Понятия системы, технического объекта, модуля

Определение «техносферы» было дано в разделе 1.

Рассматривая техносферу как совокупность технических объектов и систем, конечно нельзя забывать о достаточно сложных связях как между ними, так и связях с биологическими и социальными системами.

Первоначально технические объекты были достаточно просты: каменные, а затем и металлические орудия труда, отдельные механизмы, а затем машины, автоматы, роботы, автоматизированные комплексы. С ростом сложности наблюдается увеличение числа элементов, из которых состоит технический объект, а сами объекты вступают в отношения с другими антропогенными и естественными системами. Технический объект, как и система, понятия абстрактные, обобщающие. Необходимость такого обобшающего термина В. Хубка [16] определяет так: «...чтобы привести имеющиеся знания по объекту теории... в единый комплекс понятий, определений и положений, основываясь на сущности и закономерностях структуры, создания и использования ТС, а не отдельных эмпирических данных, относящихся к этим системам».

Предшественниками ТО и ТС видимо были понятия «абстрактной машины» или «машины».

В этой связи следует остановиться на понятиях «технический объект (система)» и «системный подход».

С общефилософских позиций системный подход [81] - направление методологии научного познания и социальной практики, в основе которого лежит исследование объектов как систем.

В Древней Греции преобладало нерасчлененное знание. Природа еще рассматривалась в общем, как единое целое. Аналогично, созданные человеком искусственные объекты, машины описывались как нечто целое. Как и живой организм машину нельзя было расчленить на составные части. Поэтому, описываемые в так называемых «театрах машин», технические объекты предстают на чертежах, рисунках, кратких сведениях как целые и неделимые, с присущими только им составными частями.

Специфические сочинения по технике – «театры машин» - получают широкое распространение к концу 15 века, началу эпохи Ренессанса. Наиболее известным и полным (по тем временам) является «театр машин» саксонского механика Якоба Лейпольда [70], издание которого частично финансировалось Петром I , а переиздавалось даже в начале 19 века.

В таких изданиях автор описывал не только свои изобретения, но и все, известные ему, машины. В России во второй четверти 18 века посмертно издан «Театрум махинарум» царского токаря А.К. Нартова [60]. «Театрум махинариум, то есть ясное зрелище махин и преудивительных разных родов механических инструментов» [60]. Машину в те годы на Руси называли «махиной» [12]. Слово было заимствовано из древнегреческой театральной практики и обозначало подъемную машину, употребляемую в театре. «Deus ex machina» - «бог из машины». К концу спектакля бог появлялся сверху с помощью специальной театральной машины и разрешал все, возникшие в ходе спектакля, ситуации.

Марк Ветрувий [70] (конец 1 века до н.э. – римский архитектор) в «Десяти книгах об архитектуре» последнюю – десятую книгу - посвящает машинам. По его определению «Машина есть сочетание соединенных вместе деревянных частей обладающее огромными силами для передвижения тяжестей».

Большинство современных авторов [143, 25, 144, 37] склонны к такому определению:

Машина (от французского machine, лат. machinа) – устройство, выполняющее механическое движение для преобразования энергии, материалов и информации с целью замены или облегчения физического и умственного труда человека. Следуя определению машины могут быть: энергетическими, технологическими и информационными.

Хотя такое определение дается в большинстве классических источников, слова «выполняющие механическое движение» не охватывают целый ряд машин, например, приборы, регистрирующие и взаимодействующие с полями, ЭВМ, работа которых не сопровождается непосредственным перемещением элементов машины.

Для последующего этапа – метафизического способа мышления – характерно преобладание анализа. Суть анализа состоит в разделении целого на части, в представлении сложного в виде совокупности более простых компонент. Таким образом, сложные процессы, явления, объекты можно изучать (а, следовательно, проектировать) исследуя отдельные элементы.

Разложение природы на ее отдельные части, разделение процессов и предметов на определенные класы, исследование внутреннего строения органических тел – все это было грандиозным успехом. Следуя данному принципу, структурно машину можно рассматривать как ТС, состоящую из отдельных механизмов или комплексов механизмов, т.е. элементов, обладающих устойчивыми связями и организацией.

Механизм [25, 37] – совокупность взаимосвязанных тел, предназначенных для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемое движение других тел.

