Системотехника

Иерархическое  представление  системы (как иерархической упорядоченности)  основано на понятии подсистемы, или единицы, которое следует отличать от понятия «элемент». Единица обладает  функциональной  спецификой  целого (системы).  Система может быть представлена в виде совокупности единиц, составляющих системную иерархию.

Системная иерархия замыкается снизу предельно единицей, которая еще сохраняет основные черты данной системы, но не может быть разложена на единицы, а только на элементы. Например, молекула  аммиака  уже  не может  быть  разложена  на молекулы,  а  только на атомы (т.е. элементы). Также и в радиотехнике любо устройство может быть представлено в виде иерархии четырехполюсников. Скажем,  радиоприемник (рис. 7)  состоит из  усилителя радиочастоты (УРЧ),  детектора (Д)  усилителя  звуковой  частоты (УЗЧ),  источника  питания (ИП) и т.д. Однако каждый из этих четырехполюсников может быть разложен на более простые четырехполюсники. Например, усилитель может быть представлен в виде нескольких каскадов. Если же простой четырехполюсник не может быть разложен на четырехполюсники-единицы,  то он представляет  собой предельную  единицу. Последняя разлагается  только на элементы, в данном случае двухполюсники.

Совокупность  единиц,  принадлежащих  одному  горизонтальному  ряду  системной  иерархии, назовем  уровнем иерархии. .Другим важным понятием иерархического представления системы  является понятие уровня анализа. Уровень  анализа характеризует глубину  системной иерархии от системы как  целого до элементов и выражает предел делимости данной системы на подсистемы.

Процессуальное  представление системы предполагает понимание системного объекта как совокупности процессов, характеризуемых последовательностью состояний во времени. Основным понятием здесь является понятие периода жизни - временного интервала, в течение которого функционирует данный процесс. Период жизни T  разбивается на ряд состояний S_t1, S_t2 … S_tn . Анализируя состояния процессов, протекающих в системе в данный момент, а также прошлые состояния, можно выделить инварианты этих процессов, которые позволяют перейти .к функциональному описанию  системы.  Связи ,  соединяющие отдельные состояния в единый процесс внутри периода его жизни, называются связями перехода.  Совокупность  двух  или  более  состояний,  соединенных  связями  перехода, образует единицу  перехода (или  единицу  процесса). Иерархическая  упорядоченность  таких  единиц (от отдельных состояний до системы в целом) образует «процессуальную» иерархию.

Методологические  подходы к решению проблемы целостности.

Сложная система может  быть описана извне – с точки зрения ее взаимодействия с окружающей  средой,  изнутри – как  состоящая  из  совокупности  компонентов,  с  позиции структуры этих компонентов и т. д. Выделяемый аспект рассмотрения обычно зависит от позиции инженерных и исследовательских  групп, участвующих в  ее  создании. В  системотехнической практике ставится задача объединить и согласовать деятельность этих групп. Она может быть осознана также как проблема целостного представления инженерного объекта и инженерной деятельности. В этом смысле для инженера-системотехника характерно именно целостное  представление  объекта,  объединяющее  частичные представления  инженеров-специалистов, отвечающих за работоспособность отдельных частей или аспектов системы.

Инженер-системотехник  должен  иметь  и  целостное  представление  о  системотехнической деятельности, чтобы обеспечить ее единое функционирование, осуществлять координацию инженеров-специалистов. Реальный конфликт, возникающий между  этими двумя категориями  инженеров,  в  теоретической  области  понимается  как  конфликт между «целым»  и  «частями», между целостным, системным  подходом, с одной стороны, и «частичным»  подходом - с  другой. Чтобы наметить пути  решения  этой проблемы, необходимо  описать  возможные подходы к  проблеме целостности.

Статический подход представляет собой сведение целого к фиксированным характеристикам. Если рассматривать систему с внешней позиции, то как целое она не состоит из частей, а сама представляет собой часть объемлющей системы — целостный объект объясняется  через  внешние  характеристики  с  точки  зрения  системного  окружения. Если же  изучать систему с внутренней позиции, то она предстает как состоящая из частей целостная «конструкция». В  последнем  случае  будем  различать  аналитический  и  синтетический  подходы  к проблеме целостности.

