегазовое дело» 23.04.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» 24.04.01 «Ракетные комплексы и космонавтика» 27.04.01 «Стандартизация и метрология» всех форм обучения составил д.т.н., проф. Трушляков В.И. Омск 2017 Содержание Введение ГЛАВА 1. Теория технических систем. Эволюция технических систем ГЛАВА 2. Сущность технической системы. Назначение технической системы. Структура технической системы. Состояния технической системы. ГЛАВА 3. Классификация систем. Цель системы. Качество системы. Эффективность системы ГЛАВА 4. Разбиение жизненного цикла на этапы. Содержание работ по этапам ГЛАВА 5. Эволюция процесса проектирования. Системотехника. Системный подход. Системный анализ. Задача синтеза технической системы. Декомпозиция задачи Список литературы 2 стр. 3 5 17 20 28 37 49 Введение Понятие «система» является в настоящее время одним из самых широко потребляемых в технической и научной литературе. Его появление и широкое использование связано с развитием кибернетики и с публикацией в 1951 г. работы автора Ludwig von Berta1anffy «General System Theory: А new approach to Unity of science», который первым использовал определение «общая теория систем», в попытке найти общие закономерности в развитии самых различных отраслей знаний и исследовании междисциплинарных отношений, а также связано с работой автора Boulding К. «General System Theory: The Skeleton of Science», опубликованной в 1956 г. Именно к этому времени следует отнести становление системотехники как самостоятельной области знаний. Существуют различные определения понятия «система». Обратимся к некоторым из них. Система (греч. systema - целое, составленное из частей, соединение) есть совокупность достаточно большого числа взаимосвязанных компонентов, организованных определенным образом для достижения общей цели. Общая цель функционирования взаимодействующих элементов - это их объединение и выделение из внешней среды в качестве обособленной системы. Обособленность системы от окружающей среды принято называть целостностью по отношению к внешней среде. Другое определение системы, достаточно часто встречающееся в литературе, связано с представлением о внутренней целостности системы. Благодаря общей цели взаимосвязанные компоненты системы функционируют согласованно, в результате чего у системы в целом появляются особые свойства, которых нет ни у одного из ее компонентов, взятых в отдельности. Такое определение встречается в литературе в следующем виде: Система - объект любой природы, обладающий выраженными «системными» свойствами, которых не имеет ни одна из частей системы при любом способе ее членения. Перечень таких системных свойств в наиболее общем виде может быть представлен следующим образом: • объект создается ради определенной цели и в процессе достижения этой цели функционирует; • системный объект - управляемый; • для управления системным объектом используется информация о его состоянии и о состоянии внешней среды; • объект состоит из взаимосвязанных компонентов, выполняющих определенные функции в его составе; 3 • свойства системного объекта не исчерпываются суммой свойств его компонентов. Оба приведенных выше определения понятия «система» дополняют друг друга, отражая два важнейших свойства системы: целостность и обособленность от среды. Благодаря целостности системы ее можно выделить из окружающей среды. Под окружающей средой здесь понимается все, что остается вне границ системы. Однако нет систем, которые были бы полностью изолированы от окружающей среды. В общем виде этот эффект формулируется следующим образом: - система взаимодействует со средой путем обмена веществом, энергией, информацией; - материалы, энергия, информация пересекают границу и определяются как вход в систему, и наоборот, материалы, энергия, информация также пересекают границу, выходя из нее (принято называть выходом из системы). Объективные границы между системой и средой нечетки, размыты, тем не менее, исследователь определяет границу хоть и условную, но четкую. Теория технических систем базируется на понятии «система». Система – это объект любой природы, обладающий свойствами, которые не имеет ни одна из частей системы. Система состоит из конечного множества частей (элементов). При этом между элементами системы существуют определенные отношения (связи). Система характеризуется такими понятиями как назначение, поведение, структура, окружение, вход, выход, свойства, состояние, функция. Технические системы (ТС) – это и не механизмы в чистом виде, и не автоматы. Теория технических систем позволяет к любым техническим объектам подходить с единых системных позиций, охватывая все свойства технического объекта. Специальные технические дисциплины рассматривают технические системы с позиций узкодисциплинарных, касающихся только закономерностей данной дисциплины. 4 ГЛАВА 1 Теория технических систем. Эволюция технических систем Технические системы (ТС) – это не механизмы в чистом виде, и не автоматы. Изложим концепцию современного понимания теории технических систем. а) Цель теории. Цель теории состоит в том, чтобы привести имеющиеся знания по объекту теории – техническим системам – в единый комплекс понятий, определений и положений, основываясь на сущности и закономерностях структуры, создания и использования 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. б) Структура теории. 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 ТС; – структура ТС; – свойства и оценивание ТС; – возникновение и развитие ТС; – эволюция ТС; – систематика – классы, типы и виды ТС; 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). Особое положение занимают специальные теории, которые применимы для нескольких отраслей техники, например, теория механизмов, теория деталей машин и т.п. г) Взаимосвязь теории с другими дисциплинами. Теория технических систем основывается на целом ряде научных дисциплин, число которых возрастает по мере включения в нее новых систем и установления требований к 5 ним. Наряду с такими «классическими» науками, как физика (со всеми ее 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 вводит определенный порядок во многие инженерные дисциплины, связанные с конструированием, транспортировкой, вводом в действие или ликвидацией технических систем. В этих инженерных дисциплинах положения общей теории технических систем в том или ином смысле «детализируются». Пример. Наука о сопротивлении материалов исследует связи между прочностью технической системы, с одной стороны, и геометрическими характеристиками, свойствами материала и нагрузками технической системы, с другой; аналогично надежность, срок службы, технология изготовления в соответствующих теориях основывается на некоторых частных положениях общей теории. В теории машин и механизмов рассматриваются механизмы как часть 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 дисциплинами и ввести определенное упорядочение. С учетом этого теория технических систем важна для создания общей картины в области техники и будет способствовать совершенствованию инженерных дисциплин, где она может и должна служить в качестве обобщающей теории. В заключение приведем еще несколько соображений относительно целесообразности создания теории технических систем и покажем некоторые преимущества 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 гомоморфизма объектов техники). 2. Объединение всех объектов техники в класс «технические системы» позволяет разработать подход к инженерной деятельности, не связанный с конкретным объектом техники и применимый во всех специальных областях 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. 6 4. Теория технических систем позволяет трактовать любую техническую проблему целостно, с позиции системного подхода. Такой подход является предпосылкой эффективного конструирования и успешного выполнения других инженерных работ. 5. Использование кибернетики и ее понятий позволяет улучшить связи инженеров с учеными. Кроме того, при этом облегчается формализация некоторых операций в процессе конструирования, поскольку расширение применения вычислительных устройств требует построения алгоритмов логических операций. 6. Формирование классов технических систем, основанных на аналогичности отношений, дает инженерам базу для выявления максимального количества способов реализации определенной функции или определенного отношения. Тем самым создаются предпосылки для того, чтобы из множества возможных решений выбрать наилучшие. Практической формой представления такой информации является создание каталога конструкций. Одним из ценнейших качеств Homo sapiens является его способность в процессе познания выделять главное и существенное, оставляя при этом без внимания несущественные или случайные признаки, что необходимо для правильного и глубокого понимания объекта познания. Метод абстрагирования помогал человечеству получать и упорядочивать знания в любой области его деятельности и тем самым способствовал возникновению и развитию отдельных наук. Тем не менее, и до сих пор для решения той или иной проблемы не всегда имеется соответствующая теория. В области техники найдется немало примеров того, как практика опережает теорию, а развитие теории впоследствии позволяет улучшать достигнутые практические результаты. Так обстоит дело и с теорией технических систем. Поучительно проследить, как в процессе развития цивилизации менялись представления людей о машинах. Сначала было принято рассматривать машину как нечто целое, состоящее из только ей принадлежащих, ей свойственных частей. Так, мельница не могла быть просто мельницей, а была либо водяной, либо ветряной. По этой причине в старых книгах машины описывались как единое целое. Для обозначения некоторых машин не было специальных понятий. Например, у Рамелли (1588 г.) отсутствует термин «насос» при описании соответствующей машины. Только с основанием технических школ (Париж, 1794 г.; Прага, 1806 г.) начинается процесс упорядочивания и происходит выделение механизмов из рамок общего учения о машинах (Монж, Карно, Ашетт, Ланс). Сначала вводят 10, а позднее-21 класс механизмов, предназначенных для преобразования 7 движения. У Борни (1818 г.) речь идет уже о необходимости различать 6 классов основных частей машины, которые группируются не по принципу преобразования движения, а по их функциям. Эту идею заимствует, и разрабатывают Кориолис и Понселе. Они различают в машинах три основные части: рецептор, передаточный механизм и инструмент. Их концепция была отвергнута сторонниками быстро распространившегося учения о механизмах (представителем которого был и Ампер), и в дальнейшем забыта. Все сказанное выше о развитии взглядов на машины оказывается неполным, если не упомянуть в этой связи труды Леонардо да Винчи (14521519 гг.). Уже он рассматривал элементы и части машин как общие для различных машин элементы и занимался их исследованием. В своих работах («Мадридский кодекс», ч. I и II) он сформулировал два интересных постулата о машинах: – книгу о сущности машин должно, прежде всего, писать, как книгу об их применении; – механизмы суть рай для математических наук; они оказывают на математику плодотворное влияние. Леонардо да Винчи принадлежит к числу гениев, определивших ход развития науки. Так, лишь в XIX столетии, после создания большого числа различных машин было проведено систематическое исследование элементов механизмов и машин, что позволило, основываясь на реальных надежных конструкциях, вести поиск закономерностей, лежащих в основе этих машин. К тому времени наряду с машинами, применявшимися в военном, горном и водном деле, существовали также прядильные и ткацкие станки, печатные и подъемные машины; к ним вскоре присоединилась паровая машина, затем последовали гидравлический двигатель, электродвигатель, генератор. Важной проблемой, связанной с механикой и, прежде всего с теорией прочности стало определение оптимальных размеров. Ф. Рело (1829-1905 гг.) видел основу для выявления принципов работы машин в прикладной механике и, в частности, в кинематике. Именно Рело в 1874 г. в своей работе «Теоретическая кинематика» предпринял первую попытку создать общую теорию механизмов и машин. Идеи того времени прослеживаются в работах Р. Виллиса, П.Л. Чебышева и И.