По структурно-конструктивным признакам различают механизмы шарнирные (рычажные), кулачковые, зубчатые, клиновые, винтовые, фрикционные, с гидро- и электроустройствами и прочие.

Механизмы могут иметь одну или более степеней свободы. Наибольшее распространение имеют механизмы с одной степенью свободы, в которых для определенности движения всех звеньев нужно задать закон движения одного звена. Реже применяются механизмы с двумя и более степенями свободы. Главное назначение механизмов состоит в осуществлении заданного движения в процессе выполнения рабочей операции.

Деление машины на отдельные механизмы относят к 18 веку. Француз Гаспар Монж [70] показал, что машина состоит из механизмов (элементарных машин). «В 1808г. Августин Бетанкур и Хосе-Мария Ланц написали первый учебник по курсу построения машин..., а в 1841г. английский ученый Роберт Виллис определил понятие механизма». Другие авторы [16] связывают процесс упорядочивания и выделения механизмов с образованием технических школ в Париже (1794г.) и Праге (1806г.) и именами Гаспара Монжа, Лазара Карно (отца Никола Карно, чьим именем назван соответствующий цикл и теорема), Ашетта, а позднее Борни. В первом учебнике были учтены только 134 механизма. В современном справочнике И.И. Артоболевского приведено 4746 механизмов. Однако, предпосылки к разделу машин на элементы и части, общие для различных систем, имеются в работах Леонардо да Винчи, Герона Александрийского и др.Наука о механическом движении материальных тел получила название механики (от греч. mechanike - искусство построения машин [25]).

По словам Плутарха «искусству построения механических орудий положили начало Эвдокс и Архит...» [149]. Диоген Лаэртский об Арките сообщает: «Он первый упорядочил механику, приложив к ней материалистические основы, и первый свел движение механизмов к геометрическому чертежу» [150].

Однако, расчленить машину можно не только на механизмы, но и на части, формируемые, например, по функциональному, структурному или иному признаку.

Борни (1818г.) выделял 6 классов основных частей машины, затем Кориолис и Понселе развили эту идею, разделив машину на рецептор, передаточный механизм и инструмент. В дальнейшем об их концепции забыли и вспомнили уже в начале 20 века. хотя термины частично изменились (двигатель, передаточный механизм, исполнительный орган и система управления), сущность фактически осталась прежней. Такое деление вносит определенные удобства в процесс проектирования и рассмотрения технологических машин.

Однако, анализ как методологический способ, оставил привычку рассматривать объекты и процессы в их обособленности, вне их связей и движения. Новый, более высокий уровень системности познания представляет собой диалектический способ мышления.

В развитие диалектики значительный вклад внесли представители немецкой классической философии И. Кант, И.Фихте, Ф.Шеллинг, Гегель. У Канта имеются прямые суждения о системности самого мышления и его развития. Исследования процессов развития познания, соотношения познания и реальности привело Гегеля к окончательному формированию диалектики.

Параллельно философской мысли, несколько с иных исходных позиций системный подход начинает формироваться в конкретно-практической научной и технической методологии.

Первым в явной форме вопрос о научном подходе к управлению сложными системами поставил М.А.Ампер. При построении классификации всевозможных, в том числе и несуществующих тогда, наук он выделил специальную науку об управлении государством и назвал ее кибернетикой. («Опыт о философии наук, или аналитическое изложение классификации всех человеческих знаний» 1834-1843г.г.).

При этом он обозначил необходимое место для кибернетики в ряду других наук, подчеркнул основные ее системные особенности. «Эту науку я назвал кибернетикой от слова, обозначавшего сперва, в узком смысле, искусство управления кораблем, а затем постепенно получившего у самих греков гораздо более широкое значение искусства управления вообще».

Ампер только еще пришел к выводу о необходимости кибернетики, а Б.Трентовский, польский философ, уже читал в Фрейбургском университете курс лекций, содержание которого опубликовал в 1843г. Трентовский ставил целью построение научных основ практической деятельности руководителя, основываясь на том, что сам человек, коллектив, общество – есть сложная система со своими связями, отношениями и т.п.

