Технические и машинные системы

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Общие соображения

Одним из ценнейших качеств homo sapiens является его способность в процессе познания выделять главное и существенное, оставляя при этом без внимания несущественные или слу­чайные признаки, что необходимо для правильного и глубокого понимания объекта познания. Метод абстрагирования помогал человечеству получать и упорядочивать знания в любой области его деятельности и тем самым способствовал возникновению и развитию отдельных наук [1].

Тем не менее. и до сих пор для решения той или иной проблемы не всегда имеется соответствующая теория. В области техники найдется немало примеров того, как практика опережает теорию, а развитие теории впоследствии позволяет улучшать достигнутые практические результаты. Так обстоит дело и с теорией техни­ческих систем.

Поучительно проследить, как в процессе развития цивилиза­ции менялись представления людей о машинах. Сначала было принято рассматривать машину как нечто целое, состоящее из только ей принадлежащих, ей свойственных частей. Так, мельни­ца не могла быть просто мельницей, а была либо водяной, либо ветряной. По этой причине в старинных книгах машины описыва­лись как единое целое. Для обозначения некоторых машин не было специальных понятий. Например, отсут­ствует термин «насос» при описании соответствующей машины.

Только с основанием технических школ начинается процесс упорядочивания и происходит выде­ление механизмов из рамок общего учения о машинах. Это касается областей, в которых прогресс техники шел рука об руку с развитием соответствующей науки, например термо­динамика и тепловые машины.

Из практических соображений все вопросы, связанные с планированием, производством и эксплуатацией, решались от­дельно в рамках каждой отрасли. Вследствие этого возникли обособленные друг от друга сферы знаний и профессий, в кото­рых всякое профессиональное обучение должно было дополняться многолетним опытом. Причина этого заключалась в отсутствии теории и, как следствие, в отсутствии системы сбора и клас­сификации изобретений и сущности новых технологий.

Такое положение было возможным и приемлемым только на этапе первой технической революции. Тогда осуществлялся пере­ход от ручных форм производства к промышленному производству, к машин­ному веку. Растущее промышленное производство, различные кризисные ситуации (особенно вторая мировая война), сырьевые и экологические проблемы, возникшие в ходе второй технической революции - все это потребовало разработки новых подходов и теорий. Создание новых технических средств, наряду с повыше­нием требований, с одной стороны, и новыми способами решения задач (например, средствами вычислительной техники), с другой, вызывает необходимость пересмотра методов изучения техниче­ских систем.

Приходится только удивляться, как мало существует общих сведений о технических объектах (инструментах, приборах, ма­шинах), когда проводишь сравнение с положением, имеющим место в других областях знания, где объекты определенной науки (например, минералы, животные и растения) исследуются и упорядочиваются в строгих рамках единой сложной системы.

Одно из новых направлений в области теории технических систем возникло после второй мировой войны первоначально в виде отдельных аспектов общей теории. В рамках нескольких тематически связанных между собой исследований (Вёгербауэр [2], Кессельринг [3]), а позднее в более интегрированной форме, что особенно относится к системотехнике (например, Госслинг [4], Рот [5], Хубка [1], Хансен [6], Рополь [7], Иошикава [8] Саркисян С.А., Ахундов В.М., Минаев Э.С. [9]).

С этого времени теория технических систем нашла признание как основа и источник информации для нескольких смежных областей знания. В частности, теория конструирования опирается на теорию технических систем .

В СССР основателем научной щколы в области теории меха­низмов и машин, а также систем машин автоматического действия является академик И. И. Артоболевский (1905—1977 гг.). Его основные труды: «Синтез ме­ханизмов» (1944); «Курс теории механизмов и машин» (1945); «Механизмы. По­собие для инженеров, конструкторов и изобретателей» (1947—1955); «Теория механизмов» (1965); «Механизмы в современной технике» в 7 томах (1970— 1976).

Технические и машинные системы

Подобно тому, как около 500 лет назад нелегко было рас­сматривать в рамках единого понятия «художественное произ­ведение» скульптуру и литературные произведения, и в настоящее время пока трудно найти точное обобщающее определение для технических средств. Дело не только в различии их форм, функ­ций и степени сложности, но и в различии принципов их действия, используемых для достижения требуемых результатов. Хотя многие термины используются в некоторых отраслях техники уже давно, их содержание определяется в основном интуитивно.

