Интегрированные теоретические исследования в технике.

Интегрированные теоретические исследования в технике.

 

Автоматическое регулирование

 

МТС включает:

1) интегрированное теоретическое исследование (например на основе математической схемы)

2) комплексное теоретическое исследование (характерно, например, для системотехники.)

Интегрированное теоретическое исследование – это результат обобщения и интеграции частных теоретических схем разных научно-технических дисциплин на общей математической основе, но с иным подходом. Комплексное теоретическое исследование ориентировано на общенаучные понятия и представления и универсальные для определения типа задач средства имитационного моделирования на ЭВМ.

Типичным представителем интегрированного теоретического исследования является теория автоматического регулирования: первые системы автоматического регулирования появились в 20-30 годах 20 века и относились к регулированию процессов горения, перегрева пара, температуры и т.п. в паровых котлах, сушильных установках, доменных печах. Постепенно выработались общие методы расчета, анализа, и на основе этих расчетов были созданы следящие системы автоматического регулирования процессов. Ситуация в области автоматического регулирования похожа на ситуацию в электродинамике времен Фарадея и Максвелла: они имели дело, в основном, с определенным набором частных теоретических схем. Эти схемы были обобщены: Фарадей создал потоковую теоретическую схему, а Максвелл – функциональную.

В период становления теории автоматического регулирования уже появились такие классические технические науки как теория механизмов и машин, теория радиотехники, теория электротехники.

В 40-50 годы 20 века возник анализ электрических цепей с помощью эквивалентных схем, а также использование методов классификационного и структурного анализа механизмов теории кинематических цепей.

Начиная с 50 годов 20 века математики развали линейную теорию управления. Результатом этих усилий стали единые математические методы анализа и синтеза систем автоматического регулирования практически любого типа независимо от их способа инженерной реализации.

Для обеспечения эффективного функционирования технической теории необходимо ликвидировать разрыв между единым математическим описанием и функциональными, поточными и структурными схемами. В результате родился метод структурных преобразований систем автоматического регулирования и адекватный им математический аппарат – алгебра структурных преобразований.

Комплексное теоретическое исследование ориентировано на синтез использованных теорий по псевдоклассическому образцу. Но даже в этом случае используются неклассические методы образования и организации теоретических исследований.

 

Системный анализ.

 

Совокупность научных методов и практических приемов решения разнообразных проблем консолидируется в рамках единого подхода к их решению на общей методической основе, но без создания единого математического аппарата и обобщающих теоретических схем. Функцию последних выполняют, как правило, системные представления и понятия. К такому роду дисциплин относится системный анализ, который характеризуется неспецифическим аппаратом и методами.

Системный анализ характеризуется главным образом упорядоченным, логически обоснованным подходом к исследованию проблем и использованию существующих методов их решения, которые могут быть заимствованы из других наук. Системный анализ знаменует переход от решения хорошо структурированных, формализуемых проблем (когда четко определены цели, пути их реализации и критерии) к решению проблем слабо структурированных (состав элементов и их взаимосвязи установлены только частично, возникают такие проблемы, как правило, в условиях неопределенности и содержат неформализуемые элементы, непереводимые на язык математики)...

В отличие от других научных дисциплин (экономических, технических и др.), занимающихся поиском решений на основе изучения отдельных сторон функционирования систем, системный анализ осуществляет комплексную оценку, совместно учитывающую политические, социаль­но-экономические, технические, юридические и другие факторы, влияющие на решение проблемы. Системный анализ в основном направлен на выработку конкретных рекомендаций, используя при этом достижения других теоретических наук в прикладных целях.

Руководящим методологическим принципом системного анализа яв­ляется требование "всестороннего" учета всех (существенных) обсто­ятельств, то есть любая сложная система рассматривается как "пол­ная система" имеющих к ней отношение факторов.

Под системным анализом понимается методика и техника решения проблем постро­ения и управления промышленными, транспортными, оборонными и другими системами. Он связан преимущественно с исследованием человеческих организаций, в то время как системотехника - преиму­щественно с системами оборудования, даже если речь идет о челове­ко-машинных системах. В словах "системный анализ" подчеркивает­ся преимущественно исследовательская ориентация, но это не зна­чит, что в самом анализе не реализуется проектная установка. Анализ здесь характеризуется особыми принципами и подходом к организа­ции теоретического исследования слабоструктурированных проблем, возникающих, прежде всего, в сфере управленческой деятельности.