И. Артоболевского. При этом рассматриваются три области теории механизмов и машин: синтез механизмов, динамика машин, теория автоматов. Хотя в Западной Европе подобного учения практически не существует, рассмотренные выше концепции так или иначе, представлены как в теории, так и в самой структуре наук. Традиционные элементы учебных планов и структуры наук создают основу, например, для машиностроения, механики (с 8 теорией прочности), теории деталей машин, материаловедения и технологии материалов, организации производства. Однако общая теория в рассматриваемой области пока еще не создана. В этом направлении развивались, естественно, и специальные области, особенно те, в которых прогресс техники шел рука об руку с развитием соответствующей науки, например, термодинамика и тепловые машины. Из практических соображений все вопросы, связанные с планированием, производством и эксплуатацией, решались в рамках каждой отрасли. Вследствие этого возникли обособленные друг от друга сферы знаний и профессий, в которых всякое профессиональное обучение должно было дополняться многолетним опытом. Причина этого заключалась в отсутствии теории и, как следствие, в отсутствии системы сбора и классификации изобретений и сущности новых технологий. Такое положение было возможным и приемлемым только на этапе первой технической революции, когда осуществлялся переход от ручных форм производства к промышленным – к машинному веку. Растущее промышленное производство, различные кризисные ситуации (особенно вторая мировая война), сырьевые и экологические проблемы, возникшие в ходе второй технической революции – все это потребовало разработки новых подходов и теорий. Создание новых технических средств, наряду с повышением требований, с одной стороны, и новыми способами решения задач (например, средствами вычислительной техники), с другой, вызывает необходимость пересмотра методов изучения технических систем. Одно из новых направлений в области теории технических систем возникло после второй мировой войны первоначально в виде отдельных аспектов общей теории в рамках нескольких тематически связанных между собой исследований (Вегербауэр, Кессельринг), а позднее в более интегрированной форме, что особенно относится к системотехнике (например, Госслинг, Рот, Хубка, Хансен, Ро-поль, Иошикава). В Советском Союзе основателем научной школы в области теории механизмов и машин, а также систем автоматического действия является акад. И.И. Артоболевский (1905-1977 гг.). Его основные труды: «Синтез механизмов» (1944); «Курс теории механизмов и машин» (1945); «Механизмы. Пособие для инженеров, конструкторов и изобретателей» (1947-1955); «Теория механизмов» (1965); «Механизмы в современной технике» в 7 томах (19701976). Таким образом, значимость общей теории создания современной техники заключается в том, что на основе ее принципов и методов устанавливается и обеспечивается требуемая функциональная и экономическая эффективность 9 новых технических объектов, их технико-экономические уровни, темпы технического прогресса и сроки обновления техники, предопределяется «нагрузка» на экономику соответствующих отраслей народного хозяйства, принимающих участие в ее создании. Развитие теории создания технических систем рассмотрим на примере анализа развития теории проектирования объектов ракетной техники. Для проведения указанного анализа рассмотрим период становления и развития ракетной техники от момента появления идей создания первых реактивных летательных аппаратов до наших дней. В своем историческом развитии ракетная техника прошла несколько этапов: первый – до 1921 года, второй – 1921-1960 годы, третий – 1960-1995 годы. Первый этап развития теории проектирования объектов ракетной техники в нашей стране охватывает период появления основополагающих работ К.Э. Циолковского по ракетостроению до организации государственной лаборатории по разработке изобретений Н.И. Тихомирова. Развитие теории проектирования объектов ракетной техники на этапе, когда она только зарождалась, шло в направлении поиска путей теоретического и практического решения первоочередных, главным образом, энергетических проблем создания ракет, в связи с чем теория проектирования на данном этапе будет условно названа энергетической. Второй этап теории проектирования объектов ракетной техники берет начало от организации в 1921 году лаборатории по разработке изобретений Н.И. Тихомирова, в дальнейшем получившей название Газодинамической лаборатории (ГДЛ), включает довоенный и послевоенный периоды и заканчивается в конце 50-х годов. Энергетическая теория на этом этапе развивается в техническую, обеспечивающую развертывание не только научноисследовательских, но и конкретных опытно-конструкторских работ по разработке объектов ракетной техники, которые позволили создать в послевоенный период мощные баллистические ракеты. Теория технического проектирования развивалась в послевоенные годы, когда возникла необходимость в мощных баллистических ракетах для военных целей и освоения космоса, должна была подняться на качественно новый уровень. Силами ученых, конструкторов, инженеров в сжатые сроки была создана необходимая теоретическая база для проектирования различных объектов ракетной техники. В частности, на ее основе было разработано семейство мощных космических ракет, с помощью которых были запущены первые в истории искусственные спутники Земли, исследовательские космические аппараты для 10 изучения Луны и планет Солнечной системы, совершен первый пилотируемый полет вокруг Земли, осуществлен выход человека в космос. На третьем этапе развития теории проектирования объектов ракетной техники по мере накопления опыта создания, эксплуатации и целевого применения первых поколений ее объектов, критического осмысления с позиции возросших требований к теории технического проектирования в конце 50-х годов были разработаны на ее базе основы теории комплексного проектирования, расширившего возможность проектирования и преодолевшего ограниченность технического подхода к созданию сложных технических объектов. Главная суть комплексной методологии проектирования, базирующейся на комплексном подходе к созданию объектов ракетной техники, сводится к следующему. Основными типовыми объектами проектирования при использовании комплексной методологии в организационно-техническом плане стали не только отдельные составные части ракетного комплекса (РК), охватывающего большое число разнородных по своей сущности технических средств и объектов, но и ракетный комплекс в целом. Типовой РК включает в свой состав определенное число ракет и пусковых установок, командные пункты, системы управления и связи. Наземное технологическое оборудование и другие вспомогательные средства в виде специальных механизмов, агрегатов, машин, аппаратуры, систем строительных сооружений, в совокупности образуют комплекс средств обеспечения функционирования ракет при их эксплуатации и целевом применении. При комплексной методологии проектирования РК ведется как единое целое по общему замыслу головного разработчика, координирующего деятельность всех разработчиков, без деления РК на главные и второстепенные составные части и подчинения выбора параметров последних, обеспечению предельных показателей других его составных частей, искусственно выбираемых в качестве главных. Это значит, что при комплексной методологии проектирования РК исключается бытовавшая недооценка комплекса средств, обеспечивающих эксплуатацию и целевое применение ракеты, нерациональность построения которых может резко снизить эффект от ее совершенства. При этом каждое проектное организационно-техническое решение принимается на основе комплексного рассмотрения всеми разработчиками в самых различных аспектах проблемы создания и целевого применения возможных вариантов построения проектируемого образца РК и его составных в неразрывной связи с возлагаемыми на них задачами, а также всестороннего 11 учета научно-технических, промышленно-экономических, эксплуатационных, общественно-политических и других факторов, характерных для протекания жизненного цикла данного образца. Из изложенного следует, что комплексная методология проектирования объектов ракетной техники охватила методологии не только технического проектирования, но и их операционного и экономического проектирования. При становлении комплексной методологии операционное проектирование оформилось как новая составная часть общей методологии проектирования ракет, в ходе реализации которой выбираются цели разработки, способы производства, эксплуатации и целевого применения разрабатываемых образцов РК, а также дается количественная оценка результатов возможных ситуаций с применением различных вариантов этих образцов РК с целью выработки наиболее рациональных проектных решений. Оно базируется на теории исследования операций, обобщающей и систематизирующей количественные методы оценки ситуации и подготовки решений задач различной природы. Перенося методы точных наук на решение проблем, выходящих из сферы чистой науки, теория исследования операций вооружила проектантов способами формализации и выбора стратегий решения проектных задач, для которых не удается осуществить оперативный эксперимент и отсутствует полная определенность. Операционное проектирование позволило устанавливать количественное соотношение между результатами технического и экономического проектирования, соизмерять цели и затраты, возможности и потребности, определять совершенство образцов РК на основании комплексных критериев технико-тактико-экономической эффективности. Экономическое проектирование также стало новой составной частью теории создания объектов ракетной техники, при которой анализируются пути и способы разработки, промышленной реализации и функционального использования того или иного варианта построения РК с точки зрения их экономической оценки для минимизации требуемых суммарных материальных затрат и принятия наиболее экономических обоснованных проектных решений. Благодаря этой составной части комплексная методология проектирования приобрела направленность экономического проектирования с превращением денег в одного из главных арбитров в технических спорах, возникающих при создании ракетной техники. В связи с использованием при комплексной методологии проектирования технических, операционных и экономических методов, проектный анализ и синтез при создании РК стали носить технико-экономический характер, что весьма существенно преобразило традиционный методический аппарат их технического проектирования. Внедрение комплексной методологии в 12 практику создания РК резко расширило возможность объективного решения необходимого круга проектных задач, в том числе ранее недоступных методологиям энергетического и технического проектирования; изменило ранее сложившийся (с позиции энергетической и технической методологии проектирования) представления об оптимальных решениях многих традиционных проектных задач; усложнило организацию процесса проектирования и потребовало широкого внедрения в практику методов вычислительной математики, программирования и электронно-вычислительных машин. При этом разработка каждого нового образца РК рассматривается не только как смежное техническое, но и крупное промышленно-экономическое и общественно-политическое явление, требующее к себе комплексного государственного подхода. Необходимость постоянного совершенствования техники является причиной поиска путей дальнейшего совершенствования и теории создания этой техники в плане более полного соответствия ее современным требованиям, что потребовало в конце 70-х годов критического рассмотрения опыта использования отечественной комплексной методологии. Как уже отмечалось ранее, суть содержательной основополагающей части любой теории определяется использованным в ней общенаучным концептуальным подходом, в связи с чем критическому осмысливанию в первую очередь, был подвергнут комплексный системный подход, лежащий в основе отечественной теории создания технических систем. Системный подход до настоящего времени не имеет единой формулировки и рассматривается как некий «золотой ключик» для решения различных проблем. При этом он нередко трактуется как нечто совершенно неизвестное до наших дней, как общая методология науки, чуть ли не новая философия, призванная заменить все существующие методологические, мировоззренческие концепции, включить в себя все другие методологические средства. Системный подход представляет собой общенаучную (т.