И все же общество середины 19 века оказалось не готовым воспринять идеи кибернетики и последняя была позабыта. Прошло еще более 50 лет, и системная проблематика снова появилась в поле зрения науки. В

В 1911г. вышел в свет первый том, а в 1925г. – третий том книги «Всеобщая организационная наука (тектология)» А.А.Богданова [22]. Настоящая фамилия автора (Богданов - псевдоним) - Малиновский [17].

Большая общность тектологии связана с идеей Богданова о том, что все существующие объекты и процессы имеют определенную степень, уровень организованности В отличие от конкретных естественных наук, изучающих специфические особенности организации конкретных явлений, тектология должна изучать общие закономерности организации для всех уровней организованности.

В некоторых вопросах Богданов предвосхитил, а кое в чем и превзошел многие положения современных кибернетических и системных теорий. Тот факт, что к тектологии стали обращаться лишь к концу 20-го столетия, объясняется рядом политических событий, а в большей степени противоречивостью, сложностью личности и судьбы Богланова. Медик по профессии, он всерьез занялся философией, создав на позициях махизма свою собственную - эмпириомонизм. В.И. Ленин в «Материализме и эмпириокритицизме» подверг Богданова жестокой критике, после чего тот вообще отошел от философии. Богданов активно участвовал в политической деятельности, но когда социал-демократы отвергли его вместе с «богоискателями», вообще прекратил работу в партии. Тем не менее после революции он вошел в состав Коммунистической академии. В.И.Ленин высоко оценил написанный им «Красный курс политической экономии», а также поддержал идею Богданова о создании первого в мире Института переливания крови. Богданов становится директором института, начинает проверять некоторые выводы тектологии на примере действительно сложной систсемы - кровеносной. Рискованные опыты он проводил на себе, и его абсолютная вера в безошибочность своих гипотез привела к трагедии: один из таких опытов окончился его гибелью.

Все это в совокупности с новизной предмета тектологии привело к тому, что о ней вспомнили лишь тогда, когда другие начали приходить к тем же результатам. Однако, приоритет и вклад А.А.Богданова в развитие системных представлений нельзя недооценивать.

По-настоящему явное и массовое усвоение системных понятий, общественное осознание системности мира, общества и человеческой деятельности началось с 1948г., когда американский математик Н.Винер [23] опубликовал книгу под названием «Кибернетика».

Первоначально он определил кибернетику как «науку об управлении и связи в животных и машинах». Однако, очень быстро стало ясно, что такое определение неоправданно сужает сферу приложения кибернетики. Уже в следующей книге Н.Винер анализирует с позиций кибернетики процессы, происходящие в обществе.

В нашей стране кибернетика была встречена настороженно и даже враждебно. Кибернетика была признана идеалистической лженаукой. И только в 60-70-е годы 20-го столетия получает признание.

Параллельно и как бы независимо от кибернетики прокладывается еще один подход к науке о системах – общая теория систем.

Идея построения теории, применимой к системам любой природы, была выдвинута австрийским биологом Л.Берталанфи. Один из путей реализации этой идеи Берталанфи видел в том, чтобы отыскивать структурное сходство законов, установленных в различных дисциплинах, и, обобщая их, выводить общесистемные закономерности. Однако, заманчивый замысел построить общую теорию систем как новую логико-математическую дисциплину не реализован в полной мере до сих пор.

В дальнейшем происходит развитие системного анализа, общих системных представлений и подходов к решению разнообразных задач.

Итак. Наращивание системных знаний – естественный процесс, происходящий во всех областях человеческой деятельности. Системность – всеобщее свойство материи.

В качестве иллюстрации обратим внимание на специальности классиков системности: Ампер – физик, Трентовский – философ, Федоров – геолог, Богданов – медик, Винер – математик, Берталанфи – биолог, Пригожин – физик [17].

Системный подход может быть распространен как на саму техническую систему, так и на людей, общество и т.п., которые проектируют, изготавливают и эксплуатируют эту технику, а также на мыслительные процессы.

Дальнейшим развитием системного подхода является исследование и обоснование теории комплексных самоорганизующихся систем. Зарождается синергетика.

