Системотехника

Способ построения однородных структурных схем сложных систем обладает важными достоинствами. Он  позволяет  разрабатывать  единые формальные  средства  специально  для решения типовых системотехнических  задач. Однако, их помощью фактически не решается проблема совмещения различных научных и инженерных представлений. Такими  схемами нельзя пользоваться для описания  сложной системы в целом,  так как сам способ оперирования с ними однозначен и все сводится к одному узкому операциональному ее  представлению. Это описание  необходимо  видоизменить  с поправкой на  разнородность объекта, поскольку в нем не учитываются социально-психологические, человеко-машинные, экономические и другие связи. Задача же комплексного исследования в системотехнике состоит не  в том,  чтобы свести  всю сложность процессов в инженерном объекте, зафиксированную в многообразии научных и инженерных представлений, к одному процессу,  а  в  том,  чтобы  в  едином  изображении  представить  все многообразие  процессов. Необходимо синтезировать эти процессы, а не элиминировать их отдельные характеристики.

Рассмотренный способ решения  проблемы целостности соответствует  принципу аддитивности. Целое,  представленное  в  виде  структурной  схемы, может  быть  сведено  к  сумме составляющих  его  частей,  поскольку  принцип  расчленения  заранее  задан  в  самом  способе представления.

Третий  способ  целостного  описания  сложного  инженерного объекта основывается  на использовании системного подхода. Системные представления сложного инженерного объекта, с нашей точки зрения, позволяет учесть взаимодействие в инженерной системе людей и машин,  связи между людьми,  отношения системы и социальной  среды.  Системные  представления  и  понятия  позволяют  дать  единое  описание  сложного  инженерногo  объекта,  сохранив комплексный характер этого описания. Тем самым преодолевается ограниченность и синкретических, и структурных схем, поскольку системный подход сочетает в себе и целостное, и иерархическое описание сложного объекта.

Возникновение системного подхода  тесно связано с необходимостью целостного описания объектов. Системный  подход снимает существующие в системотехнике специализированные  односторонние  подходы,  выступает  в  виде методологической установки,  задающей программу  исследования. Эта  программа  ориентирует  на  подход  к  предмету  исследования как к принципиально незамкнутому, допускающему расширение и восполнение  за счет привлечения к анализу  новых типов связей. Именно поэтому системный подход является наиболее  приемлемым  методологическим  средством для синтеза системотехнических  знаний.

Имитационное  моделирование сложных систем.

Имитационное  моделирование  функционирования  системы  позволяет  уже  на  ранних этапах  проектирования  представить  систему  как  целостный  объект. Анализируя  такую модель,  инженер-системотехник  может  принимать  научно  обоснованные  решения  по  выбору наиболее  подходящей  реализации  отдельных  компонентов  с  точки  зрения  их  взаимосвязи  взаимного функционирования,  учесть  заранее  различные факторы,  влияющие на  систему  в целом, и условия  ее функционирования, выбрать наиболее оптимальную структуру и наиболее  эффективный  режим  работы.  Однако  для  сложных  человеко-машинных  систем  такой анализ невыполним  средствами  традиционного проектирования. Здесь на помощь проектировщику приходит ЭВМ.

Действительно,  без  использования  современной  вычислительной  техники  просто  невозможно учесть те многочисленные данные о сложной системе, которые необходимы проектировщику,  особенно  если  иметь  в  виду  их  разнородность,  связанную  с  использованием знаний самых различных дисциплин и участием в создании таких систем различных специалистов.  Кроме  того,  сложные  связи  между  компонентами  системы  и  зависимости  между процессами функционирования можно моделировать только на ЭВМ. Автоматизация имитационного моделирования и направлена на расширение возможностей исследователя и проектировщика при решении стоящих перед ними задач — позволяет прогнозировать поведение систем в различных меняющихся условиях и выбирать адекватные этим условиям проектные решения.

Особое значение имитационное моделирование на ЭВМ приобретает  в рамках системотехники. Создание так называемых диалоговых систем позволяет  инженеру-системотехнику значительно  расширить  свои  аналитические  средства, повысить качество и обоснованность проектных решений, а  также существенно  сократить сроки их выработки. Диалоговые системы называются так именно потому, что между проектировщиком и  ЭВМ осуществляется «диалог»: человек  не только вводит данные в машину и  получает готовое решение, но может  изменять условия в ходе моделирования, корректировать этот процесс.