Од­новременно его основой является так называемое организационное проектирование, которое связано с совершенствованием, развитием, перестройкой организационных систем управления, построением структур управления организациями, с проектированием организа­ционных нововведений и т.п. "Исходные позиции понимания сис­темного анализа... связаны с тем, чтобы развести два различных типа зна­ния:

знания, которое относится к уровню специально – научной тео­рии процессов управления и организации, протекающих в сложных целенаправленных системах;

знания, выступающего на уровнеметодических указаний, для невозможно построить собственную теорию.

Именно к последнему типу знания и дисциплинам, организованным на методической основе, и относится системный анализ.

 

Этапы системного анализа

 

Выделяются следующие этапы системного анализа:

1. Постановка проблемы и формулирование общей цели и критерия системы.

Первостепенное значение имеет вопрос о том, существует ли во­обще данная проблема. На практике нередко прилагают большие усилия к решению несуществующих проблем. Правильное и точное формулирование действительной проблемы является первым и необходимым моментом системного анализа в любой области. Удач­ная формулировка проблемы составляет половину ее решения. Слож­ную логическую процедуру представляет собой также формулирова­ние общей цели и разработка критерия эффективности системы. Это требует глубокого знания специфики экономики и технологии иссле­дуемой системы. Общая цель и критерий системы фор­мулируются обязательно исходя из анализа ее взаимоотношений с определен­ной внешней средой. Именно внешние связи системы позволяют представить ее как некое целое.

 

 

2. Анализ структуры проблемы и декомпозиция цели.

Чтобы построить систему, проблему следует разложить на ком­плекс четко сформулированных задач. При создании большой систе­мы эти задачи образуют иерархию подсистем. Проявление произвола в выделении подсистем неизбежно ведет к неудаче. Каждая такая под­система должна обладать функциональной спецификой целого, то есть системы. Разбиение системы на подсистемы является нетривиальной задачей. Если в технических системах состав подсистем, как правило, более или менее ясен, то в системах экономико-организа­ционного управления структурные соотношения скрыты и не лежат на поверхности. Выявление этих подсистем в качестве единиц систе­мы и является одной из важнейших задач системного анализа.

В результате построения дерева целей той или иной системы для каждой выделенной единицы системы определяется соответствующая под­цель системы. Для сложных систем управленческой деятельности об­щая цель оказывается настолько далека от конкретных средств ее до­стижения, что выбор решения требует трудоемкой работы по увязке цели со средствами ее реализации. Эта задача и выполняется путем декомпозиции общей цели системы.

3.Выявление ресурсов, оценка целей и средств.

Этот этап включает в себя оценку существующей технологии и мощностей, состояния ресурсов, реализуемых и запланированных проектов, возможностей взаимодействия с другими системами и т.д. На основе такой оценки соотношения целей и средствих реализации строится функциональная структура каждой предельной подсистемы. Затем эти цели объединяются таким образом, чтобы можно было представить их соотношение с возможной реализацией самой системы. Однако при этом выбор конкретного определенного наполнения ее функци­ональной структуры еще не происходит.

4. Генерация и выбор вариантов ("реализация").

Несоответствие потребностей и средств их удовлетворения делает реализацию сложной задачей. Цель неотделима от средств их дости­жения. Поэтому центральным моментом системного анализа являет­ся отсечение тех целей, которые признаны малозначащими, а также отбор конкретных вариантов достижения взаимосвязанного комплекса важнейших це­лей (т.е. вариантов реализации функциональной структуры системы). В системном анализе технических систем относительно небольшого масштаба генерация вариантов функциональной структуры и отбор альтернатив является самой важной задачей.

В системах управлен­ческой деятельности экономико-организационного типа более акту­альной задачей считается усечение дерева целей и выбор взаимосвя­занного комплекса вариантов их функциональной структуры. Особое значение приобретает вышеуказанный выбор в связи с тем, что научно-технический прогресс и изменения условий среды порождают огромное количест­во вариантов путей для достижения экономических целей.

5 .”Диагноз” системы, прогноз и анализ будущих условий.

