Проблемы системотехники

Возрастание специализации различных видов инженерной деятельности во второй половине ХХ века привело к необходимости её теоретического описания. Выделение в сфере инженерной деятельности проектирования и его обособление к самостоятельную область деятельности привело к кризису традиционного инженерного мышления, ориентированного на приложение знаний лишь естественных и технических наук и на создание относительно простых технических систем. Наряду с прогрессирующей дифференциацией инженерной деятельности по различным отраслям и видам, нарастает процесс её интеграции. Для осуществления интеграции требуются особые специалисты – инженеры-системотехники. Инженерная деятельность становится весьма сложной, требующей организации и управления человеко-машинными системами. В этих условиях формируется системотехническая деятельность, направленной на создание сложных технических систем.

Анализ системотехнической деятельности показывает, что она неоднородна и включает в себя различные виды инженерных разработок и научных исследований. В неё оказываются вовлеченными многие отраслевые и академические институты. Над одними и теми же проектами трудятся специалисты самых различных областей науки и техники. В силу этого координация всех аспектов системотехнической деятельности оказывается нетривиальной научной, инженерной и организационной задачей. Для подтверждения сказанного отметим, что системотехническая деятельность осуществляется различными группами специалистов, занимающихся разработкой отдельных подсистем. Расчленение сложной технической системы на подсистемы идет по разными признакам: в соответствии со специализацией, существующей в технических науках; по области изготовления относительно проектировочных и инженерных групп; в соответствии со сложившимися организационными подразделениями. Кроме того, для реализации системотехнической деятельности требуется группа особых специалистов-координаторов – главный конструктор, руководитель темы, главный специалист проекта или службы научной координации, руководитель научно-тематического отдела. Эти специалисты осуществляют координацию и научно-тематическое руководство и в плане объединения различных подсистем, и в плане объединения отдельных операций системотехнической деятельности в единое целое.

Подготовка такой группы специалистов-координаторов требует развернутого представления о методах описания системотехнической деятельности. Среди имеющихся способов такого описания рассмотрим три основных: членение системотехнической деятельности по объекту (этапы разработки системы); описание последовательности фаз и операций системотехнической деятельности; анализ её с точки зрения кооперации работ и специалистов.

Этапы разработки системы выделяются в соответствии с членением системотехнической деятельности по объекту. В ходе проектирования изменяется представление о сложной технической системе, происходит последовательная конкретизация моделей этой системы.

Рассмотрим этот способ описания системотехнической деятельности на примере работы У. Гослинга «Проектирование технических систем». В ней представлены общие процедурные правила создания систем на различной материальной основе. Системотехническая деятельность рассматривается как процесс синтеза функциональной модели системы и затем её преобразования в структурную модель (или её реализации). Каждый этап связывается с определенными средствами символического и графического представления системы. Функциональная модель воспроизводит протекание в реальной системе субстанции (вещества, энергии или информации). Гослинг назвал такую модель поточной системой. В ней могут вводиться определенные промежуточные преобразования, т.е. описываться операции, которые выполняет каждый элемент системы по отношению к внутреннему потоку. В качестве функциональных моделей могут быть использованы, например, алгебраические модели.

Структурные модели делятся на диаграммы протекания субстанции и блок-схемы. Диаграмма протекания субстанции показывает последовательность операций и дает минимум информации о плане построения системы. В блок-схеме даны форма субстанции на входах одного и выходах другого элемента. Для этой цели используются особые элементы – трансдьюссеры-преобразователи формы субстанции.

В функциональной модели строгая последовательность может и не соблюдаться. Эта модель может быть получена с помощью аналогий, либо задача сводится к подсистемам, либо модель составляется с помощью модификации некоторых элементов доступной системы. Для создания системы необходимо сочетание блок-системы, поточной диаграммы и функциональной модели. В результате получается некоторое целостное описание системы, составляющие которой взаимно дополняют друг друга.

Членение системотехнической деятельности по объекту во многом зависит от того, каким образом представляется инженером-системотехником сама сложная техническая система. Такое членение определяется не только объективными характеристиками, но и возможностями проектирования, изучения, изготовления этой системы. Оно используется для организации функционирования подсистем и объединения их в единую систему.

Второй способ описания системотехнической деятельности заключается в выделении в ней последовательности фаз, а в самих этих фазах – цепи действий, или обобщающих операций. Описание системотехнической деятельности как последовательности фаз и операций соответствует её разбивке с точки зрения временной организации работ, параллельной и последовательной связи между ними, возможности выделения фрагментов деятельности. Это представление системотехнической деятельности используется главным образом для синхронной организации и установления последовательности операций (алгоритма разработки системы). Оно также служит средством решения задачи автоматизации проектирования сложных технических систем.