Возможны два подхода к проблеме определения технического средства — «абстрактной машины». Первый состоит в пере­числении всех элементов, входящих в состав машины (например, привод, передаточный механизм, коленчатый вал, втулки, болты и т. д.). Второй подход заключается в поиске нового обобщающе­го выражения, или термина. В последнем случае основное внима­ние при описании технического средства будет уделяться его системным свойствам. В научно-технической практике большинство терминов уже стало привычным; однако они используются не повсеместно, и полемика по терминологическим вопросам не пре­кращается. В следующих разделах рассмотренные выше понятия будут определены более точно.

Исходя из понятия системы, мы можем провести разделение систем на классы, например, как показано на рис 1.1, по принци­пу происхождения систем.

Из этой схемы понятие системы становится яснее, так как в ней отдельные

элементы структуры определяются на основании общепринятой классификации областей знания. Однако наша задача заключается в классификации именно

технических систем. Классы, представленные в данной схеме, соответствуют извест­ным отраслям техники - машиностроение, электротехника, строи­тельство и т. д. Однако такой подход не дает точного определе­ния понятия «техническое средство», так как в соответствии со схемой его можно трактовать и как объект машиностроения, и как объект электротехники и т.д. Упорядочение систем в соответствии с принципами их действия - механическим, элек­трическим, гидравлическим и т. п. - также не позволяет унифици­ровать свойства и однозначно определить классы элементов систем, так как в настоящее время уже существуют гибридные системы (например, биотехнические, человеко-машинные) сложные системы.

Элементы структуры определяются на основании общепринятой классификации областей знания. Однако наша задача заключается в классификации именно технических систем. Классы, представленные в данной схеме, соответ-

вуют извест­ным отраслям техники - машиностроение, электротехника, строи­тельство и т. д. Однако такой подход не дает точного определе­ния понятия «техническое средство», так как в соответствии со схемой его можно трактовать и как объект машиностроения, и как объект электротехники и т.д. Упорядочение систем в соответствии с принципами их действия - механическим, элек­трическим, гидравлическим и т. п. - также не позволяет унифици­ровать свойства и однозначно определить классы элементов систем, так как в настоящее время уже существуют гибридные системы (например, биотехнические, человеко-машинные) сложные системы .

Все сказанное выше приводит к тому, что для обозначения «абстрактной машины» целесообразно использовать термин «техническая система». В связи с этим в данной работе и используется этот термин.

Теория технических систем

Технические системы (TS)— это и не механизмы в чистом виде, и не автоматы. «Теория машин», разработанная И. И. Арто­болевским [10], представляет собой лишь часть этой будущей общей теории. Изложим концепцию понимания теории технических систем .которой придерживается В. Хубка.

а) Цель теории. Цель теории состоит в том, чтобы привести, имеющиеся знания по объекту теории - техническим системам - в единый комплекс понятий, определений и положений, основываясь на сущности и закономерностях структуры, создания и использования технических систем, а не на отдельных эмпирических данных, относящихся к этим системам. В то же время должна быть установлена целесообразная система понятий, позволяющая, во-первых, понять их смысл без дополнительных пояснений и, во-вторых, выводить из них другие понятия. Поскольку теоретические исследования в этой области находятся на начальной стадии, такая дедуктивная форма теории может быть получена лишь постепенно.

б) Структура теории. Структура теории должна содержать основные положения, определяемые более детально в рамках этой теории, такие, как

-система понятий;

-система преобразований;

-технический процесс как элемент системы преобразований;

-техническая система как элемент системы преобразований;

-назначение TS;

-структура;

-свойства и оценивание TS;

-возникновение и развитие TS;

-эволюция TS;

-систематика - классы, типы и виды TS;

в) Виды теории. В соответствии с областью применения различают:

-общую теорию технических систем, которая справедлива для всех техниче­ских, в том числе и машинных, систем;

-специальные теории, которые конкретизируют общую теорию для отдельных классов, типов или видов технических систем.

Структура специальной теории также может быть иерархиче­ской (например, теория станков, теория металлообрабатывающих станков, теория токарных станков). Особое положение занимают специальные теории, которые применимы для нескольких отрас­лей техники, например теория механизмов, теория деталей машин и т. п.

Взаимосвязь теории с другими дисциплинами. Теория технических систем основывается на целом ряде научных дис­циплин, число которых возрастает по мере включения в нее новых систем и установления требований к ним. Наряду с такими «классическими» науками, как физика (со всеми ее направления­ми) и химия, все в большей мере вовлекаются в рассмотрение биология и такие дисциплины, как теория систем, экономика, эргономика, логика.