В  системотехнике  очень  важно  осуществить  стыковку подсистем  проектируемой  системы и различных  специалистов, участвующих в ее создании, уже на ранних стадиях проектирования. Диалоговые системы позволяют работать с единой моделью (вводить в нее  новые исходные  данные,  вносить  коррективы  и  т.д.)  как  различным  «узким»  специалистам  так  и  инженерам-системотехникам. Причем ЭВМ  сама  варьирует  эти  данные и  выдает  варианты решения,  из  которых  проектировщики  могут  выбрать  наиболее  подходящие  для  данного случая (принятие  решения остается,  конечно,  за человеком). Проектировщик может,  кроме того, «вызвать» из памяти ЭВМ нужные ему данные. Целостная  же модель проектируемой системы  постоянно  хранится  в машине  в  течение  всего  процесса  проектирования. Все это существенно облегчает работу инженера-системотехника.

Имитационное  моделирование  на  ЭВМ  позволяет  исследовать  сложные  внутренние взаимодействия  в  системе,  изучать  влияние  на  ее функционирование  структурных  изменений. Для этого в модель вносят изменения и наблюдают их влияние на поведение системы. Точно так же исследуется влияние изменений в окружающей среде. На основе полученных в результате моделирования данных разрабатываются предложения по улучшению структуры существующей  системы  или  по  созданию  совершенно  новой  ее  структуры. Имитационное моделирование на ЭВМ необходимо для предварительной проверки новых  стратегий и решений,  предсказания  на  модели  узких  мест,  имеющихся  в  системе,  описания  и прогнозирования на ней возможных путей естественного развития имитируемой системы в различных  условиях  и  обоснования  выбора  вариантов  ее  структуры  при  соответствующих изменениях этих условий. Кроме того, оно позволяет формировать и распознавать структуры, оптимизировать их по заданному критерию, осуществлять имитацию динамики системы на  этих  структурах и  оценивать  качество  вариантов  моделей  проектируемой  системы,  а, следовательно, и ее самой. Имитационное моделирование на ЭВМ включает в себя следующие этапы:

• формулировка цели моделирования (постановка проблемы);
• системное обследование объекта .моделирования (сбор исходных данных);
• построение модели объекта (т.е. проектируемой и исследуемой системы) на естественном языке с развернутой формулировкой гипотезы, которую необходимо проверить;
• формализованное системное, описание модели;
• экспериментирование  с моделью на ЭВМ, предсказание поведения  объекта моделирования для различных условий (генерация вариантов модели);
• выбор  наиболее  пригодного  для  данных  условий  варианта  модели,  его  оптимизация  и обоснование выбора;
• интерпретация модели, т.е. перенесение полученных на модели знаний на проектируемую систему, формулировка конкретных рекомендаций на основе результатов  экспериментирования с моделью (обработка результатов эксперимента).

Постановка  проблемы  заключается  прежде  всего  в  ясном  изложении  целей  эксперимента, т.е. осознании и явном представлении  тех результатов, которые желательно получить в процессе  экспериментирования  с моделью. Эти цели формулируются  либо  в  виде  вопросов, на которые  надо ответить, либо в виде гипотез, которые надо проверить.

Характер  системного  обследования  объекта  моделирования  непосредственно  зависит от формулировки целей модельного эксперимента. В  ходе обследования важно определить, какие исходные данные необходимы и  достаточны для решения поставленной проблемы и в каком виде они  должны быть представлены. Должны быть также разработаны методики сбора  данных и проверки их адекватности и тщательно продумана организация  сбора данных. В процессе  системного  обследования  осуществляется  предварительный  анализ  этих  данных. На основе собранной  исходной информации и строится затем  модель, имитирующая поведение системы.

Этапы разработки системы.

В  ходе  проектирования представление  о  сложной  системе  изменяется, происходит последовательная конкретизация ее моделей. Рассматривая эти модели в виде схем, можно выделить  три основных  этапа системотехнической деятельности — разработки  схем: функциональной, ориентированной на математическое описание; «поточной», фиксирующей естественные процессы, «протекающие» в инженерной системе; структурной, представляющей конструктивные параметры и инженерные расчеты, т.е. структуру этого объекта.

