Системотехника

между исследованием и  проектированием, который существует при традиционных методах работы. Системотехника —  это широкая  сфера, игнорирующая  границы, которые  разделяют различные академические  дисциплины, которые отделяют исследование от инженер-

ной работы.

В множестве определений  системотехники можно, однако, выделить общее. При этом необходимо учитывать, что  системотехника многогранна  и поэтому  ее определение будет  носить комплексный характер. Системотехника представляет собой:

• сферу деятельности, выделившуюся из традиционной инженерной практики и направленную на организацию процесса создания, использования и развития сложных инженерных  систем (т.  е.  стыковку  проектных  задач  и  кооперацию  специалистов  различных профилей, решающих эти задачи), обеспечение интеграции частей системы в единое целое;
• область  знания,  комплексную  научно-техническую  дисциплину,  объединяющую средства,  методы,  принципы  анализа  и  организации  инженерной  деятельности;  средства, методы, приемы и процедуры проектирования и исследования  сложных инженерных  систем; знания, средства и методы современных математических, технических, естественнонаучных  и  общественных  дисциплин,  используемых  для  исследования  и  проектирования сложных систем и организации инженерной деятельности;
• конкретно-методологическую позицию, связанную с целостным рассмотрением инженерной системы, процесса ее исследования, проектирования, создания и развития, а также с использованием идей кибернетики и системного подхода.

Термин «системотехника» (от англ. Systems Engineering) стал применяться  сравнительно недавно—в начале 50-х  годов, хотя первые шаги в этом направлении  были сделаны еще в 30-х годах. В  США они были связаны с корпорацией  «Белловские телефонные  лаборатории». В СССР  это направление  развивалось  в исследованиях по  комплексной  автоматизации производства.

Задачи  системотехники.

Системотехника в  отличие  от  классических научно-технических  дисциплин (например,  радиотехники  и  прикладной  механики  или  электротехники)  формируется «неклассическим» способом: в ней нет ориентации на базовую естественнонаучную дисциплину как образец проведения научного исследования. Как правило, сначала имеет место достаточно общий конкретно-методологический подход с «универсальной» сферой применения, которая  постепенно  специализируется  относительно  определенной  проблемной  области (комплексной научно-технической проблемы). Исходным в данном случае является широкое научное движение, результатом которого может быть появление новой научной дисциплины. Особенность неклассического пути заключается в том, что для решения комплексных научно-технических  проблем  привлекаются  в  принципе  любые  научные  дисциплины,  теории, знания и методы (а не только базовая теория), которые в перспективе синтезируются на общей  конкретнометодологической  основе  в  единую  теоретическую  систему  научно-технической дисциплины. Они, конечно, соответствующим образом перерабатываются и переосмысливаются. Наконец, разрабатываются новые специфические методы и теоретические средства  исследования, позволяющие  наиболее  эффективно  решать  стоящие  перед  данной

научно-технической  дисциплиной  задачи. Именно  такой  дисциплиной  и  является  системотехника.

Для того чтобы лучше понять значение системотехники и ее отличие  от традиционной инженерной  и  научной  деятельностей,  необходимо  перечислить  те  задачи,  которые  ею  решаются:

• подготовка информации для принятия руководством научно обоснованных решений по управлению процессом создания сложной системы;
• формулировка общей программы разработок как основы для взаимной увязки проектов отдельных подсистем;
• стыковка проектных  задач и  координация  специалистов, решающих  эти  задачи,  обеспечение интеграции системы в единое целое;
• обеспечение  в  процессе  разработки  сложной  системы  наилучшего  использования  ресурсов  при  одновременном  достижении  проектных  целей  возможно  более  эффективным способом;
• согласование планов частных проектов с общим направлением работы, выявление существующих и прогнозирование будущих потребностей;
• внедрение в практику проектирования последних научных и нженерных достижений.

Подготовка  информации  для  принятия  руководством  решений  в  процессе  проектирования сложной  системы не является сегодня  такой  тривиальной  задачей, как это  может казаться на первый взгляд. Напротив, для ее решения необходимо проводить  особые исследования, ориентируясь на достаточно широкую предметную область  и имея в виду все возможные (настоящие  и будущие) проекты данной системы. При этом выбор даже общего направления  работ оказывается не таким уж простым. Исправление 

принятого на ранних стадиях  решения требует гораздо больших  затрат, чем содержание системотехнических служб.