Этот этап предполагает анализ процессов функционирования и развития системы. Он является одновременно и заключительным, и начальным этапом всякого системного анализа, поскольку невозможно сформулировать проблему без изучения прошлых и возможных будущих состояний системы. В то же время детальный анализ процессов ее развития и функционирования можно проводить только после того, как исследована и разработана внутренняя структура системы и намечены пути ее реализации.

Системный анализ учитывает перспективу развития системы. Поэтому для его проведения 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 о будущих изменениях социальных ценностей, которые окажут существенное влияние на систему и на трансформацию ее целей и критериев.

Прогнозирование будущих состояний системы — одна из важнейших задач системного анализа. Однако эта задача может быть осуществлена только на основе анализа прошлого и нынешнего состояния данной системы. Задачей системного анализа большей частью явля­ется не столько создание нового органа управления, сколько усовер­шенствование, рационализация существующих органов. В этих слу­чаях возникает необходимость в диагностическом анализе этих органов управления.

Диагностический анализ направлен на выявление возмож­ностей, недостатков, узких мест в сборе, переработке информации и принятии решений с целью устранения этих недостатков. Такой ана­лиз в результате дает возможность также построить обоснованный организационный план внедрения вновь спроектированной системы. Другим важным результатом анализа является возможное предложение комплексной программы развития существующей си­стемы, которая распределяется во времени, закрепляется за различ­ными исполнителями и т.д.

В рамках системного анализа разработаны специфические методы исследования сложных систем, к которым относятся, например, ме­тоды сценариев, экспертных оценок, "Дельфи", "дерева целей". Одна­ко в большинстве случаев методы, используемые в системном анали­зе, были разработаны до его появления и только получили в нем переосмысление, иногда переориентацию и переоценку сферы при­менения. К ним относятся, например, матричные, сетевые, морфо­логические, статистические и другие методы. Системный же анализ является, прежде всего, каркасом, объединяющим все необходимые научные знания, методы и действия для решения сложных проблем.

 

Системотехника.

При формировании технической теории по типу комплексного теоретического исследования, как правило, первоначально имеет ме­сто некоторый общий конкретно-методологический под­ход с универсальной сферой применения. Эта универсальная сфера применения постепенно отходит от универсальности и спе­цифицируется относительно определенной проблемной области (ком­плексной научно-технической проблемы). В результате возможно появление новой научно-технической дисциплины.

Для решения привлекаются любые теории, знания и методы, над которыми надстраивается слой обобщающих теоретических схем и соответствующего математического и кон­цептуального аппарата, являющихся проблемно-ориентированными. При этом отдельные теоретические средства, методы и дисциплины, включенные в такое комплексное исследование, хотя и соответствующим образом перерабатываются, переосмысляются и испытывают обратное воздействие со стороны новой дисциплины,в то же времяпродолжают сохранять самостоятельность и развиваются (внеданнойкомплексной проблемы) обособленно. К данному типу дисциплин относится, например, системотехника.

Для того чтобы лучше понять значение системотехники и ее отли­чие от традиционного научно-технического знания, необходимо пе­речислить задачи, которые в ней решаются:

1) подготовка информации для принятия руководством научно обос­нованных решений по управлению процессом создания сложной си­стемы;

2) формулировка общей программы разработок как основы для вза­имной увязки проектов отдельных подсистем;

3) стыковка проектных задач и координация специалистов, решаю­щих эти задачи;

4) обеспечение интеграции системы в единое целое;

5) обеспечение в процессе разработки сложной системы наилучшего использования ресурсов при одновременном достижении проектных целей возможно более эффективным способом;

6) согласование планов частных проектов с общим направлением работы, выявление существующих и прогнозирование будущих по­требностей;

7) внедрение в практику проектирования последнихнаучных и ин­женерных достижений.

 

Подготовительный этап.

 

Подготовка информации для принятия руководством решений в процессе проектирования сложной системы не является сегодня та­кой тривиальной задачей, как это может показаться на первый взгляд. Напротив, для ее решения необходимо проводить особые исследова­ния и изыскания, 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.

Действительно, в каком направле­нии вести разработки, какие проектные решения предпочесть - ре­шение этих и других подобных задач требует тщательной научной подготовки, поскольку от этого может зависеть успех всего процесса проектирования. Исправление неверно принятого на ранних стадиях решения требует гораздо больших затрат, чем расходы на содержание специальных системотехнических служб.