Функциональная схема  фиксирует общее представление  о сложной системе независимо от способа ее реализации. Функциональные схемы совпадают для класса систем и являются результатом их идеализация  на основе определенных теоретических  принципов. Блоки этой  схемы фиксируют  только функциональные  свойства  элементов  инженерной  системы, ради которых они включены в нее  для выполнения общей цели. Блоки  выражают обобщенные математические операции, а их отношения (связи) — определенные математические зависимости. Например, в эквивалентной электрической  схеме элементам электрической  цепи ставятся в  соответствие  емкостному  сопротивлению  интегрирование,  а  индуктивному — дифференцирование. Связи между этими элементами цепи описываются системой алгебраических  уравнений.  Эти  уравнения  устанавливаются  на  основе  законов  Кирхгофа,  описывающих закономерности естественного процесса, и включают параметры конкретной цепи. С их помощью вычисляются неизвестные значения параметров.

На следующем этапе  системотехнической деятельности анализируются  информационные,  энергетические  и  материальные  потоки  в  системе  и  между  системой  и  окружающей средой. Поточные  схемы (или,  иначе,  схемы функционирования)  описывают  естественные процессы,  протекающие  в  сложной  системе  и  связывающие  его  элементы  в  единое  целое. Блоки таких  схем отражают различные действия, выполняемые над естественным процессом  элементами системы в ходе ее функционирования. Такие схемы строятся, исходя из естественнонаучных  представлений (физических,  информационных  и  т.д.).  Примером  поточных схем  могут  служить  процедурные  и  операционные.  Блоки  процедурных  схем  описывают общий характер действий над естественным процессом, протекающим в (системе, и обозначают  их  исходный материал  и  продукт). Операционная  схема  отражает  только  последовательность  операций,  составляющих  процедурные  блоки.  На  основе  операционной  схемы может быть составлен математический алгоритм (алгоритмическая функциональная схема), который может быть заложен в ЭВМ для имитации естественного процесса (представленного на операционной схеме), и сконструирована определенная структурная схема, ее реализующая.

Структурная схема фиксирует  те узловые моменты, на которые замыкаются «потоки» (процессы функционирования). Это могут быть единицы оборудования, детали или даже целые технические  комплексы. Структурная схема отображает конструктивное расположение элементов  и связей в данной системе и  уже предполагает ее возможную реализацию. Структурные схемы специфичны для каждой инженерной системы. Элементы последней рассматриваются  в  них  как  обладающие,  кроме функциональных,  свойствами  второго  порядка — теми нежелательными свойствами, которые привносит с собой определенным образом реализованный  элемент.  Блоки  структурных  схем  фиксируют  конструктивно-технические  параметры  элементов инженерной  системы,  а  связи между ними — процедуры  ее  сборки из этих  типовых  элементов.

Функциональная  схема  соответствует  функциональному  системному  представлению, поточная — процессуальному, а структурная — микроскопическому. Все они могут включать в себя описание как внешней, так и внутренней структуры системы, что адекватно макроскопическому и иерархическому ее представлениям. Для описания конкретных функциональных, поточных и структурных схем используются  и  различные  понятийные  средства.  Например,  для  описания  физических  процессов электрическая  цепь,  в  которой  они  протекают,  должна  быть  представлена  в  естественном модусе — в виде поточной схемы — как специфический природный объект с помощью таких физических понятий, как «электрический ток», «напряжение», «емкость», «сопротивление», «проводимость»  и  т.д.  Однако  для  создания  нового  электрического  устройства  оно должно быть описано в искусственном модусе, как продукт инженерной деятельности — в виде определенной структурной схемы. В данном случае используются понятия, учитывающие  его.  конструктивно-техническое  и  технологическое  оснащение: «конденсатор», «резистор», «соединительный проводник» и т.д. На эквивалентной ей операторной (функциональной) схеме того же устройства каждый элемент описывается определенным уравнением, устанавливающим  зависимость между  током  и  напряжением  на  этом  элементе. Та же  самая поточная  схема  электрической  цепи  для  осуществления  математических  преобразований (допустим, в случае периодических колебаний протекающего через нее тока) представляется с помощью так называемого комплексного метода — в виде особой функциональной схемы, в которой «поточные» элементы (индуктивность, емкость, сопротивление и т.д.) заменяются функциональными блоками — комплексными сопротивлениями, выражающими некоторые алгебраические уравнения, а периодический электрический колебательный процесс — векторной диаграммой. Им  соответствуют математические понятия оператора, описывающего действия  элементов цепи над  естественным процессом,  аргумента и модуля  вектора,  адекватных начальной фазе и амплитуде колебаний электрического тока, передаточной функции и т.д.