Аналитический подход — это объяснение исследуемого целого через другие целые, составляющие данное. Такое описание целого через другое целое более низкого уровня предполагает  иерархическое представление системы.  Синтетический  подход  также позволяет описать целое через его части. Однако ход объяснения в данном случае противоположен ходу  объяснения  аналитического  подхода. При  синтетическом  подходе  целое  определенного уровня  иерархии «конструируется»  из  целостных  частей,  принадлежащих  более  низкому уровню  иерархии. Аналитический  и  синтетический  подходы могут  основываться  на  принципах аддитивности, супераддитивности или субаддитивности.

Согласно принципу аддитивности целое равно сумме частей. При аналитическом подходе целостный инженерный  объект  объясняется исходя  из  целостностей  более низкого уровня иерархии, являющихся частями данного целого, и сводится к ним. В этом случае части не являются целыми, не существуют самостоятельно вне данного целого. При синтетическом подходе целое может быть сведено к сумме составляющих его частей, поскольку принцип расчленения известен заранее из предшествующей аналитической процедуры.

С точки зрения принципов  супераддитивности и субаддитивности, целое не равно сумме частей. Части  сами представляют собой целые другого  уровня. Их существование не сводится  к функционированию  в исследуемом  целом. Субаддитивность (целое меньше  суммы частей) предполагает, что целостность частей больше целостности системы. Требования, налагаемые  частями на «конструкцию» инженерной  системы,  оказываются более сильными, чем исходные требования, предъявляемые к целому. Это ведет к недостаточности определения частей как специфических целых. В определении целого нет многих характеристик частей,  поскольку  они  теряются  при  таком  сведении  целого  к  частям.  Части  существуют  отдельно в том же виде, что и в исследуемом целом. Поскольку согласно принципу субаддитивности  целостность  частей  больше  целостности  системы,  наблюдается  избыточность  определения целого через его части.

Супераддитивность (целое больше  суммы частей)  означает,  что целостность частей меньше целостности системы. В этом случае только исходя из целого можно объяснить его части. В таком определении содержатся характеристики, относящиеся к системе в целом, но не присущие частям. Кроме того, подразумевается относительная независимость целого  от частей. Части могут существовать отдельно вне данного целого, но не в том же виде, что в нем самом. Тот факт, что целостность частей в данном случае меньше целостности системы, обусловливает недостаточность определения целого через части.

Динамический  подход  предполагает  рассмотрение  данной  целостности как развивающейся системы, описание целого через прошлое (генетическое объяснение) и будущее (целенаправленное объяснение) состояние.

При  генетическом объяснении ход объяснения  совпадает с ходом реального процесса развития  объекта изучения.  Данное  целое может рассматриваться как возникающее из суммы целых (интеграция), Кроме того, целое описывается как возникшее из другого целого и объясняется через него. Инженерный объект, например, состоит из суммы таких частей, как различные материалы, блоки, машины и т.д., которые существовали как целые, а в совокупности составили новую целостность. Тот же самый объект  может быть  рассмотрен  как система,  развившаяся из  существовавшей  до  нее системы. Система как целое возникает из другого целого.

Целенаправленное (финалистское) объяснение предполагает ход объяснения, не совпадающий с ходом реального процесса  развития.  Исследуемое  целое  объясняется  через  его «конечное» состояние или, точнее, через представление этого «конечного» состояния — через цель его развития. Данное целое переходит либо в другое целое, либо в сумму целых частей. Процесс превращения целого в сумму частей будем называть дезинтеграцией. Сложная система может быть описана как заменяемая через определенное время более совершенной системой и в то же время как система, разлагающаяся в процессе дезинтеграции на составные части (самостоятельные целые).

Сама системотехника как  объект изучения может быть  также  объяснена либо целенаправленно, либо генетически. При целенаправленном объяснении описываются перспективы  развития системотехники — ее будущее  состояние, которого она достигнет  в результате своего развития, при  генетическом — изучаются истоки, причины и история ее возникновения.