Итак, одной из важнейших задач является задача формулирования общей программы разработки, опирающейся на прогноз развития системы. 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.

 

Математика и системотехника

 

Математический аппарат в системотехнике выполняет несколько функций. Он предназначен как для инженерных расчетов, так и для анализа и синтеза сложных систем, точнее их теоретических схем. Иначе говоря, математический аппарат используется для различных дедуктивных преобразований абстрактных объектов, что обеспечивает саморазвитие системотехнической теории и дает возможность получения новых знаний без обращения к инженерной практике. Причем применение математики даже только для инженер­ных расчетов требует уже определенной идеализации сложной техниче­ской системы.

В системотехнике используется самый широкий спектр математических дисциплин и прежде всего теорий массового обслужи­вания вероятностей, конечных автоматов, исследования операций и соответствующие разделы вычислительной математики.

В системотехнической теории, как и в любой технической теории, на материале одной и той же сложной технической системы строится несколько оперативных полей, которым соответствуют различные типы теоретических схем, обладающих, однако, рядом существенных особенностей.

В сфере практической системотехнической деятельности решение задачи создания новой системы заключается в сочетании представле­ний различных научных дисциплин с инженерными представления­ми без сведения их к единому теоретическому изображению. Это позволяет отдельному исследователю или разработчику при решении частной системотехнической задачи строить каждый раз заново не похожие друг на друга схемы сложных технических систем. При этом практически невозможно воспроизвести процедуру их построения, поскольку она находится в сфере интуиции проектировщика.

Схемы такого рода фактически являются соединением объектных представлений различных теорий (элементов электрических и кинематических схем, структурных схем теории автоматического регулирования и других дисциплин) и представлений технической системы в инженерной деятельности: элементов разныхсхем изготовления, внедрения, функционирования и т.д. Способих соедине­ния зависит от каждой конкретной задачи. На одной общей структур­ной теоретической схеме, таким образом, присутствуют элементы кинематических, электрических и электронных схем, блок-схем и монтажных схем, на основе которых рассчитываются и собираются механические, электрические и другие блоки. Существенным недо­статком такого способа соединения представлений сложной техниче­ской системы является качественная неоднородность полученной теоретической схемы. Из-за этого возникает невозможность имитировать функционирование системы в целом, усложнение инженерных расчетов, проектных решений, разработки технологии ит.д.

Использование вышеописанных схем фактически не дает решения проблемы целостного описания сложной технической системы в те­оретической сфере. Чтобы решить эту задачу, необходимо предста­вить данную схему в виде системы однородных опи­саний (для разных режимов функционирования).

В системотехнике используется два типа однородных теоретичес­ких схем — абстрактные поточные (алгоритмические) схемы и абст­рактные структурные схемы.

Абстрактные поточные (алгоритмичес­кие) схемы были обобщены в кибернетике. В этих схемах рассматриваются преобразования вещества, энергии и информации. Они фактически являются идеализированным представлением функционирова­ния любой системы и исходным пунктом программирования на ЭВМ. В результате, оказывается, обеспечена связь с соответствующими функциональными схе­мами, зафиксированными в теории программирования.

Абстрактные структурные схемы на основе обобщения различного рода структур­ных схем (теории автоматического регулирования, теории сетей свя­зи, теории синтеза релейно-контактных схем и логических схем вы­числительных машин, а также такого рода схем, применяемых в со­циально-экономических исследованиях) развиваются в так называе­мый структурный анализ сложных систем. Такие унифицированные абстрактные структурные схемы позволяют изучать объект в "наибо­лее чистом виде".

Например, при структурных исследованиях систем авто­матического регулирования абстрактные структурные схемы содержат лишь связи, их число, порядок, знак и кон­фигурацию. Особое внимание уделяется при этом выявлению взаимных связей между элементами системы. Тем самым, на первое место выдвигается структура системы, а не состав ее отдельных компонентов. Поэтому возможно единообразно исследовать различные по своей природе системы.

Дальнейшая манипуляция с моделью может быть осуществлена при подключении к решаемой задаче алгоритмических языков имитационного моделирования. В них на основе данной структурной схемы составляется соответствующая поточная (алгорит­мическая) схема функционирования модели (системы). Эта структура ав­томатически переводится в машинный код и в свою очередь соответ­ствует определенной функциональной (математической) схеме.

