Введение в системотехнику
1 Раскрытие сущности системотехники.
Системотехника, научно-техническая дисциплина, охватывающая вопросы проектирования, создания, испытания и эксплуатации сложных систем (больших систем, систем большого масштаба). При разработке сложных систем возникают проблемы, относящиеся не только к свойствам их составных частей (элементов, подсистем), но также и к закономерностям функционирования объекта в целом (общесистемные проблемы); появляется широкий круг специфических задач, таких, как определение общей структуры системы, организация взаимодействия между подсистемами и элементами, учёт влияния внешней среды, выбор оптимальных режимов функционирования, оптимальное управление системой и т. д. По мере усложнения систем всё более значительное место отводится общесистемным вопросам, они и составляют основное содержание системотехники. Научной, главным образом математической, базой системотехники служит сравнительно новая научная дисциплина - теория сложных систем.
Для сложных систем характерна своеобразная организация проектирования - в две стадии: макропроектирование (внешнее проектирование), в процессе которого решаются функционально-структурные вопросы системы в целом, и микропроектирование (внутреннее проектирование), связанное с разработкой элементов системы как физичических единиц оборудования. С. объединяет точки зрения, подходы и методы по вопросам внешнего проектирования сложных систем.
Макропроектирование начинается с формулировки проблемы, которая включает в себя по крайней мере 3 основных раздела: определение целей создания системы и круга решаемых ею задач; оценка действующих на систему факторов и определение их характеристик; выбор показателей эффективности системы. Цели и задачи системы определяют, исходя из потребностей их практического использования, с учётом тенденций и особенностей технического прогресса, а также народнохозяйственной целесообразности. Существенное значение при этом имеет опыт применения имеющихся аналогичных систем, а также чёткое понимание роли проектируемой системы в народном хозяйстве. Для оценки внешних и внутренних факторов, действующих на систему, помимо опыта эксплуатации аналогичных систем, используют статистические данные, полученные в результате специальных экспериментальных исследований. В качестве показателей эффективности выбирают числовые характеристики, оценивающие степень соответствия системы задачам, поставленным перед ней, например: для системы слепой посадки самолётов показателем эффективности может служить вероятность успешной посадки, для междугородной телефонной связи - среднее время ожидания соединения с абонентом, для производственного процесса - среднее число изделий, выпускаемых за смену, и т. д. Материалы по изучению целей и задач и результаты проведённых экспериментов используют для обоснования технического задания на разработку системы.
В соответствии с техническим заданием намечают один или несколько вариантов системы, которые, по мнению проектировщиков, заслуживают дальнейшего рассмотрения и подробного исследования. Анализ вариантов системы проводится по результатам математического моделирования. На практике обычно отдаётся предпочтение имитационному моделированию системы на ЦВМ. Имитационная модель представляет собой некий алгоритм, при помощи которого ЦВМ вырабатывает информацию, характеризующую поведение элементов системы и взаимодействие их в процессе функционирования. Получаемая информация позволяет определить показатели эффективности системы, обосновать её оптимальную структуру и составить рекомендации по совершенствованию исследуемых вариантов. Существуют и аналитические методы оценки свойств сложных систем, основанные на результатах применения теории вероятностных (случайных) процессов.
Проектировщики сложных систем - специалисты широкого профиля, инженеры-системотехники, обладающие достаточными знаниями в конкретной области техники (например, в машиностроении, электронике, пищевой промышленности, авиации), имеющие повышенную математическую подготовку, а также знающие основы вычислительной техники, автоматизации управления, исследования операций и особенности их практического применения. Помимо них в группу внешнего проектирования сложных систем обычно включают специалистов по системному анализу и математическому моделированию, а также инженеров, способных организовать взаимодействие между элементами системы.
Существенные особенности имеют испытания сложных систем. Натурный эксперимент в чистом виде используется только для оценки параметров важнейших элементов системы. В комплексных же испытаниях системы значительную роль играют имитационные модели. В частности, на их основе строят имитаторы воздействий внешней среды, генераторы фиктивных сигналов и сообщений, формируют реализации процессов функционирования элементов, участие которых в натурном эксперименте нецелесообразно.
Системотехника не допускает простого, ясного определения в одно предложение. У нее много граней, и полное определение ее также должно быть многогранно. Для того чтобы в достаточной мере учесть все стороны, пришлось бы разобрать следующие вопросы:
а) развитие системотехники;
б) процесс выбора систем (обобщенный из конкретных случаев);
в) цели системотехники;
г) образчики работ, именуемых выбором систем;
д) организационные меры по осуществлению функции;
е) орудия и методы системотехники;
ж) люди, занятые в ней;
з) ее отношение к другим областям, таким, как администрация, вы-бор приложений, исследование операций и т. д.