е. нефилософскую, но сохраняющую тесную связь с философией) концепцию. Системный подход содержит в себе два аспекта: во-первых, в определенном понимании самого объекта исследований именно как системы, а во-вторых, в понимании процесса исследований как системного по своей логике и применяемым средствам. Основополагающей категорией системного подхода считается система (от греческого sistema – целое, состоящее из частей), которая является не простым объединением своих частей. Отсюда и отрицание элементаризма – 13 подхода, неверно ориентирующего на простой синтез системы из ее элементов, на простое объединение или «сосуществование» элементов. Несмотря на то, что идея системного строения мира является ровесницей философии, наука до последнего времени развивалась исходя из противостоящего системному подходу элементаризма, считающегося не только доступным, но и законным принципом исследований. Однако следует отметить, что системный подход не отражает содержания всей совокупности принципов диалектики (в первую очередь, ее творческую преобразующую направленность, обеспечивающую развитие системы), в связи с чем он не может рассматриваться как самый универсальный и базовый для разработки теории создания современной техники, исключающий другие, ранее используемые, и новые, более универсальные общенаучные подходы. Усовершенствованный подход для построения общей теории создания объектов современной техники должен отражать не только системную организацию их построения, но и всех остальных проектных объектов, факторов и процессов. Он также должен отражать эволюционную природу их происхождения и управленческую, активную суть деятельности разработчиков, лежащую в основе всего процесса их совершенствования, обеспечивающего техническую эволюцию, направленную на постоянное повышение качества технических объектов, создаваемых для использования в народном хозяйстве. Современный, наиболее универсальный, концептуальный подход для построения теории создания современной техники, оставаясь комплексным, должен включать в себя не только системный, но и эволюционный и управленческий подходы. Такой синтезированный на их основе универсальный общенаучный подход назвали кибернетическим. Кибернетический подход как термин и концепция уже нашел практическое применение. Сейчас особенно хорошо виден реальный вклад кибернетики в научное мышление, которое приняло на вооружение понятие обратной связи, управления, информационного подхода. Важнейшим положением кибернетического подхода к исследуемым объектам является представление об их непостоянстве, что требует эволюционного подхода при их рассмотрении. Управленческий подход придает целенаправленный, преобразующий характер кибернетическому подходу. Конкретное выражение на практике он находит в программно-целевом подходе, предполагающем выбор целей и средств, реализуемых в определенной временной последовательности, обеспечивающей планомерное достижение этих целей за счет программного управления адекватными средствами. 14 Если научным фундаментом системного подхода является общая теория систем, развитие которой связано с его становлением, то научным фундаментом кибернетического подхода следует считать теоретическую кибернетику. К 60-м годам сформировалось применение кибернетики не только как ЭВМ, но и прикладные направления развития теоретической кибернетики: техническая, военная, экономическая, медицинская, биологическая, инженерная. Таким образом, теоретическая кибернетика – наука об общих законах управления системами самой различной природы, реализуемых на основе получения, хранения, передачи и преобразования информации в сложных управляющих системах. Определение теоретической кибернетики не установилось и однозначно не определена структура построения ее методологии, которая определится после накопления данных практического опыта применения, как самой теоретической кибернетики, так и ее возможных многочисленных прикладных направлений. Если проанализировать работы, касающиеся структуры построения кибернетики, то с позиции современного уровня понимания методология теоретической кибернетики включает в себя теории моделирования, информации, автоматов, алгоритмов, автоматического управления, знаковых систем (формальных языков и грамматик), распознавание образов и самоорганизующихся систем управления, а также соответствующие ее теории математического обеспечения (в частности, охватывающие наряду с традиционным математическим инструментарием, такие новые и наиболее абстрактные области математики как теории множеств, графов, ячеек, сетей, математической логики и векторной алгебры, статических решений, вероятностей, случайных процессов, игр, тензорного исчисления, адаптации, программирования и др.), а также теории ее вычислительного обеспечения. Важным принципом кибернетического подхода следует считать и определенный алгоритм его реализации в любой области практического применения, который можно представить следующими типовыми операциями: 1. Установление актуальных, программных целей, формирование и постановка задач по их достижению. 2. Выбор для достижения этих целей, объектов и средств в форме систем соответствующей их сложности. 3. Определение характерного для этих систем окружения в течение всего периода их существования. 4. Изучение предыстории, состояния и возможных направлений развития выбранной системы, ее окружения и процессов их взаимодействия. 15 5. Установление параметров, определяющих качество этой системы, а также формирование программных уровней полного качества системы, учитывающего как степень достижения поставленных целей с их использованием, так и связанных с этим затрат. 6. Организация замкнутых контуров управления качеством системы для целенаправленного перевода ее из существующего в намеченное состояние. 7. Моделирование и максимальная формализация системы, окружения и всех, имеющих к ним отношение объектов, процессов и факторов на основе математического и вычислительного обеспечения теоретической кибернетики. 8. Реализация процессов управления качеством системы на основе использования всей необходимой информации, циркулирующей по каналам прямой и обратной связи. Можно утверждать, что число прикладных направлений развития теоретической кибернетики будет в дальнейшем возрастать по мере расширения кибернетического подхода в тех областях деятельности, где должны учитываться практически повсеместно присутствующие факторы системности, развития и управления, а использование методов кибернетики может дать соответствующий положительный эффект. Использование кибернетического подхода и теоретической кибернетики для решения проблемы дальнейшего развития теоретического обеспечения процессов создания и применения современной техники, в основе которых лежат процессы управления ее качеством, стало научным фундаментом для формирования нового направления развития теоретической кибернетики – инженерной кибернетики, которая объединяет методологию решения инженерных задач по управлению качеством различных технических объектов, формирующий общую теорию создания новых объектов современной техники. 16 ГЛАВА 2 Сущность технической системы. Назначение технической системы. Структура технической системы. Состояния технической системы. При рассмотрении технической системы нужно, прежде всего, определить такие ключевые характеристики, как ее назначение, способ действия и структура. При этом мы рассмотрим также вопрос о состояниях технической системы. В причинно-механическом смысле любая техническая система подчиняется принципу причинности: каждое событие в технической системе имеет одну или несколько причин и одновременно является причиной ряда других событий. Без причины ничто не происходит. В философии принцип причинности, понимаемый как более или менее сильная взаимосвязь событий, является объектом обширной полемики. Однако эта полемика не относится к «машинной теории жизни» и не затрагивает область техники, особенно технических систем. При более подробном рассмотрении причина распадается на три компонента: – обстоятельства, при которых что-то происходит; – внутренние условия, при которых осуществляется событие; – повод, который является непосредственной причиной. «Действие» осуществляется тогда и только тогда, когда существует причина. Эти утверждения основываются на опыте людей и бесчисленных наблюдениях природных явлений, которые обобщены и исследованы в физике, химии, биологии и других науках. Понятие причинности сформулировано в результате обобщения этого опыта. Людям свойственно стремиться к осуществлению желаемых событий и достижению своих целей. С точки зрения причинности, определенное действие стремятся совершить там и тогда, где и когда в нем есть надобность. Кроме причинности, можно говорить также о целеустремленности, наличие которой помогает человеку определенным образом формировать свою жизнь. Он использует в своих целях физические, химические, биологические и другие процессы в рамках существующих технико-экономических условий. Исходя из принципа причинности, человек создает причинные системы (цепочки действий) и собственно причины, которые должны обеспечить требуемое действие в нужный момент времени. Описанный процесс развития от причин к следствиям для достижения поставленной цели имеет место при проектировании и конструировании технических систем, которые в смысле причинности реализуют систему причин 17 и осуществляют действие. При этом должны соблюдаться условия функционирования системы, в том числе условия реального окружения. После этого философского экскурса в проблему сущности технических систем можно более подробно рассматривать вопрос об их назначении. Технические системы выполняют бесчисленные и разнообразные действия типа фиксировать, двигать, хранить, нагревать, соединять, разделять, уплотнять, управлять и др., служащие для удовлетворения потребностей людей. Подобно функционированию и назначению, следует делать различие между технической и целевой функциями технической системы. В технических системах для реализации их назначения используются известные природные эффекты, например, эффект рычага, гравитация, эффект расширения при повышении температуры, эффект электрического поля в проводнике, движущемся в магнитном поле, и другие физические, химические и биологические явления. Взаимодействие составных частей технической системы таково, что реализует внутренний технический процесс и тем самым создает требуемое внешнее воздействие. Так, используя зубчатую передачу, изменяют число оборотов и направление вращения. Такая причинная цепочка с превращением следствий (выходов) в причины (входы) следующих операций характеризует способ действия (способ функционирования) технической системы. Внутренние преобразования в технической системе либо описывают внутренними функциями системы и тогда изображают назначение системы в виде ее функциональной структуры, либо характеризует средствами (т.е. исполнительными органами), осуществляющими эти функции, и тогда способ действия системы может быть представлен как ее органоструктура. Исполнительные органы можно рассматривать на различных уровнях абстрагирования; тем самым определяется также и степень абстрактности соответствующих им функций. Техническая система может быть создана только в том случае, если имеется возможность создать и желаемым образом объединить ее составные части. При этом посредством структуры должны быть реализованы (в возможно более полной мере) определенные свойства, обеспечивающие желаемое функционирование системы. Рассмотрение технических систем с точки зрения структуры приводит к понятиям структурных элементов и групп, которые находятся между собой в определенных геометрических, механических, энергетических и других отношениях. Структура представляет собой как бы «рентгеновский снимок» объекта. В конструкторском деле обычно она характеризуется чертежом и спецификацией. Структура объекта при том расчленяется на элементы и группы в зависимости от принятой точки зрения (например, сборки или функционирования). Структурные группы 18 четырех уровней в данном случае определяются требованиями изготовления (технологическая группировка). В ходе развития от возникновения и существования до ликвидации любая техническая система проходит ряд типичных состояний, обусловленных изменением состава системы преобразований. При обсуждении, моделировании или изображении технической системы необходимо сразу же указать соответствующие состояния для выбора правильной точки зрения и определения системы преобразований. Инженер-конструктор должен представлять себе эти состояния, для того чтобы установить, в каком из них находится конструируемая им система. Там, где недостаточно одного воображения, полезны эксперименты на модели. 19 ГЛАВА 3 Классификация систем. Цель системы. Качество системы. Эффективность системы Системы могут быть классифицированы для удобства по нескольким категориям, каждая из которых обладает определенной общностью. Любая классификация, отражая объективные различия, является целевой и условной. Разные цели исследований порождают различные классификации. Наиболее общая классификация систем предусматривает их деление по происхождению на естественные, искусственные и смешанные. Естественные системы представляют собой совокупности объектов природы и подразделяются на неорганические (неживые), биологические, экологические и др. Искусственные системы - это совокупности социально-экономических и технических объектов. Искусственные системы могут быть разделены на материальные и абстрактные. В частности, к материальным системам относят технические объекты, такие как механизмы, машины, летательные аппараты, ЭВМ и т.