Основная проблема, стоящая перед теоретической системотехни­кой, заключается в переходе от описания сложной инженерной задачи с помощью теоретических средств и представле­ний самых различных научных дисциплин к однородной абстрактной теоретической схеме. Это необходимо в свою очередь для того, чтобы в системотехнике можно было применить соответствующий матема­тический аппарат, для чего и должен быть выработан способ едино­образного описания качественно разнородных элементов.

Именно поэтому в теоретической системотехнике структурные и поточные теоретические схемы принципиально формируются как предельно абстрактные. В классической технической науке они являются гораз­до более специализированными и частными, причем в первую оче­редь это относится к структурным схемам.

Функциональные схемы в системотехнике могут быть двух типов. К первому относятся функциональные схемы, развиваемые в струк­турном анализе и направленные на исследование структуры сложных систем. Они соответствуют абстрактным структурным схемам системотехники. Ко второму типу принадлежат функциональные схемы, разработанные в теоретическом программировании, которые адекват­ны абстрактным поточным (алгоритмическим) схемам.

В системотех­нике эти два типа теоретических схем совмещаются на одном уровне абстракции, но в разных планах. Это происходит, например, в алго­ритмических языках имитационного моделирования, в которых по­точная (алгоритмическая) схема накладывается на структурную (ста­тическую) схему моделируемой системы. Причем правила преобразо­вания структурных и поточных схем в функциональные (математиче­ские) схемы формализованы и само такое преобразование осуществ­ляется автоматически на ЭВМ.

Современная техническая теория в отличие от классической тех­нической теории ориентируется не на какую-либо одну базовую естественную науку, из которой черпаются естественнонаучные представления, методы и средства математики, а на общенаучные (методологические) представления и понятия (системные, кибер­нетические и др.) и "универсальные" средства имитационного мо­делирования на ЭВМ соответственно. Поэтому процесс построе­ния современной технической теории неизбежно ускоряется, так как он связан с адаптацией этих уже развитых "универсальных" представлений и схем.

В качестве эмпирического базиса современной технической теории выступает научно-методический слой: прецеденты, рецептурные зна­ния, списочные структуры.

Прецеденты - это описания, фиксирующие отдельные акты деятельности, которые выступают как образцовые, то есть как предписания к еще неосуществленной деятельности аналогич­ного типа.

Рецептурные знания - это различные методические рекомен­дации, дизайн - программы, план - карты, типовые расчеты, руководящие стандарты и рабочие инструкции.

Списочные структуры - это справоч­ники, каталоги, перечни и другие, которые фиксируют знания, относя­щиеся к объекту исследования и проектирования.

Однако все эти три элемента эмпирического базиса современной технической теории яв­ляются не просто готовыми рецептами предстоящей инженерной дея­тельности, а одновременно и теоретико-методологической самоопределением современной инженерной деятельности и проектирования.

В отличие от тра­диционной инженерной деятельности в современных научно-техничес­ких дисциплинах рецептурное знание уже не лежит вне теории, а, на­против, вплетено в саму ткань комплексного теоретического исследова­ния. Но эта ткань не является такой теоретически однородной и четко иерархически структурированной, как в классических естественных и технических науках, напоминая скорее лоскутное одеяло, где сшиты вместе разнородные элементы теоретических представлений различных научных дисциплин и рецептурно-технологические схемы практичес­кой деятельности.

Кроме того, сами рецептурно-технологическое опи­сание и предписание к осуществлению исследовательской и проектной деятельности становятся особым идеализированным представлением процедур этой деятельности.

Например, при имитационном моделировании на ЭВМ или автома­тизации инженерных расчетов они должны быть зафиксированы в виде обобщенного алгоритма или программы. Представители классических технических наук под влиянием неклассического образца построения научно-технического знания также вынуждены сегодня специально за­ниматься анализом собственной исследовательской и проектной дея­тельности, прежде всего при автоматизации проектирования и констру­ирования. Для этого требуется предварительное описание обобщенных алгоритмов инженерных расчетов и процедур анализа и синтеза схем (например, кинематических схем механизмов или электрических схем электротехнических устройств). Записанные на каком-либо языке программирования эти процедуры исследовательской и проектной деятель­ности могут быть выполнены автоматически на ЭВМ.

Различия современных и классических теоретических исследований в научно-технических дисциплинах

Интегрированные теоретические исследования в технике.