Приведенные подходы к  проблеме целостности могут быть объединены и рассмотрены как  взаимодополняющие аспекты единого  подхода. С этой целью производится «вложение» внутренней структуры системы  во внешнюю и их соотнесение в  определенной окружающей среде. Объединяются два подхода: «часть - целое» и «система — системное окружение», что дает более полное представление о  целостности объекта. Синтетический  подход к проблеме целостности  всегда  опирается  на  аналитический.  Такое  описание  должно  быть  дополнено динамическим  объяснением  внутренней  и  внешней  структуры  системы.  Это  позволяет вскрыть  «механизмы» развития системы в  развивающейся среде и выделить инварианты ее структуры. Может быть сделан акцент на какой-либо один подход и тогда остальные подходы  будут  выступать как  вспомогательные, неосновные, хотя и  существенные, моменты  исследования. Так, при рассмотрении проблемы синтеза знаний в системотехнике мы используем в качестве основного  синтетический подход к проблеме целостности и принцип супераддитивности.

Способы целостного описания сложных систем.

Проблема  целостного  описания функционирования  сложной  системы решается в  системотехнике 3  способами: в  сфере инженерной практики, в виде структурных схем, на базе системного подхода. Эти три  способа соответствуют трем принципам, на которых основывается синтетический  подход к проблеме целостности: субаддитивности, аддитивности и супераддитивности.

Первый способ — сочетание представлений различных научных дисциплин друг с другом и с инженерными представлениями без сведения их к единой теоретической основе. Это позволяет отдельному  исследователю или разработчику  при решении частной инженерной задачи строить каждый раз заново непохожие друг на друга схемы сложных систем. Качество этих схем  зависит от предварительной подготовки исследователя (разработчика). Невозможно  воспроизвести  общую  процедуру  их  построения (она  находится  в  сфере  интуиции проектировщика).  Можно  только  описать  максимальный  набор  средств  и  представлений (эмпирических и теоретических), которые могут быть использованы для решения различных инженерных задач, в лучшем случае можно указать, на каких этапах инженерной деятельности обычно применяются те или иные средства.

Схемы  такого  рода фактически  представляют  собой  синкретическое  соединение  объектных представлений  различных теорий (элементов электрических  и кинематических схем, структурных  схем теории автоматического регулирования  и других дисциплин) и представлении  объекта  в  инженерной  практике. Способ  соединения  зависит  от  каждой  конкретной задачи,  а  также от подготовки  самого проектировщика. Такие  схемы используются, например,  для  изображения  радиолокационных  станций.  На  одной  общей  схеме  присутствуют элементы кинематических, радиотехнических, электрических и электронных схем, структурных схем и различных монтажных схем, на основании которых рассчитываются и собираются механические, электрические и другие блоки. Подобные схемы позволяют решать инженерные  задачи (имитировать  сборку и функционирование  сложного инженерного  объекта), используя  необходимый  набор  теоретических  средств.  Существенным  недостатком  такого способа  соединения  представлений  сложной  системы  является  неоднородность  получения теоретических представлений, что затрудняет разработку единых средств решения инженерных задач. Несовместимость блоков, изображенных на такой схеме, ведет к противоречиям в системотехническом знании: одни и те же элементы объекта оказываются по-разному представленными. Множество  рассогласований  характеристик  отдельных  блоков  системы  обусловливает невозможность ее единого теоретического описания.

Такого рода схемы часто  используются инженерами-системотехниками. Решение  задач  на  этих  схемах  всегда  дает  частные  результаты. Каждая  задача  решается уникальным путем: нельзя  сформулировать  типовые  способы их  решения,  которые  обеспечили бы перенос результата на новые случаи.

Второй  способ  целостного  описания  связан  с представлением  сложного  инженерного объекта в виде  структурной схемы,  т.е.  как системы,  через которую протекает поток либо вещества, либо энергии, либо информации. Такая система имеет четко идентифицированные входы и выходы, а ее  элементы производят над этим потоком различные операции, например расчленение его на несколько составляющих, соединение нескольких потоков в один, изменение формы потока (допустим, электрической в механическую) и т.д. В процессе проектирования сложная система  представляется  в  виде  однородной  структурной  схемы. Собранная по этим правилам структурная схема представляет собой описание преобразований входного потока системы в выходной, где каждое преобразование выполняется определенным элементом. Этим преобразованиям могут ставиться в соответствие математические  операции,  что  позволяет  производить  необходимые  расчеты,  причем  решение  может быть получено посредством цепи преобразований (перестановки элементов, замены нескольких блоков одним, разложения одного элемента из несколько и т.п.) одной структурной схемы в другую.