Эти вопросы простираются от общих философских до узких технических;
2 Выделение основных элементов
системотехники
Сетевые методы и модели наиболее широко используются в практике проектирования
систем. Так, например, в состав проекта организации системы, в качестве
основного документа должен быть включен комплексный укрупненный сетевой график
возведения системы. Сетевые модели позволяют отразить многообразие взаимосвязей
и последовательность выполнения работ в соответствии с принятыми методами их
выполнения, содержат необходимую информацию о ходе возведения системы и
являются инструментом для нахождения наилучшего варианта организации системы.
Метод моделирования систем с использованием сетевых моделей предполагает, что
каждая работа, включаемая в модель, имеет конкретное содержание, точный
физический объем и выполняется в заданной, технологической и организационной
последовательности. Работы по построению системы упорядочиваются, по
определенным правилам, в сетевой модели. Рассчитываются ранние и поздние сроки
начала и окончания работ, резервы времени. В случае,
если рассчитанные параметры не отвечают директивным срокам и возможностям
организации производства, сетевая модель подвергается корректировке. Модель
вычерчивается в масштабе времени. Оптимизация производится по времени,
ресурсам. Для отображения сетевых моделей служат графы.
Поточные методы и модели. Сущность поточного метода возведения систем
заключается в расчленении производственного процесса на составляющие элементы
для последующей их взаимной увязки. Основным принципом поточного метода
являются непрерывность и ритмичность процесса, что достигается строгой
очередностью работы, а также соответствующим расчетом элементов потока (ритм,
шаг, интенсивность, техническое оснащение).
Балансовые методы и модели. Данный класс моделей применяется, прежде всего, при
решении задач планирования, материально-технического снабжения. Балансовая
модель - это модель типа "расход-приход". Она базируется на
сопоставлении наличия ресурсов (материальных, трудовых, финансовых) и
потребности в них. Балансовые модели подразделяются на
статистические и динамические. Первые отражают состояние потребностей
и наличие ресурсов на определенный период времени; динамические - учитывают их
сбалансированность с учетом длительности производственного цикла. Балансовый
метод заключается в определении, количественном измерении и сопоставлении
показателей, характеризующих потребности объекта систем, с аналогичными
показателями источников получения ресурсов; устанавливает зависимости
параметров объекта и источника.
Логико-смысловые методы и модели. Логико-смысловые модели применяются при
решении задач, связанных с обработкой на ЭВМ смысловой информации, выраженной
на естественном языке.
Построение модели осуществляется по-этапно.
Первым этапом построения логико-смысловой модели является постановка задачи.
Вторым этапом является описание проблемной области при помощи высказываний
специалистов, экспертов. Для этого разработана информационная карта
формирования фонда проблем и предложения, заполняемая экспертом. Третий этап -
это непосредственное построение модели. Построение семантической модели
рекомендуется осуществлять с использованием сетевого графа.
Имитационные методы и модели. Применяются для поиска рациональных вариантов
организации систем. Имитировать - значит выбрать, постичь суть явления, не
прибегая к экспериментам на реальном объекте. Модель является имитационной,
если она позволяет следить за ходом реального процесса в любой промежуток
времени и производить соответствующие измерения. В качестве такой модели, как
правило, используется сетевая модель, основными компонентами которой являются
описания: объекта системы, средств возведения системы, а также процесса
возведения этой системы.
Использование имитационного метода и моделей позволяет проектировщику оценить
процесс построения системы. При этом, как правило,
определяются следующие характеристики:
- временные: минимально и максимально возможные сроки окончания построения
системы; сроки начала, окончания и продолжительности работ;
- стоимостные: среднегодовая и годовая выработка на единицу трудового ресурса;
объем (процент объема от плановых показателей) освоения капиталовложений;
экономический эффект от досрочного ввода системы в эксплуатацию; возможные
потери от нарушения сроков;
ресурсные: среднегодовая численность трудовых
ресурсов; время, стоимость.
Выше перечислены лишь основные методы и модели, которые наиболее широко
используются в построении систем.
3 Функции
которые выполняет системотехника.
1. Создание сложных систем посредством упрощенных описаний, т.е. моделей,
отражающих определенные, наиболее важные грани сущности сложной системы, и
исследовании таких моделей. Формирование моделей осуществляется на основании
тех данных, которые можно получить о сложной системе экспериментальными и
интеллектуальными средствами. Теория имеет дело с идеализацией реальности,
модель - с самой реальностью.