д. Примером абстрактной системы является математическая модель системы, система математического обеспечения ЭВМ и т.д. Смешанные системы созданы человеком, но от искусственных систем они отличаются участием человека в работе системы. К числу смешанных систем принято относить системы обслуживания. Примером может быть совокупность искусственной и организационной системы в лице коллектива людей, участвующих в эксплуатации искусственной (технической) системы. Человеческий компонент системы обслуживания часто называют организационной системой. Подавляющее большинство систем, которые будут рассматриваться ниже, относятся к искусственным, для которых имеется установившийся термин - технические системы. Предполагается, что в основе функционирования технических систем лежат процессы, совершаемые механизмами. Системы могут быть классифицированы и по сложности. Сложность системы определяется сложностью структуры. По сложности системы подразделяются на элементарные и сложные. Существуют различные определения понятия «сложная система». Их различие в основном связано как с физической природой системы, так и с задачами исследования. В частности, в соответствии с одним из определений систему считают сложной, если она представляет собой целостную (т.е. обладающую системным свойством) совокупность большого числа систем различной физико20 технической природы. В действительности в ежедневной практике наиболее распространенными являются сложные смешанные системы. Их сложность принято оценивать сложностью структуры, которая характеризуется следующими признаками: • наличием структурных уровней различной природы (искусственный, естественный, организационный и т.д.); • многоуровневой структурой искусственного уровня; • большим числом компонентов различной физико-технической природы; • целостной подсистемой на каждом структурном уровне с целями, подчиненными цели сложной системы; • большой ролью информационных связей в образовании сложной системы. Применительно к техническим системам воспользуемся определением, наиболее подходящим для обсуждаемых далее проблем, а именно, сложной технической системой (СТС) называется техническая система, представляющая собой целостную совокупность технических компонентов, объединенных функциональными, организационными и информационными связями. Различие в понятиях «техническая система» и «сложная техническая система» в достаточной мере условное, но тем не менее весьма определенное. Отличительной особенностью СТС является тот факт, что взаимодействие ее компонентов осуществляется благодаря информационным связям, и благодаря именно информационным связям СТС приобретает функциональную целостность. Необходимо отметить, что технические системы взаимодействуют не только между собой, но и с естественными системами. Это взаимодействие с живым миром, когда результатом могут быть нежелательные последствия, должно быть предметом особого внимания. Рис. 3.1 Структура системы 21 Система организована определенным образом: она объективно состоит из взаимосвязанных частей - компонентов. Каждая из систем (рис. 3.1) является частью другой более обширной системы (надсистемы) и, в свою очередь, может включать в свой состав ряд систем более низкого уровня (подсистем). Так определяется иерархия (от греч. hieros - священный и arche ­ власть) системы, т.е. расположение компонентов целого в порядке от высшего к низшему («пирамида» систем). Выделение тех или иных компонентов в системе определяется двумя факторами: с одной стороны - объективно существующими свойствами системы, с другой - субъективным подходом исследователя (его целями, знаниями о системе и исследовательскими возможностями). В результате членение реальной целостной системы является относительным и условным. Между компонентами системы, а также между компонентами системы и среды имеется множество разнообразных связей. Связи между компонентами системы принято называть внутренними, между компонентами системы и среды - коммуникативными. Среди множества связей в системе имеются связи, необходимые для функционирования системы в направлении достижения цели. Благодаря этим связям совокупность компонентов приобретают системные свойства (свойство целостности). Такие связи называют структурными, или системообразующими. На систему действуют внутренние и внешние (со стороны среды) возмущения, они стремятся разрушить систему, препятствуя достижению ее цели. Благодаря структурным связям система сохраняет свои свойства и структуру при воздействии возмущений, изменении внешних и внутренних условий. Благодаря системаобразующим (структурным) связям между компонентами их совокупность приобретает системные свойства, отсутствующие у компонентов системы. Совокупность компонентов и структурных связей определяет структуру системы. Каждый компонент обладает определенной функцией, которая обуславливается его объективными свойствами и структурными связями. Исполнение компонентом своей функции дает определенный результат вне этого компонента - в надсистеме. Иерархии компонентов соответствует иерархия их функций, на верхнем уровне которой находится функция системы. Функция системы не совпадает ни с одной из функций компонентов и определяется структурой системы. Каждый компонент системы, выполняя свою функцию, реализует при этом определенную физическую операцию. Компоненты, связанные друг с другом функционально, образуют функциональную структуру системы. 22 Описание компонентов системы, структурных и коммуникативных связей принято называть моделью структуры. Наиболее распространенный вид модели структуры - структурная схема. Возможно также описание структуры в виде списка или таблицы. Техническая система создается для достижения определенной цели, сформулированной человеком. Эта цель может быть либо тривиальной (например, распределение электрической энергии), либо такой грандиозной, как пилотируемый полет на Марс. Цель должна быть предельно ясно определенной и понятной, с тем чтобы могли быть выбраны компоненты, обеспечивающие желаемый выход при заданном перечне исходных данных (входе в систему). Очень важно определить цель системы так, чтобы потребности заказчика были удовлетворены наилучшим образом. Любая деятельность человека имеет целенаправленный характер, т.е. направлена на достижения определенной цели. Цель - это желаемое состояние системы или результат ее деятельности. Иерархической структуре системы соответствует иерархия целей ее компонентов. Благодаря согласованности своих целей все компоненты системы работают целенаправленно для достижения общей для них цели. Цель системы достигается путем реализации целей ее компонентов - подсистем, поэтому цели подсистемы (подцели) можно рассматривать как средства достижения цели системы более высокого уровня. Подцели или средства достижения цели иногда удобно определять, как задачи, выполнение которых необходимо для достижения выше стоящей цели, т.е. понятия «цели подсистемы», «средство достижения цели системы» и «задача системы» эквивалентны. Графическое описание иерархической структуры целей представляет собой граф, называемый деревом. Такой граф состоит из частей, каждая из которых, кроме одной исключительной, имеет только одну непосредственно предшествующую часть. Вышеупомянутая исключительная часть называется корнем дерева; все остальные части называются ветвями различного ранга. Корень считается ветвью нулевого ранга. Ветви, для которых непосредственно предшествующим является корень, считаются ветвями 1-го ранга и т.д. Отметим следующую особенность целеобразования. Цель высшего уровня определяется достижением подцелей, однако это не простое сложение, так как реализация каждой из подцелей приводит к достижению качественно новой цели высшего уровня. Другими словами - цель системы подчинена цели надсистемы и служит средством достижения последней. По отношению к целям одного уровня иерархии принято вводить понятие «приоритетности», 23 характеризующее степень важности данной цели по сравнению с другими целями того же уровня. Установление приоритетности целей называют их ранжированием. При создании системы одной из ключевых проблем является формирование модели цели, представляющей собой список требований, удовлетворение которых обеспечивают достижение поставленной перед системой цели. Список требований можно получить, конкретизируя и уточняя качественное описание назначения системы и указывая количественные показатели производимого действия, объекта, на который направлено действие, условия и ограничения, при которых выполняется действие. При выборе показателей желательно, чтобы показатели: • обеспечивали оценку достижения определенного требования; • были чувствительными к выбираемым параметрам рассматриваемых вариантов решения; • были достаточно простыми, имели ясный физический смысл с тем, чтобы не возникало затруднений при интерпретации результатов анализа. Совокупность показателей может быть представлена в виде n-мерного вектора K= ki, i= l ...n. (3.1) Каждая из компонент этого вектора должна удовлетворять одному из следующих условий: kk = 𝑘𝑘𝑑 , т.е. показатель kk должен быть равен некоторой величине 𝑘𝑘𝑑 ; k1 ≥ 𝑘𝑙𝑑 или k1 ≤ 𝑘𝑙𝑑 , т.е. имеет место ограничение на показатель k1; kextr → kmin или kextr → kmax , т.е. показатель kextr должен быть минимально (максимально) возможным. Обычно первые две группы показателей принято относить к показателям качества, определяющим в совокупности качество системы, невыполнение которых приводит к тому, что система оказывается непригодной для решения поставленной задачи; а третью группу показателей относят к показателям эффективности, которые используются в качестве количественной меры для принятия решения. Качество системы - одно из важных положительных (с позиции надсистемы) свойств системы, обеспечивающих работоспособность системы, т.е. пригодность системы к выполнению своего назначения. Эффективность системы (как понятие) можно трактовать как фактический или ожидаемый результат (эффект) функционирования системы, служащий средством достижения цели надсистемы, или как количественный показатель, отражающий, в какой степени системой достигнута поставленная цель. 24 Различие между этими группами состоит в том, что первые позволяют выявить альтернативы технических решений, а вторые - выбрать из них лучшие. Эффективность является внешним свойством системы, и оно проявляется в надсистеме. Надсистема вынуждена «платить» за получение эффекта функционирования системы, «платить» затратами ресурсов на создание и эксплуатацию системы (денег, оборудования, материалов, энергии, рабочей силы и т.д.). Затраты ресурсов на создание и эксплуатацию системы - внешнее по отношению к системе явление: затраты происходят в надсистеме. Без учета затрат ресурсов эффективность сама по себе не дает оснований для выбора лучшей из возможных вариантов системы. Можно добиться очень высокой эффективности за счет чрезмерных затрат, но ресурсы всегда ограничены. Если стремиться к наименьшим затратам, то можно получить очень низкую неприемлемую эффективность. Существует много альтернатив достижения цели системы; для каждой из них требуются различные затраты ресурсов. Следовательно, предпочтительную альтернативу можно выбрать только с помощью критерия, учитывающего как эффективность системы, так и затраты на ее создание и эксплуатацию. С учетом приведенных выше соображений для принятия решения по выбору варианта системы особый интерес представляет соотношение «эффективность - стоимость». Под стоимостью в таком случае принято понимать общее количество затраченных ресурсов на создание системы. Так как эти ресурсы весьма многообразны по форме (материалы, энергия, работа персонала и т.д.), то их представляют в виде денежной меры (в рублях, долларах или в каких-то условных денежных единицах). Экономически эффективная система должна обеспечивать баланс между стоимостью и эффективностью: система при некотором количестве израсходованных ресурсов должна обеспечить максимальную эффективность, или должна быть предельно дешевой при достигнутой эффективности. Очевидной слабостью такого подхода является тот факт, что любой из вариантов, способный достичь поставленной цели, будет иметь разные значения для этой пары, т.е. для пары «стоимость - эффективность». Тем не менее результаты такой оценки представляют интерес, так как позволяют сформировать некоторую обобщающую зависимость между эффективностью и стоимостью (рис. 3.2). Кривая на этом рисунке является огибающей для всех достижимых значений эффективности для текущего уровня технологий с позиции «эффективность - стоимость». 