Синергетика как новая междисциплинарная отрасль науки возникла в конце 20 века [199]. Ее создателями являются немецкий ученый Герман Хакен и русский физикохимик И.Р.Пригожин (1917-2003 г.г.). Об этом было сказано в разделе 2.4. Однако, повторим некоторые положения. Основной постулат синергетики заключен в следующем.

На открытые системы не распространяется принцип, согласно которому при предоставлении такой системы самой себе хаос в ней будет постоянно расти [198].

Принцип Больцмана, касающийся энтропии как меры хаоса, стремящийся достичь своего максимума, оказывается верен только для закрытых систем. В случае закрытой системы рост энтропии зависит только от количества возможностей, которые может реализовать система – например, от числа различных положений молекул газа в системе, которая представляет собой емкость, наполненную газом. Поскольку для каждой системы существует совершенно определенное число таких положений, принцип Больцмана является статическим.

Синергетические исследования направлены на изучение общих принципов возникновения структур в открытых системах. Множество отдельных элементов открытой системы задействованы в процессе постоянного тестирования различных возможностей, предоставляемых им системой, пробуя при этом все новые и новые типы движения или реакции. Под воздействием непрерывно поступающей энергии (или энергии и вещества) один или несколько типов такого коллективного движения или коллективной реакции оказывается предпочтительнее других. Именно эти формы движения или типы реакций становятся преобладающими в системе. Постепенно происходит подавление – или, говоря языком синергетики, подчинение им всех прочих форм движения или типов реакций. Подчиняя себе всю систему последние изменяют и макроструктуру системы, приводя, как правило, к состоянию более высокой степени упорядоченности.

Таким образом, рассмотренный принцип возникновения структур в открытых системах является принципом динамическим, поскольку определяется скоростью роста определенных форм движения или типов реакций.

Итак, основатели синергетики в противовес второму началу термодинамики выдвинули положение о наличии у материи созидательной тенденции, т.е. способности самопроизвольно развиваться не только в направлении к беспорядку, хаосу, но и в противоположном направлении – к самоорганизации и самоусложнению.

В разделе 2. мы постарались доказать, что процессы наблюдаются как в живой, так и неживой природе.

Кроме того, в развитии систем большую роль играет случай, от которого зависит выбор того или иного варианта дальнейшего развития. Именно случай определяет одно из возможных направлений развития в так называемых точках бифуркации (от лат. - раздвоение единого), т.е. точках, когда малое изменение входного сигнала или внешних воздействий приводит к резким изменениям (часто необратимым) в системе, причем в ту или иную сторону выходного сигнала [199]. Развитие систем носит не однонаправленный, хорошо предсказуемый характер, а преимущественно многовариантный, нелинейный, а иногда скачкообразный характер. Случай есть необходимый элемент механизма эволюции.

Рассматривая общие закономерности зарождения, проектирования, изготовления и эксплуатации ТО и ТС, с учетом социальной и биологической сфер, ограничений экономических, социальных и технологических, данные принципы могут быть распределены на мир технических систем.

Понятия системы, технического объекта, модуля

___________________

Одной из характерных тенденций развития техники в настоящее время является непрерывно увеличивающаяся сложность ТО и ТС, появление больших и гипербольших систем.

При их проектировании возникают проблемы, меньше связанные с рассмотрением свойств и законов функционирования элементов, а больше – с выбором наилучшей структуры, оптимальной организации, учетом влияния различных внешних и внутренних факторов и т.п. Кроме этого, решение сложных и объемных задач как за один прием, так и при простом разбиении всей большой задачи на ряд мелких последовательных этапов редко приводит к успеху. К решению сложных задач подключаются специалисты различных научных направлений и специальных технических знаний. Руководитель проекта не может быть абсолютно знающим специалистом во всех областях.

Учитывая все вышесказанное для создания таких систем необходим определенный идеологический и организационный план проектирования системы, пронизывающий весь проект, начиная от предварительной исследовательской проработки и заканчивая эксплуатацией и утилизацией системы.

В результате возникла необходимость в системном подходе, о котором говорилось в разделе 4.4., в появлении соответствующих специалистов – системотехников и их обобщающей научно-технической дисциплины – системотехники.

Системотехника – научное направление, изучающее общесистемные свойства ТО и ТС, процессы их создания, совершенствования, эксплуатации и ликвидации (утилизации) в целях получения максимального социального, технического и (или) экономического эффекта.