Один из способов исследования систем состоит в том, чтобы заменить сложную
систему несколькими более простыми.
2. Описании общей схемы системотехнических работ, от
формулировки общей программы проектов и до завершения отдельного проекта. Ибо
схема исполнения в наибольшей мере обусловливает структуру и характеристики
функции. Кроме того, относительно схемы выбора систем и ее этапов наблюдается
большее согласие, чем относительно любого другого аспекта.
3.Функция анализа
Функция анализа систем состоит в выведении всех существенных следствий
альтернативных систем для выбора оптимальной системы. Эти следствия затем
сравниваются с начальными целями. Действительные следствия создают
информационную обратную связь для функций синтеза систем и выбора целей.
4. Выведение недостоверных следствий
Нельзя принять разумное решение, не учитывая элемента неопре-деленности или недостоверности в некоторых следствиях.
Эти неопре-деленности во
многих случаях учитываются при помощи вероятностных суждений об исходах.
Вероятности для таких суждений иногда получаются объективно, путем сбора
опытных данных и нахождения распределения частот. Так поступают, например, при прогнозировании
стоимости для компонента системы (§ 4.8.1).
Иногда же вероятности получаются субъективно, путем интуитивного восприятия
относительных частот, неявно отражающего объективные частоты, или, напротив,
путем психологической оценки явных объективных вероятностей.
5. Сравнение систем
Сравнить значит рассмотреть две или более вещи обнаружив их сходств или
различий.
4 Взаимодействие с внешней средой.
Системотехнику можно было бы определить через ее отношение к другим областям.
Это не очень плодотворный путь, ибо она связана со многими областями и в каждой
приходится отвлекаться от массы вещей, чтобы делать полезные и верные
сравнения. Несмотря на это, рассмотрим здесь кратко два таких участка:
исследование операций и техническое проектирование. Исследование операций тесно
связано с системотехникой и порой смешивается с нею. Поэтому уместно привести
несколько сравнений, которые покажут полезные сходства и не менее полезные
различия. Исследование операций обыкновенно имеет дело с эксплуатацией существующей
системы, включая как людей, так и машины. Например, исследование операций
рассматривает военные операции, универсальные магазины, фабрики, фермы и т. д.
и анализирует различные функции в рамках этих операций: управление запасами,
распределение сырых и готовых материалов, линий ожиданий, рекламу и тд. Цель обыкновенно состоит в оптимизации, или лучшем
использовании, материалов, энергии, людей и машин, уже существующих и имеющихся
в наличии. Напротив, системотехника посвящает главное внимание планированию и
проектирования новых систем для лучшего выполнения существующих операций или
для осуществления операций, функций или услуг, ранее не выполнявшихся.
Хотя можно привести бесчисленные примеры исследования операций задолго до того,
как оно получило свое нынешнее имя, его современное рождение произошло в недрах
эксплуатационных организации и частности военных учреждений Великобритании и
Соединенных Штатов в период II мировой войны. Даже сегодня военные применения
стоят на первом месте, и большинство членов Американского общества исследования
операций работает либо для военного ведомства, либо на частных компаний,
имеющих военные контракты. В вооруженных силах Соединенных Штатов объединенный
комитет начальников штабов имеет группу оценки систем оружия, военно-воздушные
силы - отдел анализа операций, военно-морской флот - группу оценки операций и
сухопутные войска - управление оценки операций. Кроме того, военно-воздушные
силы используют для более долгосрочных анализов корпорацию "РЭНД". С
другой стороны, в промышленности все большее число коммерческих организации и
консультантов по вопросам управления воспринимает исследование операций как
необходимую часть своей деятельности.
Как отмечалось выше, системотехника возникла и развивалась в недрах
исследовательских и проектных организаций. Естественно, что другое
происхождение и развитие приводят к другим целям и методам. Логические
процессы, скрытые в схемах исследования операций и выбора систем, обнаруживают
больше сходства, нежели различия. Фазы исследования операций, перечисленные Черчменом и др., таковы:
1. Постановка задачи,
2. Построение математической модели изучаемой системы.
3. Нахождение решения с помощью модели.
4. Проверка модели и полученного с ее помощью решения.
5. Разработка процедуры подстройки решения.
6. Осуществление решения.
Аналогии с фазами выбора систем очевидны. В этом нет ничего уди-вительного, так как обе области представляют
собой лишь разные применения современного научного метода.