25 Рис.3.2. Соотношение «эффективность – стоимость»: 1 – максимальная эффективность при стоимости 𝐶1 ; 2 – максимальная стоимость при заданной эффективности Э2 С математической точки зрения - это функция max 𝑘 Э (𝑥, 𝐶) = 𝑘∗Э (𝑥 ∗ , С), (3.2) 𝑥∈𝑋 где 𝑘 Э - показатель эффективности системы; 𝑘∗Э – максимальное значение показателя эффективности; х - вектор, характеризующий вариант построения системы; 𝑥 ∗ - вектор, характеризующий вариант построения системы с максимальным значением показателя эффективности; С - стоимость системы. Точки над кривой на рис. 3.2 представляют решения, которые не могут быть реализованы доступными в данный момент технологиями, что не исключает их реализацию в будущем. Точки под кривой рис. 3.2 представляют решения, которые реализуемы при текущем уровне технологий, но, очевидно, что наилучшими являются решения, представляемые точками на кривой, которые принято называть экономически эффективными решениями. Рис. 3.3. Оценка соотношения «эффективность-стоимость» неопределенности: 1, 2, 3 – проекты с различными рисками 26 с учетом Зависимость также показывает, что бессмысленно требовать выполнения max𝑘 Э при min С и что выбор следует проводить для одной из двух постановок задач: • затраченные ресурсы должны обеспечивать наивысшую эффективность системы. В этой постановке выбирается вариант системы в соответствии с условием С = С1, max 𝑘 Э (𝑥, С𝑙 ), (3.3) 𝑥∈𝑋 обеспечивающим при заданной стоимости С1 максимальную ее эффективность𝑘∗Э (𝑥 ∗ , С); • требуемая эффективность системы должна быть обеспечена при наименьших затратах ресурсов. Тогда выбирается вектор системы 𝑥2∗ по условию 𝑘 Э = 𝑘2∗ , min 𝐶 (𝑥, 𝑘2Э ), (3.4) 𝑥∈𝑋 который обеспечивает при минимальных затратах ресурсов Сmin = С2 заданный уровень эффективности 𝑘2Э = 𝑘∗Э (𝑥2э , Cmin). В некоторых случаях удобно использовать относительный показатель «эффективность – стоимость», предполагающий максимальную эффективность на единицу затрат 𝑚𝑎𝑥 𝑘(𝑥) 𝐶(𝑥) . (3.5) Следует иметь в виду, что переход к более высоким показателям эффективности, т.е. движению по кривой слева направо, сопряжено с большим риском (рис. 3.3), так как для более эффективных решений, как правило, имеет место более высокий уровень неопределенности при рассмотрении такой задачи в вероятностной постановке. Рис. 3.2 и рис. 3.3 являются иллюстрациями характерных для системного инженера дилемм, например: - снижение стоимости при фиксированном уровне риска сопряжено со снижением характеристик; - снижение уровня риска при фиксированной стоимости сопряжено со снижением характеристик. 27 ГЛАВА 4 Разбиение жизненного цикла на этапы. Содержание работ по этапам Жизненный цикл - это интервал времени от начала создания сложной технической системы до конца ее эксплуатации и утилизации. Понятие «жизненный цикл» в инженерных дисциплинах, связанных с созданием сложных технических систем (СТС), объясняется тем, что СТС претерпевает большие изменения - от момента возникновения замысла до прекращения функционирования - подобно циклу живого организма - от зарождения до смерти. Это понятие является одним из фундаментальных в системотехнике, оно способствует улучшению управляемости процесса создания и эксплуатации системы. Весь этот период разбивается на некоторое число этапов, каждый из которых строго регламентирует содержание работ в его рамках и состав выходных документов. Разбиение жизненного цикла на этапы регламентируется в России нормативными документами федерального уровня как для страны в целом, так и индивидуально для отраслей. При этом в качестве объекта принят комплекс, под которым в соответствии со сложившейся терминологией принято понимать совокупность составных частей, систем, агрегатов, приборов, обеспечивающих функционирование и выполнение задач в соответствии с тактико-техническим заданием на комплекс. Создание, производство и эксплуатация комплексов и входящих в них составных частей должно осуществляться по следующим этапам: • техническое предложение (аванпроект); • эскизный проект; • разработка рабочей документации на опытные изделия комплекса и макеты; • изготовление макетов и опытных изделий комплекса, автономные испытания и корректировка рабочей документации; • изготовление опытных изделий комплекса, комплексные и межведомственные испытания и корректировка рабочей документации; • подготовка документации на изделия серийного производства; • подготовка и освоение серийного производства, изготовление, испытания изделий и корректировка документации на изделия серийного производства; • ввод в эксплуатацию; • эксплуатация; • утилизация. 28 Границы между этапами устанавливаются таким образом, чтобы более или менее сохранить естественную целостность отдельных видов работ. При этом предусматривается, что если по проекту при прохождении «границ» обнаружены недостатки, то разрабатывается соответствующий план мероприятий по их устранению с указанием, как правило, даты и ответственных за их реализацию организаций. При разбиении жизненного цикла на этапы (рис. 4. 1) прежде всего устанавливается граница между созданием, серийным производством и эксплуатацией комплекса, позволяющая разделить фронт работ для Разработчика комплекса и Заказчика. Здесь далее под Заказчиком подразумевается организация (министерство, ведомство и т.д.), в интересах которой создается комплекс, и которая подписала техническое задание на создание комплекса. Рис. 4.1. Жизненный цикл комплекса (системы) Даже при таком формальном разделении Заказчик в определенной степени постоянно участвует в процессе создания системы, Разработчик привлекается к работам по эксплуатации комплекса и его утилизации (или снятию его с вооружения). 29 Следует отметить, что созданию комплекса предшествуют постоянно ведущиеся в стране научно-исследовательские работы, по результатам которых обосновывается необходимость в конкретном комплексе и его характеристики и разрабатывается проект тактико-технического задания (ТТЗ). Три последующих этапа (разработка технических предложений, эскизного проекта и рабочей документации) объединяются понятием «проектно-конструкторские работы». Процесс создания сложной технической системы (комплекса в рассматриваемом случае), реализуемый в рамках выше представленных этапов с определенными нормативными документами границами, имеет итеративный характер в рамках отдельных этапов с поступательным движением слева направо. При этом имеет место не строгая последовательность работ, т.е. начало последующей работы по окончании предыдущей, а параллельное ведение работ, относящихся к этапам, представленным выше как последовательно реализуемым. Так, параллельно с проектно-конструкторскими работами ведутся работы по подготовке производства и подготовке к эксплуатации. Это объясняется, прежде всего, стремлением сократить общую продолжительность этапа создания. Такой трансформации структуры работ способствует появление в процессе проектирования информации, необходимой для развертывания работ, характерных для последующих этапов. Объемы работ и временные затраты в рамках отдельных этапов для различных по физической природе и масштабам комплексов могут быть разными, но функции составляющих жизненного цикла, представленных на рис. 4. 1, являются неизменными. Проектирование в рамках жизненного цикла сосредоточено одновременно как на удовлетворении потребностей пользователя, так и на результатах (последствиях) жизненного цикла в целом. Более того, при системном подходе к созданию системы, как правило, в обязательном порядке рассматриваются такие показатели, как производительность, надежность, ремонтопригодность, возможность утилизации и другие в такой же мере, как технические характеристики системы и эффективность. Задачи, характерные для этих этапов, могут отличаться новизной и сложностью: • создание новой системы для решения новых целевых задач или получения принципиально новых свойств системы при решении новых задач; • модернизация системы (комплекса) - изменение ее параметров (а иногда и структуры) с целью улучшения одного или нескольких свойств. При решении любой из перечисленных задач последовательность их решения и специфика содержания этапов сохраняются. 30 Обоснование необходимости создания. Эти работы предшествуют, как отмечалось выше, созданию системы. В них исследуются текущие потребности отраслей народного хозяйства. Исследования проводятся в рамках научноисследовательских работ (НИР), к которым привлекаются отраслевые НИИ, НИИ смежных отраслей, академические институты, потенциальные исполнители и многие другие организации. Этот этап иногда принято называть внешним или системным проектированием системы. Такое название связано с тем, что на этом этапе сложная техническая система рассматривается как компонент системы более высокого уровня (надсистемы), учитывается взаимодействие системы с окружающей средой и с другими компонентами надсистемы, оцениваются результаты, которые будут получены от эксплуатации создаваемой системы. Основным результатом внешнего проектирования является проект тактико-технического задания на систему (комплекс). По окончании этапа научно-исследовательских работ проводится экспертиза результатов НИР, делаются замечания, по которым корректируются исходные данные на разработку системы и ТТЗ. Техническое задание содержит, как правило, следующие разделы: • наименование и индекс разработки; • основание для разработки; • цель разработки и назначение системы; • тактико-технические требования; • требования к стандартизации; • технико-экономические показатели; • эргономические требования; • порядок разработки, испытания, приемки и окончания работ; • приложения и др. Согласование ТЗ между Заказчиком и Исполнителем (головной организацией), как правило, носит сложный характер из-за ограниченности сведений о будущем объекте, особенно если система (комплекс) отличаются высокой степенью новизны. Разработка технического предложения (аванпроект) - этап создания комплекса, целью которого являются предварительное определение технического облика будущего комплекса, его состава, предварительное технико-экономическое обоснование работ, разработка документов сквозного планирования работ, предложение о составе соисполнителей. Разработка технического предложения проводится на конкурсных началах несколькими головными организациями совместно с соисполнителями. 31 Техническое предложение - это совокупность документов, содержащих технические и технико-экономические обоснования целесообразности разработки изделия на основании ТТЗ и исследования. Различных возможных вариантов объекта, сравнительной оценки вариантов и решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей разрабатываемого и существующих изделий, а также патентных и информационных материалов по изделиям аналогичного назначения. В техническом предложении содержится: • краткое техническое описание и предложения по схеме деления комплекса (в том числе по схеме деления составных частей, основных систем, агрегатов и приборов), обоснование основных технических решений и принципов функционирования комплекса и его изделий, обеспечивающих получение основных тактико-технических и эксплуатационных характеристик; • проработка возможных вариантов комплекса, путей решения возникших технических и технологических проблем и вопросов, проработка и предварительная оценка энергетических, массовых и габаритных характеристик комплекса в целом и его изделий; • обоснование выбора рационального варианта компоновки комплекса, его составных частей и основных систем, материалов конструкции и т.д., возможностей экспериментальной и производственной базы, техникоэкономических показателей комплекса, зашиты от несанкционированного пуска, а также проработка основных технических и организационных решений по обеспечению безопасности эксплуатации комплекса и его изделий; • анализ соответствия технического уровня создаваемого комплекса и его изделий передовым достижениям отечественной и зарубежной науки и техники, сравнение выбранных вариантов комплекса по основным техническим и эксплуатационным характеристикам и технико-экономическим показателям с лучшими существующими и разрабатываемыми отечественными и зарубежными комплексами-аналогами с оценкой конкурентоспособности на мировом рынке; • разработка предварительных рабочих документов сквозного планирования и предварительного генерального графика (плана-графика) создания комплекса, предварительных графиков или планов-графиков создания изделий комплекса, предварительных планов капитального строительства и др. К составу и объему технического предложения обычно предъявляются менее строгие требования по сравнению с последующим эскизным проектом. Некоторые проблемы практически только обозначены; обоснование требований к предлагаемому объекту часто базируется на опыте предыдущих разработок. 