С другой стороны, теория технических систем образует, не­которые рамки и вводит определенный порядок во многие инже­нерные дисциплины, связанные с конструированием, изготовлени­ем, испытаниями, сбытом, хранением, транспортировкой, вводом в действие или ликвидацией технических систем. В этих инженер­ных дисциплинах положения общей теории технических систем в том или ином смысле «детализируются».

Приведем некоторые примеры. Наука о сопротивлении материалов исследует связи между прочностью технической системы, с одной стороны, и геометрическими характеристиками, свойствами материала и нагрузками технической системы, с другой; аналогично надежность, срок службы, технология изготов­ления в соответствующих теориях основываются на некоторых частных положениях общей теории. В теории горных машин изучаются процессы взаимодействия рабочих органов горных машин и других агрегатов и подсистем с горными породами, которые отличаются уникальными свойствами. Таким образом, с позиции теории технических систем она также является некоторой специальной теорией процессов. В теории механизмов и машин рассматриваются механизмы как часть технической системы; эта теория также является специальной теорией технических систем.

д) Применение теории технических систем. Кроме практиче­ского применения, теория технических систем должна иметь также познавательное значение. Разработка некоторой системы объектно-ориентированных дисциплин (для отдельных областей техники) позволяет установить ясные взаимосвязи и границы между частными дисциплинами и ввести определенное упорядоче­ние. С учетом этого теория технических систем важна для созда­ния общей картины в области техники и будет способствовать совершенствованию инженерных дисциплин, где она может и должна служить в качестве обобщающей теории.

В заключение приведем еще несколько соображений отно­сительно целесообразности широкого использования теории технических систем в инженерной и научной деятельности и покажем некоторые преимущества объединения системных теорий.

1. Теория выявляет закономерности, справедливые для всех объектов техники. Она способствует перенесению профессиональ­ного опыта из одной области в другие благодаря возможности переноса системных категорий (использование гомоморфизма объектов техники).

2. Объединение всех объектов техники в класс «технические системы» позволяет разработать подход к инженерной деятель­ности, не связанный с конкретным объектом техники и приемле­мый во всех специальных областях. В рамках этого подхода можно изучать и разрабатывать методы конструирования тех­нических систем вообще и систем определенного класса в частно­сти.

3. Работа с абстрактными понятиями заставляет инженеров применять научные методы там, где силы воображения и опыта недостаточно. Тем самым создаются условия для того, чтобы отойти от устаревших традиций и шаблонов.

4. Теория технических систем позволяет трактовать любую техническую проблему целостно, с позиций системного подхода. Такой подход является предпосылкой эффективного конструирова­ния и успешного выполнения других инженерных работ.

5. Использование информационных технологий и их понятия позволяет улуч­шить связи инженеров с учеными. Кроме того, при этом облег­чается формализация некоторых операций в процессе кон­струирования, поскольку расширение применения вычислительных устройств требует построения алгоритмов логических операций. Таким образом, теория технических систем связана с развитием автоматизированного проектирования.

Формирование классов технических систем, основанных на аналогичности отношений, дает инженерам базу для выявления максимального количества способов реализации определенной функции или определенного отношения. Таким образом, созда­ются предпосылки для выбора наилучшего технического решения из множества возможных. Практической формой представле­ния такой информации является создание каталога конструкций [5]. Теория технических систем дает в руки инженерам подход, ориентирующий на конечную цель и позволяющий видеть взаимо­связи, понимать и применять целостность как принцип, а также распознавать в различных технических объектах существенные аналогии и отношения. Такие навыки особенно важны для инженеров-конструкторов, чем объясняется интерес к теории технических систем в этой среде специалистов.

Прогресс науки и техники, потребности общества в новых промышленных изделиях, переход экономики к рыночным отношениям обуславливают необходимость повышения оперативности и адекватного управления промышленными предприятиями и отдельными отраслями народного хозяйства. При этом возникают определенные противоречия между возрастающей сложностью (табл. 1.1), вызываемой усложнением объектов анализа, и требованиями к сокращению сроков анализа и повышения его качества [11].

. И горнодобывающие предприятия здесь не исключение. Изменяющиеся горнотехнические условия возрастающая конкуренция на рынках сбыта сырья сложность используемой и, главным образом, вновь создающейся промышленной продукции техники, возрастает по экспоненте, что иллюстрируется табл. 1.[11] В этом и состоит главная особенность современного этапа развития производственной деятельности.