Фундаментальным понятием системотехники, как и базовых теоретических дисциплин (теории систем, исследования операций, системного анализа и т.п.), является понятие «система».

Большинство авторов [18, 19, 66, 81] определяют систему примерно так:

Система – это совокупность элементов, обладающих следующими свойствами:

1. Целостность и членимость.

2. Организация.

3. Наличие существенных связей.

4. Интегративные качества.

Некоторые авторы [32], говорят именно о технических системах подчеркивают, что совокупность элементов (технических объектов) должна быть объединена единой целью и общим алгоритмом функционирования. ТС нельзя ограничить как часть техносферы, т.к. большинство систем является гибридными, т.е. включающими объекты био- и социосферы.

Элементом [18] называется некоторый объект (материальный, энергетический, информационный), обладающий некоторыми важными для системы свойствами, но внутреннее строение (содержание) которого безотносительно к цели рассмотрения.

Например, рассматривая автомобиль в целом, мы говорим о электролампочке, которая в данном случае будет элементом, с определенными свойствами нужными автомобилю как системе. В тоже время сама структура, строение лампочки нас не интересует, т.е. она безотносительна к цели рассмотрения.

Отдельные элементы принято обозначать через М, а возможную или рассматриваемую их совокупность – через {M}. Принадлежность элемента совокупности принято записывать: МÎ{M}.

Целостность и членимость подчеркивает двойственность систем: с одной стороны, ТС – целостное образование, т.е. рассматривается как единое целое, с другой – в ее составе отчетливо могут быть выделены отдельные элементы (объекты), каждый из которых обладает своей собственной целостностью.

Для любых систем характерно наличие существенных устойчивых связей (отношений) между элементами, превосходящих по мощности (силе) связи этих элементов с элементами, не входящими в данную систему.

Связью называется важный для целей рассмотрения обмен между элементами веществом, энергией или информацией.

В определении элемента и связи имеются понятия вещества, энергии и информации. С точки зрения взаимодействия человека с материальным миром нами уже три больших периода [105] (см. раздел 4.2.):

· освоение вещества, создание материального производства, осознание единства материального мира;

· освоение энергетических запасов и создание производства энергии;

· исследование информационной картины мира, создание информационной индустрии, осознание единства законов вещества, энергии и информации.

Единицей связи выступает воздействие. Воздействие элемента М₁ на элемент М₂ обозначают через х₁₂ и наоборот, элемента М₂ на М₁ через х₂₁, что можно изобразить графически (рис. 5.1)

Рис. 5.1. Связь двух элементов [18]

Термины: существенные и устойчивые связи подчеркивает возможность отделения системы от окружающей среды в виде целостного образования, определить границы системы.

Возникновение организации в системе – это, по существу, формирование существенных связей элементов, упорядоченное распределение связей и элементов во времени и пространстве. При формировании связей складывается определенная структура системы.

Существование интегративных качеств (свойств), т.е. таких, которые присущи системе в целом, но не свойственны ни одному из ее элементов в отдельности, показывает, что свойства ТС хотя и зависят от свойств элементов, но не определяются ими полностью.

Отсюда можно сделать важные практические выводы:

1. Система не сводится к простой совокупности элементов.

2. Расчленяя систему на отдельные части, изучая каждую из них в отдельности, нельзя познать все свойства системы в целом.

Применяя так называемое «кортежное» определение систем, можно записать [18]:

где å - система;

{M} – совокупность элементов системы;

{x} – совокупность связей;

F – функция (новое свойство) системы.

Существуют другие, более сложные формы условной записи системы [1, 66]. Практически любой объект с определенной точки зрения может рассматриваться как система. Важно отдавать себе отчет – полезен ли такой взгляд или разумней считать данный объект элементом.

Вторым, на наш взгляд, не менее важным термином является понятие технического объекта (ТО).

В современном понятии ТО часто употребляется как синоним ТС [45, 98], являясь целостной системой, включающей в себя определенные элементы, обладающие теми же свойствами, что и система (целостность и членимость, организация, наличие существенных связей, интегративные качества). При этом подчеркивается, что у любого ТО существует надсистема, т.е. другой ТО, в который он структурно или функционально включается или входит как отдельный элемент. Не которые авторы [16] определяют ТО как элемент системы, но считая, что его структура небезинтересна при рассмотрении системы в целом, но ТО может быть выделен как целостное образование (система) в рамках ТС. Эволюция терминологии приводится довольно подробно в работах [98, 16, 14].