32 По завершении этого этапа его результаты подвергаются экспертизе головных отраслевых НИИ. Заключения (включая заключения по техническим вопросам, экологической безопасности, унификации и стандартизации комплекса и его изделий) на технические предложения организации, проводящие экспертизу, представляют Заказчику, головному разработчику комплекса, конкурсной комиссии и головному НИИ Заказчика. Разработка эскизного проекта. На этом этапе предусматривается анализ вариантов комплекса с целью выбора лучших, как правило, одного варианта; уточнение его состава, выбор принципиальных схемных и конструкторских решений, дающих общее представление об устройстве, конструкции, составе, принципах работы и особенностях изделий. Из многочисленных документов, разрабатываемых на этапе эскизного проектирования, в первую очередь следует отметить: • обоснование выполнения заданных в ТТЗ основных характеристик комплекса по результатам расчетно-теоретических, экспериментальных и других работ, перечни которых определены при разработке технических предложений; • техническое описание выбранного варианта комплекса и его изделий, обоснование принятых технических решений по созданию комплекса в соответствии с ТТЗ; • чертежи общего вида, теоретические и габаритные чертежи, схемы, их описания для основных изделий комплекса и комплекса в целом; • особенности функционирования, эксплуатации, сроки и условия хранения, условия транспортировки, основные данные по регламентным проверкам (техническому обслуживанию), а также технические и организационные решения по обеспечению безопасности эксплуатации комплекса и его изделий, снятию с эксплуатации и утилизации; • оценку эффективности, а также оценку выполнения требований к безопасности и жизнедеятельности экипажа - для пилотируемых комплексов, безопасности эксплуатации составных частей и систем, пожаровзрывобезопасности, защищенности от несанкционированного пуска и других характеристик в различных условиях эксплуатации; • оценку воздействия на окружающую среду, меры по охране окружающей среды в процессе создания, производства, эксплуатации (транспортирования и хранения) комплекса (его изделий), в том числе при возникновении аварийных ситуаций; • программу обеспечения надежности, содержащую перечень работ и мероприятий, проводимых на последующих этапах создания комплекса и его 33 изделий с целью обеспечения и подтверждения требований к надежности, заданных в ТТЗ. На этом же этапе уточняется и детализируется генеральный график создания объекта, который после согласования со смежными организациями и утверждения Заказчиком становится директивным документом в части сроков выполнения всех работ вплоть до проведения первого пуска. Экспертиза эскизного проекта внешними организациями проводится по схеме, аналогичной экспертизе технических предложений. Разработка рабочей конструкторской документации. На этом этапе предусматривается разработка полного комплекта конструкторской и технологической документации для изготовления и испытаний опытных изделий комплекса и макетов, в том числе программы обеспечения надежности, комплексной программы экспериментальной отработки комплекса и изделий комплекса, а при необходимости и документации на конструкторскотехнологические макеты; разработка технических условий и эксплуатационной документации. Изготовление опытных изделий комплекса. Автономные испытания и корректировка рабочей документации. Изготовление опытных изделий комплекса для отработки осуществляют по рабочей конструкторской документации, в том числе по ТУ на эти изделия, и соответствующей технологической документации. На этом этапе: • проверяют (отрабатывают) конструкторскую (в том числе эксплуатационную) документацию на конструкторско-технологических и действующих макетах, а также на опытных изделиях комплекса; • проводят корректировку конструкторской документации по результатам макетирования; • организации-изготовители совместно с организациямиразработчиками проводят соответствующую корректировку технологической документации в соответствии со стандартами ЕСТД; • организации-изготовители осуществляют предварительную проработку технологии серийного производства (для изделий, которые в дальнейшем будут изготовляться в серийном производстве) и отрабатывают технологическую документацию. После изготовления первого образца и его приемки отделом технического контроля составляется перечень замечаний и только после их устранения приступают к изготовлению следующих изделий. Комплексные и межведомственные испытания и корректировка рабочей документации. На этом этапе проводятся многочисленные комплексные испытания, в процессе которых осуществляется выявление несоответствий, 34 дефектов, «узких мест», отказов; внесение изменений в конструкторскую, технологическую и эксплуатационную документацию. Этап завершается выпуском итоговых отчетов о завершении экспериментальной отработки отдельных изделий и комплекса в целом. В результате экспертизы итогового отчета и других материалов экспериментальной отработки независимыми организациями выдается заключение о завершенности этапа, после этого принимается решение о готовности системы (комплекса). Изготовление штатных (серийных) изделий осуществляется по доработанной рабочей документации. После изготовления изделия подвергаются различным испытаниям, целью которых является подтверждение их качества. Ввод в эксплуатацию - это совокупность работ по подготовке, наладке, проверке правильности функционирования систем, агрегатов составных частей системы (комплекса) и системы (комплекса) в целом и приемке ее государственной приемочной комиссией (приемочной комиссией) в эксплуатацию, а также закрепление их за соответствующими должностными лицами эксплуатирующей организации. Перечень и очередность ввода в эксплуатацию составных частей комплекса определяются документами «сквозного» планирования. Вводу в эксплуатацию на объектах государственного Заказчика подлежат комплексы, их серийно изготовленные составные части и основные изделия. Эксплуатация системы (комплекса) - этап жизненного цикла изделия с момента принятия его эксплуатирующей организацией от завода-изготовителя или ремонтного предприятия, являющаяся совокупностью этапов ввода в эксплуатацию, приведения в установленную степень готовности к использованию по назначению, использования по назначению, хранения, транспортирования, снятия с эксплуатации и списания. На этом этапе происходит накопление информации о функционировании системы, осуществляется гарантийный надзор предприятий - разработчиков и изготовителей - за ее эксплуатацией, в процессе которой выявляются отказы, несоответствия, дефекты, и по результатам исследования их причин вносятся изменения в документацию. Как указывалось выше, разбиение жизненного цикла на этапы и их содержание регламентируется отраслевыми стандартами, в которых на основании ГОСТов, ЕСКД и других государственных нормативных документов формируется «свод правил» для организаций, принимающих участие в его реализации. Подобный подход просматривается и в других странах. Следует заметить, что на практике в зависимости от ситуации, в которой разрабатывается система, содержание работ по этапам по согласованию между 35 Разработчиком и Заказчиком может быть изменено. Решающим фактором для этого может быть чрезвычайная важность, сложность и экстренность разработки или другая крайность, наличие опыта по созданию аналогичных систем и даже готовых ее фрагментов. При этом любые изменения не должны вступать в противоречие с нормативными документами (ГОСТами и отраслевыми стандартами). В зарубежной практике распространено деление на этапы под названием А, В, С, D. В табл. 4.1 представлены сведения о содержании этих этапов и временная оценка каждого из них. Представленная в таблице временная оценка может рассматриваться только как некоторый ориентир, так как существенно зависит от сложности и новизны создаваемой системы. Таблица 4.1 Содержание этапов жизненного цикла сложной технической системы (по данным зарубежной литературы) А– С– D– Этапы концептуальные В– изготовлеэксплуаисследования детальная разработка ние и разтация вертывание Подэта- Обосно- Разработ- Опытные Проектипы вание ка концеп- разработ- рование необхоции ки и аттесдимости тация создания ТипоМемора- Меморан- Обзор Обзор Запуск Поддержвые ндум о дум о при- требовапредварика отчетпринятом нятом ре- ний к сис- тельного системы ные решении шении теме проекта докуОбзор Обзор менты проекта проекта системы Типовые результаты Типовые временные затраты Меморандум о принятом решении Сообще- КонцепДемонстра ние о ция систе- -ционный необхомы макет димости Непрерывно 1-2 года 2-3 года 36 Меморандум о принятом решении Рабочий Штатные проект; изделия инженерные макеты 3-5 лет 4-6 лет Работающая система 5-15 лет ГЛАВА 5 Эволюция процесса проектирования. Системотехника. Системный подход. Системный анализ. Задача синтеза технической системы. Декомпозиция задачи Проектирование - это процесс, охватывающий все этапы жизненного цикла любой технической системы, включающий по существу комплекс работ с целью получения описания нового (или модернизированного) технического объекта, достаточного для изготовления и эксплуатации объекта в заданных условиях. В соответствии с современным толкованием этого понятия под проектированием принято понимать процесс преобразования информации (содержащейся в техническом задании и нормативных документах, а также в знаниях проектанта) в информацию, образующую проект системы. Проектирование можно рассматривать как процесс выработки решений по самым разнообразным вопросам (например, из каких элементов должно состоять изделие, какими должны быть параметры каждого элемента и т.д.). Поскольку без количественных оценок принимать решение невозможно, то проводятся соответствующие исследования, которые представляют собой в основном математическое моделирование и эксперимент. Следует отметить, что никакие исследования не в состоянии учесть множество факторов, которые требуется учитывать при проектировании. Поэтому суждения руководителя, основанные на опыте, интуиции, знаниях и творческих способностях, необходимы и играют решающую роль. Не случайно при определении понятия «проектирование» некоторые исследователи относят его к искусству в большей мере, чем к науке. Как прикладная дисциплина, проектирование восходит к временам, когда на смену кустарного производства, характерного использованием при создании нового изделия метода «проб и ошибок», когда информация о будущем изделии хранилась в основном в виде усваиваемых при обучении ремеслу фиксированных навыков, пришли технологии предварительного описания изделия, позволившие отделить умозрительную разработку от практического изготовления. Рассматривая эволюцию процесса проектирования технических объектов, можно выделить несколько характерных этапов, отличающихся друг от друга используемым инструментарием и методическим подходом. Для первого этапа характерно появление чертежа как носителя информации о будущем изделии, отделение процесса разработки такого описания от изготовления. Предварительное описание изделия позволило разделить труд по изготовлению 37 отдельных частей изделия между несколькими работниками. Стало возможным создание изделий слишком больших, чтобы они могли быть изготовлены одним ремесленником. Следующий этап отличается от предыдущего использованием математических методов для предварительных расчетов создаваемых объектов. Использование математики позволяет объективно оценить качество будущего изделия, создать базу для сопоставления различных проектных вариантов. Последующие этапы характеризуются различной степенью использования математического аппарата и компьютерных систем от так называемого аналитического проектирования до системотехнического. Успехи проектирования на этих этапах связаны в основном с успехами математических наук и компьютерных технологий. Математическая модель стала основой оптимизационной модели синтеза. Решение практически значимой оптимизационной проектной задачи невозможно без использования вычислительной техники, что послужило мощным стимулом к компьютеризации проектного дела. Особенности алгоритмов оптимизации как формальных математических методов для выбора наилучшей альтернативы потребовали переработки проектных методик. Однократное решение «обратной задачи» (восстановление характеристик объекта по требованиям к нему) заменяется многократным решением «прямой задачи». Суть такого подхода заключается в варьировании характеристик проектируемого объекта под управлением алгоритма оптимизации и исключения - с помощью проверочных расчетов - неудачных вариантов. В соответствии с этим подходом окончательный вариант проектного решения выбирается из оставшихся (допустимых) по принятому критерию эффективности. Использование методов оптимизации в качестве универсального математического аппарата для решения разнообразных проектных задач выявило необходимость и возможность создания общей методологии проектирования. Естественным фундаментом такой методологии стал системный анализ, что позволяет говорить о современном этапе развития проектирования как о системотехническом. Соответствующее научное направление, связанное с разработкой систем (различной физической природы) возникло в начале 1950-х гг. в рамках общей теории систем. Ее развитие в напрамении создания технических систем получило название «Теория технических систем». Именно на базе этой теории, как реакция многих методологических усилий на запросы практики, в конце 1950-х гг. сформировалось самостоятельное научное направление - системотехника, 38 охватывающая методологические подходы к решению комплекса теоретических и практических задач, возникающих при создании сложных технических систем. К настоящему времени не существует единого общепринятого определения понятия «системотехника». В каждом из известных определений отражается тот факт, что системотехника в рамках деятельности организации (от формирования концепции до изготовления и эксплуатации) объединяет все дисциплины, вомеченные в создание технической системы, такие как механика полета, теплотехника, двигатели, системы управления, конструкция, экономика и др., а также тот факт, что системотехника рассматривает как экономические, так и технические проблемы всех категорий лиц, вовлеченных в процесс: заказчика, пользователей и др. Одно из известных самых полных определений представляется следующим образом: Системотехника - это приложение научных и технических усилий, с тем чтобы: • преобразовать потребности разрабатываемой системы в описание параметров системы и ее конфигурации в рамках итеративного процесса следующей последовательности действий: определение целей, синтез, анализ, разработка технической документации, испытание и оценка; • согласовать взаимосвязанные технические параметры и обеспечить совместимость всех физических, функциональных и программных интерфейсов, с тем чтобы оптимизировать систему в целом; • согласовать такие показатели, как надежность, ремонтопригодность, безопасность, выживаемость и др., в рамках общих усилий для достижения программных целей в части стоимости, графика работ и технических характеристик. В широком смысле слова системотехника является дисциплиной, предлагаюшей методологию создания сложных технических систем, в частности, проектирования систем, которые являются сложными в такой степени, что отдельный индивидуум не может охватить всю систему в деталях. В современной литературе для определения существа этой методологии принят термин системный подход, в соответствии с которым системный подход - это методология науки на уровне общенаучных принцилов и форм исследований, применяемых в самых различных отраслях науки. Собственно термин «системный подход» и возник как проявление единого методологического подхода к решению разнообразных задач прогнозирования и проектирования, программно-целевого планирования, 39 создания, эксплуатации и управления на различных этапах жизненного цикла сложных систем и комплексов. В основе системного подхода лежит стремление изучить объект (систему, проблему, явление, процесс) как нечто целостное и организованное во всей его полноте и во всем многообразии связей в объекте. Системный подход к исследованию систем различной природы представляет собой совокупность принципов организации и методологии их изучения и научно-методологический аппарат, необходимый для оценки систем в количественных или других объективных показателях. Принцилы системного подхода к исследованию сложных систем - это совокупность различных научно-методологических и организационных принцилов и приемов, позволяющих учесть основные общие свойства данных систем в процессе их изучения. Важнейшие из них следующие. • Принцип системности ориентирует исследователя на рассмотрение объектов как систем; при этом система рассматривается не изолированно, а во взаимосвязи с внешней средой, с учетом всего комплекса целей, связанных с системой. • Принцип централизованности определяет связность различных систем и подсистем в рамках единой системы более высокого уровня и подчиненности этих частных систем целям и задачам системы высшего уровня. • Целевой принцип требует построения всей иерархии целей и задач системы как для основной исследуемой системы, так и для соподчиненных систем. • Принцип комплексности определяет необходимость учета различных факторов и оценки взаимного влияния различных систем и подсистем на развитие исследуемой системы, требует рассмотрения системы и подсистем с различных точек зрения (например, с точки зрения техники, экономики, социологии и политических аспектов, времени разработки и т.п.). • Ресурсный принцип требует, как правило, ограниченных ресурсов для реализации подсистем, входящих в систему, и самой исследуемой системы. • Принцип вариантности отражает стохастический, т.е. вероятностный характер структуры системы и определяет необходимость разработки некоторого ряда вариантов подсистем и их связей в рассматриваемой системе. • Принцип этапности определяет необходимость выделения фаз и этапов исследований, каждый из которых характеризуется своей степенью детализации. • Принцип эффективности и оптимальности определяет необходимость выбора такого варианта построения подсистем, который обеспечивает 40 наибольшую эффективность рассматриваемой системы с учетом ограниченных ресурсов и возможности реализации в заданные сроки. Применительно к проектированию сложных технических систем системный подход предполагает, прежде всего, рассмотрение системы как единого целого. Для системы в целом формулируются цели, рассматривается ее взаимосвязь с внешней средой и формируется «пакет» требований, выполнение которых должно обеспечить достижение цели. Далее разрабатывается общая структура системы, включающая совокупность компонентов, характеризующихся их функциональным назначением в структуре, и определяются параметры этих компонентов, т.е. решается задача синтеза системы. Эти компоненты являются объектами последующих исследований. При этом если какой-то из компонентов также представляет собой сложную техническую систему, то процесс его исследования начинается в представленной выше последовательности. Системный анализ является основой научной методологии изучения сложных систем в количественных показателях. Он предусматривает применение арсенала современной математики или математической логики для исследования систем и количественных показателей с оптимизацией и поиском оптимальных или близких к ним квазиоптимальных решений. Системный анализ проводится обычно поэтапно на чередующихся операциях анализа и синтеза и направлен на раскрытие неопределенности системы, на получение более точных данных, на выявление основных взаимосвязей параметров системы, т.е. на последовательную замену незнания системы знанием о ней с количественной характеристикой компонентов и элементов. Под анализом понимается метод исследования путем логического (мысленного) разложения целого (системы, проблемы, процесса) на составные части и изучения отдельных сторон и свойств целого и его составных частей (например, анализ деформаций и напряжений конструкции, траекторный анализ, анализ аэродинамических характеристик, анализ теплового состояния и т.д.). Под синтезом понимают определение структуры и параметров технической системы и ее компонентов, которые удовлетворяли бы в максимальной степени предъявляемым к ним требованиям. Под структурой объекта понимают состав его компонентов и связи компонентов друг с другом. Параметр - это величина, характеризующая некоторое свойство объекта или режим его функционирования. Полагают, что структура системы дает ее качественное описание, а параметры количественное. 41 Как показала практика разработки сложных технических систем, их исследование делится на два достаточно отличающихся друг от друга комплекса работ, являющихся составными частями жизненного цикла системы: • выбор и построение структуры системы в целом (внешнее проектирование) - это выбор целей и задач развития на прогнозируемый период с комплексной оценкой различных факторов, построение так называемого «иерархического дерева» целей и задач и требований к комплексам, макропроектирование (системное проектирование) систем; • проектирование системы и ее компонентов (опытно-конструкторские работы), т.е. собственно разработка входящих систем и комплексов. Если известна основная задача комплекса, полученная при рассмотрении сложной технической системы, то и сам этап проектирования комплексов, также можно разделить на те же два комплекса работ: • формирование требований к комплексу и определение его облика при различных конкурирующих способах его построения; • рабочее проектирование выбранного варианта, предопределенное на первой фазе тактико-техническим заданием и предварительным обликом системы. Системный анализ, как упоминалось выше, состоит обычно из поэтапно чередуюшихся операций анализа и синтеза. Механизм использования этих операций (анализа и синтеза) отличается от этапа к этапу, но при этом неизменным остается общий алгоритм, предопределенный системотехническим отношением к решению проблем, включающий ряд следующих основополагающих процедур: • исследование расширенной задачи; • определение цели; • формирование концепции (выбор способа реализации цели); • формирование архитектуры (структуры) системы на базе конечного числа системообразующих элементов; • генерирование альтернативных вариантов системы на базе принятой архитектуры (структуры); • анализ вариантов с целью выбора наиболее предпочтительного (базового) варианта; • формирование требований к системам нижнего уровня (подсистемам). Список основных процедур не исчерпывает их полный перечень; в зависимости от уровня и специфики системы он может быть несколько расширен и даже сокращен. Последнее возможно, если в силу различных причин в исходных данных определены какие-то из указанных как искомые решения (например, определена концепция будущей системы). 42 Первая процедура состоит в изучении расширенной задачи, в которую входит задача, предварительно поставленная для исследуемой системы. Это может быть или задача более высокого уровня (надсистемы), или задача того же уровня, но охватывающая более широкий состав рассматриваемых компонентов. Определение цели предполагает, прежде всего, ее описание как словесное, так и математическое. В том и другом варианте - это ее представление в форме модели. В первом случае формулируется краткое описание на естественном языке, в котором представляется назначение системы или потребность в ее создании. Описание назначения состоит из трех атрибутов: • действия, выполнение которых приводит к желаемому результату; • указание объекта, на который направлено действие; • определение условий выполнения действий. Во втором случае предполагается конкретизация описания назначения с определением количественных показателей (характеристик), относящихся к действию, объекту и условиям. Таким образом формулируются требования к создаваемой системе и ограничения, что можно представить, как «образмеривание» цели или качественных показателей ее назначения. Описание цели предполагает также выбор критерия предпочтения (критерия), который должен соответствовать как модели цели, так и решаемой задаче (синтеза системы). Для глобальной оценки соответствия качеств синтезируемой системы целям ее создания применяется система критериев эффективности (функция цели), монотонно связанных с такой оценкой. Наилучшей считается система, для которой критерий достигает экстремального значения (минимума или максимума в зависимости от физической природы критерия). Показатели эффективности обычно тесно связаны с характеристиками системы; именно один из показателей эффективности часто используется в качестве критерия в задачах оптимизации. Критерий - это признак или условие, по которому выделяется наиболее предпочтительный, эффективный из различных вариантов, способов достижения поставленной цели при их сопоставлении. Критерий должен отвечать следующим основным требованиям: • быть представительным, т.