Разрешение этого противоречия возможно традиционным - экстен­сивным путем, т.е. за счет большего привлечения к разрешению этой проблемы средств и людей, однако опыт показывает, что это не самый лучший способ разрешения подобных противоречий. Современный уро­вень развития науки и техники позволяет предложить другой более рациональный и эффективный путь, а именно, системный анализ ГДП на всех этапах его жизнедеятельности.

Системный анализ опирается на новые представле­ния, отражающие не только современный уровень знаний, но и на достижения машиностроения, ки­бернетики, радиотехники, энергетики, информатики, но и на совер­шенно новые

Таблица 1.1

Возрастание числа изделий и их сложности

Время	Приближенное число классов изделий	Среднее число элементов в сложных изделиях
100 000 лет назад
10 000
1 000
Настоящее время	50 000	10 000
2100 год	?	?

принципы разработки и организации технических и орга­низационно-производственных систем, или коротко, эти принципы на­зывают системным подходом.

В настоящее время есть много работ, посвященных различным ас­пектам проблемы анализа, проектирования и эксплуатации технических систем вообще и ГДП в частности.

Вопросы разработки общей концепции анализа жизнедеятельности ГДП как большие технические системы [БТС], рассеяны по многочис­ленным публикациям и, зачастую, в них отсутствуют примеры использования в современных технологических машинах и технологиях горного производства. Это обстоятельство затрудняет использование таких работ при обучении студентов и магистрантов основам системно­го подхода в научной деятельности..

Осмысление и использование общей методологии системного подхода к анализу ГДП затруд­нено значительной сложностью, его как БТС и необходимостью переработки и анализа огромного объема информации, неопределенностью или отсутс­твием существенного количества исходных данных, а также субъектив­ностью выбора существующих методов анализа, как отдельных компонентов, так и БТС в целом. При этом, как отмечается в работе [11], субъективизм специалистов является основным препятствием для разработки общих положений и принципов системного анализа. Попытка преодолеть пере­численные трудности и предпринимается в этой работе.

Неполноту объективной информации можно компенсировать макси­мальным использованием творческих возможностей человека с учетом особенностей решения творческих задач при систем­ном анализе. Поэтому решение проблем высокого уровня следует искать путем объединения логико-математических и эвристических ме­тодов. [5, 13] Разработка общих основ системного анализа базируется на обобщении положительной практики его применения (план ГОЭЛРО, освоение западносибирского месторождения углеводородов, освоение космоса [14]). Этим обеспечивается принцип соответствия теории и практики системного анализа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хубка В. Теория технических систем /Пер. с нем. – Мир.: Мир. 1987.– 208 с.

2. Wogerbauer H. Die Technik des Konstruierens. Munchen. Oldenbourg. 1943.

3. Kesselring F. Bewertung von Konstuktionen. Dusseldorf? VDI Verlag/ 1951.

4. Gosling W. The Design of Engineering Systems. London Heywood. 1965.

5. Рот К. Конструирование с помощью каталогов / Пер. с нем. В.И. Борзенко и др.; под ред. Б.А. Березовского. – М. Машиностроение. 1995. – 420 с.

6. Hansen F. Konstrutiogswissenschaft. Munchen.Hauser> 1974

7. Ropohl G. Ansatzezu einer allgemeinen Sistematik technischer Systeme. Schw. Maschinenmarkt. 76? No/29 1976.

8. Eoshikawa H. General Design Teory and CAD System/ Tokyo. IFIP. 1980.

9. Саркисян С.А., Ахундов В.М., Минаев Э.С. Большие технические системы.- М.: Наука, 1977.- 350 с.

10. Артоболевский И.И. Главные проблемы в теории машин и механизмов//Теория механизмов и машин 11,№ 6 1976.

11. Матвеевский С.Ф. Основы системного проектирования комплексов летательных аппаратов. – М.: Машиностроение, 1987. – 240 с.

12. Аветисян , Башмаков И.А., Гантерн B.IL и др, Системы автоматизированного проектирования: Типовые элементы, методы
и примеры.- М.-:, Изд. Высш. Школа??????

13. Половинкин А.И. Основы инженерного творчества: Учеб. Пособие для студентов втузов. – М.: Машиностроение, 1988. – 368 с.

14. Моисеев Н.Н. Математика ставит эксперимент.- М.: Наука, 1979, - 223 с.