Технический объект – это совокупность элементов, обладающих свойствами системы и входящих в надсистему как целостное образование (система).

Техническим объектом может быть названа как отдельная машина или прибор, так и агрегат, блок, из которых состоит машина, а также комплект машин, приборов и т.п.

Деление системы на части позволяет реально охватить при рассмотрении только отдельный блок (так называемый модуль), провести его проверку, настройку, модернизацию, обеспечить надежность и осуществить быстрый ремонт.

Модуль [25] (от лат. modulus - мера) – группа элементов, являющихся частью системы, оформленных конструктивно, структурно или функционально как самостоятельное целое, выполняющее определенную функцию в какой-либо ТС и описываемое только своими входами и выходами.

Объединяя элементы в модули мы уходим от излишней детализации в описании ТС, сохраняя ее основные особенности. Внутреннее строение таких первичных блоков можно проанализировать (в основном это уже сделано заранее), но на определенной стадии рассмотрения удобнее пользоваться модулем как элементом, пользуясь лишь входами и выходами.

Схематично изображение модуля можно представить [18] в полном виде (см. рис.5.2.):

Рис. 5.2. – Схематическое изображение модуля.

{x⁺_J} – внешние (от «не-системы») воздействия на элементы модуля J;

{x⁺_iJ} – связи от других элементов системы на элементы модуля J;

{x^-_J} – связи воздействия от элементов модуля J на другие элементы не системы;

{x^-_Jk} – связи от элементов модуля J на другие элементы системы.

Тогда условно преобразование связей в модуле можно записать:

По нятие модуля предусматривает и другие отличительные особенности. Например, в противовес ТО (машине) модуль чаще всего унифицирован, имеет определенный запас технико-экономического уровня, т.е. способность эффективно применяться в будущих модификациях ТС. В случае устаревания модуль может быть заменен на новый, усовершенствованный без затрат на выпуск других составных частей ТО. Некоторые авторы [20] подчеркивают, что модульное построение ТС предполагает ограниченное число унифицированных блоков, из которых, как из конструктора, можно набирать (выбирать) нужные структуры. Т.е. правильно спроектированный модуль позволяет свести элементную базу ТС к некоторому минимуму.

Такая тенденция в построении ТО и ТС прослеживает достаточно давно. Об этом свидетельствуют синонимы слова модуль: узел, блок, агрегат, подпрограмма и пр.

В отличии от элемента и «черного ящика», заимствованного в проектное дело, [9, 45] из кибернетики, которые тоже характеризуются только входами и выходами, можно отметить, что содержание (структура, конструкция и т.д.) у модуля известно и небезинтересно с точки зрения рассмотрения системы, а объединение произведено искусственно с определенной целью и позволяет производить определенные оперативные действия с этими группами элементов.

Система может представляться набором модулей и сама рассматриваться как модуль. Деление системы на модули – это удобный и наиболее распространенный прием работы с искусственными системами, включая их создание, проверку, настройку, усовершенствование [18].

Примерами реализации этого положения на практике являются создание не только сложных машин и комплексов, но и информационных систем и вычислительных сетей, охватывающих целый ряд стран, включая их многоуровневое программное обеспечение.

Государственным стандартом в системе проектирования и производства введено еще одно обобщающее понятие – изделие.

Для ведения конструкторских работ государственный стандарт в системе проектирования – производство устанавливает в качестве основного термина – изделие.

Изделие – единица промышленной продукции, количество которой может исчисляться в штуках или экземплярах [120]. Применительно к конструкторской документации изделием считается любой предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии.

Под изделием подразумеваются все объекты материального производства: машины, механизмы, функциональные схемы и др.

Как видно из определения, понятие «изделия» несколько уже понятие «технический объект» и максимально приближено к производству. Различают изделия, предназначенные для реализации (в основном производстве) и для собственных нужд производства ( во вспомогательном производстве).

Дата добавления: 2014-05-02; просмотров: 521; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!