Обычно системотехническая деятельность распадается на следующие шесть фаз: подготовка технического задания (иначе, аванпроекта) – предпроектная стадия; разработка эскизного проекта; изготовление; внедрение, эксплуатация и оценка. В современных условиях иногда добавляется ещё одна фаза – «ликвидация», или «уничтожение» системы. На каждой фазе системотехнической деятельности выполняется одна и та же последовательность обобщенных операций. Эта последовательность включает в себя анализ проблемной ситуации, синтез решений, оценку и выбор альтернатив, моделирование, корректировку и реализацию решения.

Системотехническая деятельность как последовательность фаз, шагов и задач наиболее развернуто представлена в книге М. Азимова «Введение в проектирование». В книге подробно рассмотрены три фазы: изучение осуществимости, предварительное проектирование и детальное проектирование. Дается следующая хронологическая структура этих фаз.

Первом шаге изучения осуществимости начинается с анализа потребностей Цель данной фазы – выявление множества пригодных решений проектной проблемы. Начальной точкой системотехнической деятельности является гипотетическая потребность, существующая в определенной социально-экономической сфере. Обычно потребность проявляется тогда, когда становится возможной её экономическая реализация. Она предполагает определенное техническое исполнение, такую техническую систему, которая делает её удовлетворение возможным.

Во втором шаге изучения осуществимости исследуется порожденная потребностью проектная проблема. Прежде чем пытаться найти возможные её решения, проектная проблемы должна быть определена и сформулирована. В инженерной формулировке проблемы, являющейся результатом «идентификации системы», определяются параметры системы, ограничительные условия и главные проектные критерии. Проектируемая система рассматривается как «черный ящик», содержание которого неизвестно.

Третий шаг изучения осуществимости представляет собой синтез возможных решений. Синтез заключается в «прилаживании» друг к другу частей или отдельных идей проекта с целью получения интегрированного целого. Из полученных в результате синтеза множества внушающих доверие альтернативных решений должны быть выбраны потенциально пригодные решения проблемы. Каждое из них является абстракцией, идеализацией, которая учитывает только некоторые главные факторы, но опускает многие второстепенные факторы. Последние могут, однако, иметь решающее значение при выяснении возможности или невозможности данного решения.

Поэтому четвертый шаг изучения осуществимости заключается в определении физической реализуемости решений проблемы.

На пятом шаге изучения осуществимости из реализуемых решений выбираются экономически рентабельные решения.

Однако может оказаться, что даже экономически рентабельные решения проектной проблемы не могут быть реализованы, если этого не позволяют имеющиеся финансовые ресурсы. В результате определения финансовой осуществимости (шестой шаг) остается множество пригодных решений, которые и являются результатом первой фазы.

Вторая фаза – предварительное проектирование – имеет целью установить, какая из предложенных на предыдущей фазе альтернатив является наилучшей проектной идеей. Результатом этой фазы является общая идея системы, которая будет служить руководством для детального проектирования.

Первый шаг заключается в выборе из проектных идей. Должно быть определено наиболее перспективное решение как предварительная идея проекта.

Второй шаг состоит в формулировке математических моделей как прототипов проектируемой системы.

В результате анализа чувствительности системы (третий шаг) за счет экспериментирования с её входами и выходами определяются критические проектные параметры, точные пределы чувствительности системы на внешние воздействия. Определяются минимальные воздействия на входы (независимые переменные), которые ведут к изменениям выходов (зависимые переменные).

На четвертом шаге система должна быть представлена как объект, сам являющийся комбинацией объектов на нижележащем уровне сложности, которые представляют собой подсистемы и могут быть комбинацией компонентов, состоящих, в свою очередь, состоящих из более мелких частей. На этом шаге производится анализ совместимости. В результате этого шага получаются «пригнанные параметры». Поскольку система действует в динамической окружающей среде, она должна иметь такую стабильность, при которой изменения в среде не были причиной «катастроф» в системе.

Цель анализа стабильности (пятый шаг) - исследовать поведение системы в необычных обстоятельствах, чтобы была уверенность, что система как целое не является нестабильной, а также определить области, в которых проектные параметры являются нестабильными. Для этого определить риск и последствия изменений окружающей среды, которые могли бы быть причиной «катастроф» в системе.