Отсюда вытекает задача формулировки общей программы разработок, основывающейся на прогнозе развития системы. Именно для решения этой задачи необходима информация о возможных будущих ситуациях, ресурсах, научно-технических открытиях и изобретениях, которые могут коренным образом преобразовать систему и протекающие в ней процессы, а также информация о возможных будущих изменениях социальных ценностей, которые могут оказать существенное влияние на систему и трансформацию целей. Такая общая программа разработки  необходима,  кроме  того  для  взаимной  увязки  проектов  отдельных  подсистем  в процессе создания сложной системы. Она позволяет подготовить мощный «задел» для разработки этих проектов.

Необходимость в системотехнике впервые появилась тогда, когда  выяснилось, что отдельные,  даже  хорошо  работающие  компоненты,  соединенные  вместе,  необязательно  составляют  хорошо функционирующую  систему. В  сложной  системе  часто  оказывается,  что,

даже если отдельные компоненты удовлетворяют всем необходимым  требованиям, система как целое не будет работать. Для иллюстрации этой ситуации чаще всего приводят пример проектирования самолета или ракеты специалистами разного профиля. Если рассматривать данную систему с точки зрения специалиста по двигателям, то, например, для электронного

оборудования в ней  совсем не останется места. Проектировщик  фюзеляжа будет заботиться только  об  оптимальной  конфигурации  самолета,  пренебрегая,  скажем,  удобством  расположения радиолокационных антенн. Специалист по электронике  «нашпигует» его всевозможными  устройствами,  не  заботясь  о  предельной  массе  и  конфигурации  самолета. Инженер-

психолог потребует массу  удобств для летчика, совершенно не считаясь с затратами. Плановик сведет до минимума затраты... И самолет  никогда не поднимется в воздух. Для того что-бы увязать различные  частные оптимумы, цели и критерии отдельных специалистов, участвующих  в  создании  сложной  системы,  и  нужен  особый «специалист» -  инженер-системотехник.

Системные представления.

В конкретных системных концепциях, в том числе и системотехнических, прежде всего дается обобщенное определение  системы. Однако оно не всегда соответствует  «оперативному» представлению  системы,  которое  реально  в  них  используется.  Для  решения  этой  проблемы  построено  несколько  различных  системных  представлений. Выделяя  их, мы  основываемся на  возможности  различного представления  систем. Система, с одной стороны, может  быть описана динамически как  процесс, а с другой - статически,  с  точки  зрения  либо  внешних,  либо  внутренних  характеристик.  Кроме  того, внутреннее строение системы может быть представлено в виде функциональных зависимостей и в виде структуры, реализующей эти зависимости.

Выделяют пять основных системных представлений: процессуальное, функциональное,  макроскопическое,  иерархическое и микроскопическое. В процессуальном  плане система рассматривается динамически как процесс,  остальные системные представления отражают  ее  статический аспект. В макроскопическом  представлении описываются внешние характеристики  системы,  в функциональном,  иерархическом и микроскопическом - внутренние. Функциональное и микроскопическое представления фиксируют функциональный и структурный аспекты системы соответственно, а иерархическое - способ разбиения ее и в том и другом аспекте.

Необходимо иметь в  виду, что названные системные  представления тесно связаны  между  собой,  и  поэтому  некоторые  понятия  могут  встречаться  в  описании  различных  представлений. Кроме  того,  эти пять представлений  существуют  только как идеальные  типы. В реальном  описании  любого  системного  представления  в  той  или  иной  мере  используются другие системные представления.

Микроскопическое  представление системы основано на интуитивном понимании ее как  совокупности  взаимосвязанных  элементов,  неразложимых,  далее «кирпичиков».  Центральным понятием микроскопического системного представления является понятие элемента. Конечно, в общем виде элемент лишь относительно неделим, однако для данной системы он является абсолютно неделимым. Элементы также могут, быть рассмотрены как системы но  это будут системы другого  типа, чем исследуемая. Кроме  того, система понимается как совокупность  разнородных  элементов,  которые  могут  отличаться  по  принципу  действия техническому исполнению и ряду других характеристик. Система сводится к ансамблю простых частей. Иногда такое представление становится превалирующим над остальными. Системотехника,  однако,  ориентирована  не  столько  на  создание  самих  элементов (они  могут быть  взяты  из  технического  каталога),  сколько  на  операции  над  ними,  составление  из  них целостной  системы.