е. учитывать все главные стороны функционирования системы; • быть чувствительным к изменению исследуемых параметров (показателей); • быть достаточно простым для получения оценки. 43 Среди показателей экономической эффективности наиболее значимой является прибыль, представляющая собой разность между полным экономическим выигрышем и затратами. Привлекательность такого показателя девальвируется из-за очень низкой точности его оценки, особенно в начале разработки сложных и уникальных изделий. Разработка концепции является одним из наиболее ответственных этапов разработки системы и требует большого опыта и широкой эрудиции. Концепция (от лат. conception - восприятие, общий замысел ) по существу представляет общий замысел того, как будущая система будет на практике функционировать. Под этим подразумеваются формирование принципиального подхода к достижению цели, который определяет «лицо» будущей системы. Каждой принятой концепции может быть поставлен в соответствие некий набор атрибутов и средств, обязательных для ее реализации, образующих совместно индивидуальную для концепции архитектуру (структуру) системы. Следует особо отметить два обстоятельства, связанных с формированием архитектуры: 1) концепция в архитектуре, имеющая ключевую роль и определяющая состав и характер взаимодействия ее компонентов; 2) каждый из компонентов архитектуры, который может быть реализован в различных вариантах. Формирование множества альтернатив системы является очень сложной и наиболее трудной задачей системного анализа. Это касается, прежде всего, генерирования вариантов структуры, где искусство разработчика превалирует над формальными построениями. Составление перечня возможных альтернатив является напряженной творческой работой, для облегчения и ускорения которой предлагается много эвристических подходов (например, мозговой штурм, деловые игры и т.д.). Варианты структуры, точнее, ее модели, могут быть представлены в виде списка или таблицы. Наибольшее распространение получили структурные схемы. При определении состава компонентов структуры можно воспользоваться одним из положений системного анализа о единстве структуры и функции системы, т.е. структура является носителем функции системы. Функция является внешним проявлением свойства компонента в системе. Таким образом, состав элементов структуры может быть определен составом функций, исполнение которых обеспечивает достижение цели системой. Среди всех компонентов системы следует выделять главный компонент, непосредственно взаимодействующий со средой при реализации системы. Функция главного компонента, как правило, в значительной степени зависит от функции системы или совпадает с ней. 44 При выборе параметров системы в процессе ее синтеза альтернативы находят среди определяющих параметров. Определяющими факторами принято называть такие факторы, которые существенно влияют на результаты решения задачи. Они могут быть качественными и количественными. Примером качественных факторов могут служить структурные связи. Определяющие факторы, описываемые количественно, будем называть определяющими параметрами. По отношению к исследованию определяющие параметры могут быть: • выбираемыми (управляемыми), т.е. проектными; • заданными, не изменяемыми при исследовании. Последнее разделение объясняется тем, что не все определяющие параметры представляется возможным выбирать. При создании СТС, как правило, имеет место преемственность: в создаваемой системе используются компоненты существующей системы. Комплектующие изделия поступают с уже определенными характеристиками. Некоторые из параметров устанавливаются в результате неформализованного выбора на основании субъективных суждений руководителя. Зачастую ряд параметров задается исследователем (проектировщиком) с целью упростить задачу уменьшения альтернатив. К ним относятся параметры, слабо влияющие на выполнение требований к показателям качества и критерий предпочтения. Анализ альтернатив и выбор предпочтительного варианта производятся на базе соответствующей математической модели. Понятием модели, используемое в науке и технике, относится к различным формам упрощенного отображения реальности (физические, лингвистические, математические и др.), а также к различным подходам к схематизации (функциональные, структурные, операционные и др.). Анализ и синтез сложных технических систем в основном базируются на математическом моделировании, т.е. использовании математических моделей. Какие объективные свойства реального мира должны быть отражены в модели, определяет цель моделирования. В задаче синтеза технической системы основой для формирования модели является математическая постановка задачи, которая в общем виде может быть представлена следующим образом: 𝑌(𝑦1 , … , 𝑦𝑝 ); 𝑋(𝑥1 , … , 𝑥𝑛 , 𝑥𝑛+1 , … , 𝑥𝑁 ); (𝑥𝑖 )𝑚𝑖𝑛 ≤ 𝑥𝑖 ≤ (𝑥𝑖 )𝑚𝑎𝑥 , 𝑖 = 1, … , 𝑛, 𝑥𝑖 = ‖𝑥𝑖𝑠 ‖, 𝑖 = 𝑛 + 1, … , 𝑁, 𝑠 = 1, … , 𝑆𝑖 ; 𝑍𝑗 (𝑋, 𝑌) ≥ 𝐴𝑗 (𝑌), 𝑗 = 1, … , 𝑚, 𝑍𝑗 (𝑋, 𝑌) = 𝐴𝑗 (𝑌), 𝑗 = 𝑚, … , 𝑀; 𝑒𝑥𝑡𝑟𝐾(𝑋, 𝑌), 45 где 𝑌 - вектор технического задания, элементы которого представляют собой количественные и качественные требования к системе, 𝑋 − вектор оптимизируемых переменных (синтезируемых компонентов) системы, содержащий n непрерывных и N-n дискретных компонентов. Матрица ‖𝑥𝑖𝑠 ‖ представляет собой таблицу допустимых значений для дискретных оптимизируемых переменных. Требования к системе формулируются в виде совокупности равенств и неравенств. Характеристики синтезируемой системы описываются функциями 𝑍𝑗 , а требования к характеристикам - соответственно функциями𝐴𝑗 . Для глобальной оценки соответствия качеств синтезируемой системы целям ее создания применяется критерий эффективности (функция цели) К, связанный с такой оценкой. Наилучшей считается система, для которой критерий достигает экстремального значения (минимума или максимума в зависимости от физической природы критерия). Компоненты задачи образуют математическую модель системы. Как правило, задачи проектирования, относящиеся к классу сложных технических систем, очень трудоемкие. На практике разделяют общую задачу на ряд частных задач, и каждую из них решают как самостоятельную. Операцию разделения целого на части называют декомпозицией. Так как все частные задачи взаимосвязаны, то смежные задачи считаются решенными. Путем итераций, решая одну частную задачу за другой, приходят к решению общей задачи. При этом стремятся обеспечить системность решений частных задач (их согласованность и подчиненность достижению общей цели) получить проект СТС, удовлетворяющий заданным требованиям. На практике системность решения частных задач обеспечивается применением эвристических методов, методик, приемов, которые аккумулирует многолетний опыт проектных коллективов. Приведедные положения распространяются и на решение задачи синтеза сложной технической системы. Их реализация предусмотрена в методе системного анализа - декомпозиции-субоптимизации, т.е. в каждой частной задаче выполняется своя частная оптимизация - субоптимизация. Оптимальные решения частных задач, полученные независимо, могут оказаться несогласующимися или даже противоречащими друг другу. Чтобы этого не случилось, необходимо системный подход, который в данном случае выражается в подчинении критериев предпочтения в частных задачах критериям в вышестоящих по иерархии задачах. Следовательно, необходима декомпозиция не только общей задачи, но и ее критерия предпочтения. В результате будет получена иерархическая система задач и критериев для них, 46 на верхнем уровне которой будет некоторая общая задача и критерий предпочтения для ее решения. Цель декомпозиции - упростить решение сложной проблемы, обеспечить целостность (системность) ее решения. В частности, цель декомпозиции генерального конструктора - расчленить общую задачу проектирования СТС, чтобы организовать процесс проектирования, распределив частные задачи между подразделениями КБ (конструкторский отдел, отдел систем управления и т.д.). При этом декомпозиция общей задачи проектирования основывается на опыте проектирования в данном КБ и на свойствах объекта проектирования. Общих методов непосредственного синтеза сложных технических систем практически не существует. Математические подходы, используемые для определения наиболее предпочтительных (оптимальных) вариантов системы, существенно отличаются от иерархического уровня рассматриваемой системы и задач исследования. На этапе внешнего проектирования (в процессе формирования технического задания) алгоритм синтеза, как правило, реализуется путем вариантных расчетов. Синтез начинается в первом приближении структуры и параметров системы и реализуется путем последовательных приближений на основе оценки достигаемых значений показателей качества, эффективности и стоимости по результатам моделирования системы со структурой и параметрами, постепенно приближающимися сначала к удовлетворительным, а затем к предпочтительным структурам и параметрам. На уровне проектирования в рамках опытно-конструкторских работ задачи синтеза имеют свою специфику, которая заключается в следующем. Проектирование элементов системы протекает в рамках технической структуры системы по исходным данным, полученным при проектировании системы на этапе внешнего проектирования. Используемые модели отличаются большей детализацией свойств элементов и условий их функционирования. В частных задачах, сформулированных по результатам декомпозиции, обычно используются численные методы решения задачи оптимизации. Большинство задач оптимизации сложных технических систем относится к задачам математического программирования. Их сущность сводится к отысканию такой совокупности параметров, которой соответствует экстремум (минимум или максимум) некоторой целевой функции. Простановка любой задачи оптимизации предполагает наличие следующих обязательных атрибутов: • математической модели объекта оптимизации; • области определения или существования модели, т.е. ограничений, которые требуют своего учета; 47 • критерия оптимальности; • формулировки задачи (что требуется найти и в каком виде). Математическая модель в этом перечне занимает первое место в связи с ее принципиальной важностью в задачах синтеза. Она должна удовлетворять следующему основному требованию: из всего многообразия факторов, характеризующих систему, должны учитываться только те, которые существенно влияют на результаты данного исследования (например, на показатели эффективности, качества и т.п.). Математическая модель в простейшем представлении - это система математических описаний зависимостей между показателями качества, эффективности и стоимости - с одной стороны, и параметрами, характеризующими систему - с другой стороны. Выбор метода оптимизации в первую очередь зависит от типа целевой функции и функций ограничения. К настоящему времени накоплен большой арсенал методов оптимизации. Их анализ и рекомендации по использованию выходят за рамки излагаемых материалов. Тем не менее некоторые из них будут обсуждаться при рассмотрении частных проектных задач. В некоторых случаях для решения задач синтеза систем используются не результаты оптимизации, а результаты вариантных расчетов, но в том и другом случаях следует говорить об алгоритмах оптимизации. При весьма существенной роли задач синтеза в их математическом изложении ими далеко не исчерпывается перечень проектных работ. Большинство из задач до настоящего времени не формализованы и требуют от разработчиков высочайшей эрудиции и способности принимать решения, опираясь на накопленный в отрасли опыт, умения использовать для принятия решений современных методов, методики приемов, в том числе реализованных в компьютерных программах. 48 Список литературы 1. Сердюк В.К. Проектирование средств выведения космических аппаратов: учеб. пособие для вузов / под ред. А.А. Медведева. М.: Машиностроение, 2009. 504 с., ил. 2. Основы синтеза систем летательных аппаратов 1 А.А. Лебедев и др. М.: МАИ, 1996. 444 с. 3. Eгep С.М., Матвеенко А.М., Шаталов И.А. Основы авиационной техники: учебник 1 под ред. И.А. Шаталова. М.: МАИ, 1999. 576 с. 4. Новые наукоемкие технологии в технике: Энциклопедия Т. 21 / под общ. ред. К.С. Касаева. М.: ЗАО НИИ «Энцитех», 2002. 554 с. 5. Основы построения и эксплуатации космической связи и вещания / Кн. 1. Базовый теоретический курс 1 под общ. ред. А.А. Медведева М.: ИП Хоруженский А.И., 2005. 600 с. 6. Гайкович А.И. Основы проектирования сложных технических систем. СПб.: НИЦ «Моринтехника», 2001. 432 с. 7. Blanchard, B.S., and W.J. Fabrycky, Systems engineering and analysis, Prentice Hall, lnc, Upper Saddle River, N.J., 1998. 8. NASA Systems Engineering Handbook, NASA, SP-6 105, 1995.154 р. 9. Основы проектирования летательных аппаратов (транспортные системы) / В.П. Мишин и др.; М.: Машиностроение, 1985. 360 с. 49