Профессора Морз и Кимбалл дали исследованию операций опре-деление,
ставшее понятным только спустя много лет- "Исследование операции
представляет собой научный метод, дающий в распоряжение военного командования
или другого исполнительного органа количественные основания для принятия
решений по действию войск или других организаций находящихся под его
управлением". Цели исследования операций выросли вместе с ним
самим. Теперь они определяется как "проектирование предприятия". Одно
из новейших толкований гласит, что проектирование предприятия включает
проектирование систем, которые оно использует, включая новые технические
системы. Эта эволюция, вместе с осознанием подобия между схемой исследования
операций и схемой выбора систем, вызвала предложения о том, чтобы подготовка
исследователей операций и подготовка системотехников
были связаны между собой.
Эти предложения оказали значительное воздействие на университеты. Стремясь
удовлетворить растущий спрос на людей, подготовленных в двух перекрывающихся
областях, некоторые ведущие университеты ввели для аспирантов курс "Исследование
операции и системотехника". Сюда относится Калифорнийский университет в Лос-Анжелосе, Пенсильванский
университете , Мичиганском
университет и университет им. Джона Гопкинса
В самой системотехнике Гуд и Макол утверждали,
что исследователь операций является хорошим членом системотехнической бригады,
особенно на стадиях постановки задачи и окончательной оценки. Косяков и Меррилл, оба исходившие из опыта проектирования систем
управления снарядами, прямо заявляют, что уяснение потребности, составление
общих требований к системе и окончательная оценка суть задачи по исследованию
операций. Это верно, если речь идет о процессе выбора систем в условиях тех
организационных взаимоотношений, какие в Соединенных Штатах существуют между
Министерством обороны и его гражданскими подрядчиками.
Включает ли системотехника исследование операций или обратно, не столь важно.
Предвзятые мнения лишь способствуют маскировке полезных взаимосвязей, которые
могут существовать между двумя обла-стями.
От системного подхода в исследовании операций системотехника получила в дар
новые философские идеи, ряд новых методов и знаком-ство с другими. Некоторые орудия, энергично
пропагандируемые ис-следованием
операций, как теория игр и линейное программирование, были полезны, но не жизненно
необходимы для системотехники. В свою очередь, системотехника обогатила
исследование операций, особенно благодаря теории массового обслуживания,
созданной главным образом для расчета телефонных систем у нас и в Европе. С
другой стороны, такие дисциплины, как теория обратной связи и теория
информации, принесли в исследовании операций мало дивидендов.
Техническое проектирование или просто проектирование связано с системотехникой
теснее, чем исследование операций. Профессор Гуд не делал между ними никакого
различия; в его книге термины "системотехника" и
"проектирование" употребляются как синонимы. Другие философы
системотехники соглашаются с этой заменой и идут дальше, утверждая, что то, что
сейчас называется системотехникой, в конце концов
будет рассматриваться как часть общего процесса про-ектирования.
Некоторые идут гораздо дальше и усматривают в посте-пенном слиянии технического проектирования,
исследования операций, системотехники, кибернетики и других областей симптомы
грядущего рождения новой объединенной науки, которая будет называться, скажем, системоведением.
5
История развития
Многие специалисты занимающиеся изучением системотехники
затрудняются сказать точно, когда же началась история системотехники. Можно
привести примеры системного мышления из очень далеких времен, но большинство
авторов считает системотехнику сравнительно новым делом.
1. "Белловскне телефонные лаборатории были,
вероятно, первой организацией, которая употребила термин
"системотехника"".
2. Фирма "Радиокорпорейшен оф
Америка" (наряду с другими) в 30-е годы признала необходимость системного
подхода к созданию службы телевизионного вещания. Во время и после II мировой
войны многие группы исследования операций внесли свои вклад в философию и
методологию системной работы.
3. "РЭНД Корпорейшен", основанная в 1946 г.
ВВС США, выдвинула полезную концепцию "системного анализа"
сходную с тем, что ниже будет названо первой фазой выбора систем.
4. Приблизительно в середине ХХ столетия, системотехника как наука начала формироваться когда началась ломка сложившихся традиций в
инженерной практике что объяснялось потребностями повышения производительности
труда и созданием больших систем, а также формированием нового методологического принципа науки и практики -
системного подхода.
5. Цель создания системотехники - сократить разрывы во времени между
научными открытиями и их приложением и между возникновением человеческих
потребностей и производством новых систем, призванных удовлетворить эти
потребности. Методологией системотехники является методология системного подхода -
методология планирования, разработки и создания систем как единого целого, общего для совершенно
различных направлений человеческой деятельности.