Элементы обладают связями, которые объединяют их в целостную  систему. Элементы могут существовать только в «связанном» виде - между  элементами обязательно устанавливаются  связи. Например, в электрической  цепи, если по ней не течет ток, нет  электрических связей, следовательно, нет и элементов; когда цепь подключена к источнику электрической энергии, в ней образуются реальные электрические  связи, и можно говорить о существовании  элементов, которые они связывают. Понятие связи, с нашей точки  зрения, относится к содержательным характеристикам системы. Связи  и элементы описывают ее «морфологию». Элементы в системе обязательно  взаимодействуют, в результате одни свойства (переменные) изменяются, другие остаются неизменными (константы). Важнейшую  роль в системных исследованиях  играет поиск системообразующих  связей, благодаря которым все  элементы системы оказываются связанными воедино.

Функциональное  представление  системы связано с пониманием  системы как совокупности функций (действий) для достижения определенной цели. Каждый элемент в системе выполняет определенную функцию. Функциональные свойства элементов являются свойствами первого порядка. Они позволяют включать элемент в систему для выполнения общей цели. Свойства второго порядка - это те нежелательные свойства, которые привносит с собой элемент в систему. Таким свойством, например, для усилителя могут быть нелинейные искажения  усиливаемого  сигнала,  для  транзистора -  низкая  надежность,  для  электронных ламп - чувствительность к перегрузкам.

Совокупности свойств  первого порядка, рассмотренных  обособленно от свойств второго  порядка,   назывют функциональным  местом  элемента. Между функциональными местами  в  системе  существуют функциональные  связи  или  соотношения. Самым  простым типом отношений являются о соотношения типа   a > b, a = b,  a <b  и т.п. Важно различие между связями и отношениями. Отношение фиксирует только  принадлежность  элемента  к системе с точки зрения выполнения определенной функции. Функциональные места элементов могут быть по разному наполнены. Например, в усилителе функциональное место «ключевой элемент» может быть «наполнено» в одном случае лампой, в другом - магнитопроводом.

Для макроскопического представления  характерней понимание системы как нерасчлененного целого.  Здесь важным  является  понятие системного  окружения. Между системой и системным окружением существует определенное отношение: либо естественная компонента  объемлет  искусственную,  либо  искусственная – естественную (Рис.1).

Рис.1

Сложная система рассматривается  как естественная и включенная в  естественную среду (рис. 1,а), что позволяет фиксировать их естественное взаимодействие. В процессуальном плане  это  означает  прогнозирование  естественного  развития,  самодвижения  системы  в  окружающей среде. Такой взгляд характерен для «чистого» научного исследования. В качестве

примера естественного взаимодействия может быть взято отношение «организм  — среда» в биологии. Биологический  организм, развивающийся по  внутренним  естественным  законам, включен  в  среду,  также  подчиняющуюся  естественным  законам. 

Искусственный  объект включен  в искусственную среду (рис. 1,б). Это отношение характерно для чистой» инженерной  позиции.  С искусственной точки зрения  не  существует  естественных  ограничений - все можно изготовить.

Сложная система, рассматриваемая  как целиком искусственная, включается в естественную среду (рис. 1,в). Здесь возникает проблема совместимости. Включение сложной системы в реально существующую социальную и природную среду требует значительной модификации проекта с точки зрения естественных требований. Это возможно при описании среды с позиции соответствующих социальных и естественнонаучных дисциплин.

Естественный объект включен  в искусственную среду (рис 1,г). Это отношение фиксирует искусственные воздействия на  объект,  развивающийся по  внутренним  естественным законам. Данная точка зрения предполагает модификацию среды под систему. Сложная система уже построена, и необходимо обеспечить ее функционирование, перестроив окружающую среду. Фактически речь идет о «проектировании» системного окружения.