До шестого шага главные параметры не фиксировались по определенному и единому значению. На стадии оптимизации проектного решения это необходимо сделать. Таким образом, на шестом шаге осуществляется окончательный выбор наилучшего решения среди нескольких альтернатив.

Седьмой шаг предварительного проектирования называется «проекция в будущее». Действительно, некоторые компоненты системы устаревают прежде, чем её проектирование будут завершено. Поэтому проектировщик должен знать общее направление и тенденции технического развития. Могут измениться также вкусы потребителей или предложения конкурентов, т.е. социально-экономические условия.

На восьмом шаге предполагается изучить, как сама система будет вести себя в будущем (предсказание поведения системы).

Девятый шаг осуществляется в испытательной лаборатории, где производится экспериментальная проверка идеи. Испытания не ограничиваются только доказательством удовлетворенности работы системы или её компонентов. Они могут также ответить на вопрос о физической реализуемости системы.

Наконец, в результате проделанных шагов проект становится весьма сложным. Поэтому десятый шаг заключается в устранении ненужной сложности, в упрощении проекта.

Третья фаза – детальное проектирование. Цель этой фазы – довести предварительную идею системы до физической реализации и разработать окончательную конструкцию системы. Общая идея системы зафиксирована, подсистемы точно определены, имеется предварительное решение выполнения проекта полностью. Для выполнения проекта нужны специалисты, время и деньги.

На первом шаге (подготовка к проектированию) обосновывается бюджет и осуществляется организация проектирования.

Второй шаг заключается в общем проектировании подсистем по тем же этапам, что и предварительное проектирование системы в целом.

В соответствии с предварительными планами подсистем разрабатываются проекты компонентов (третий шаг).

Результаты проектирования компонентов фиксируются в предварительных планах, которые являются основой для детального проектирования частей, являющихся элементарными составляющими компонентов (четвертый шаг).

Наконец, возникает вопрос о физической реализации, который при проектировании подсистем и компонентов был относительно второстепенным. Необходимо решить, каковы должны быть форма, материал и набор инструкций (например, способы обработки материала) для производства частей. Все это фиксируется в детальных чертежах и в спецификациях к ним. Предварительный план компонента должен быть заменен теперь точным и окончательным сборочным чертежом. Этот процесс, составляющий содержание пятого шага, является итерациональным. При подготовке сборочных чертежей происходит корректировка чертежей подсистем, компонентов и частей.

Имея полные сборочные чертежи, экспериментальная мастерская может построить первые материализованные прототипы – экспериментальную конструкцию системы (шестой шаг).

На седьмом шаге, после того, как экспериментальная конструкция изготовлена, составляется программа проверки продукта. Центральным становится вопрос, хорошо ли работает система с точки зрения потребителя.

На основе анализа проверочных данных (восьмой шаг) производится обнаружение дефектов, которые служат основой для перепроектирования и усовершенствования системы (девятый шаг) до тех пор, пока окончательное инженерное описание проекта не будет выполнено.

Фаза детального проектирования системы на этом заканчивается, но ею не завершается системотехнический цикл. Он включает в себя ещё планирование производства, распределения потребления и снятие с эксплуатации.

Возможно описание системотехнической деятельности с точки зрения кооперации работ и специалистов. Пример такого описания можно найти в книге Г.Х. Гуда и Р.Э. Макола «Системотехника».

Каждую научную дисциплину, участвующую в создании сложной технической системы, фактически представляет тот или иной специалист. Например, исследователь операций рассматривается как член бригады проектировщиков, что накладывает на него некоторые обязательства (знакомство с аппаратурой и помощь в принятии решений по проекту). Каждая фаза также связывается с определенным составом бригады системотехников. Каждый член бригады должен быть ещё и специалистом в какой-нибудь узкой области (электронике, математике). Задача инженера-системотехника состоит в организации различных специалистов между исследованием и разработкой, возможность и необходимость дублирования работ над проектом, а также способы организации работы по проектированию системы.

Авторы представляют подробное описание научных средств и дисциплин, используемых в системотехнической деятельности, из которого видно, что их арсенал не ограничивается естественными и техническими науками, а включает в себя также инженерно-экономические исследования, индустриальную психологию и инженерную психологию, необходимую, например, для проектирования деятельности человека-оператора в сложной технической системе.

Таким образом, выход инженерной деятельности в сферу социально-технических и социально-экономических разработок привел к обособлению проектирования в самостоятельную область деятельности и трансформацию его в системное проектирование, направленное на проектирование человеческой деятельности, а не только на разработку машинных компонентов.

Date: 2015-10-19; view: 1097; Нарушение авторских прав