История возникновения системотехники

Введение в Системотехнику

1. Появление потребности в системотехнике

История возникновения системотехники

3. Определение системотехники

4. Концепция системотехники

5. Основные задачи системотехники:

6. Проблемы системотехники

7. Проблемы системотехнического образования

8. Концептуально-методологические теории в системотехнике

9. Цели системотехники

10. Инженер-системотехник

11. Организация проектирования систем

1. Появление потребности в системотехнике

Технический прогресс в отраслях народного хозяйства привел к быстрому и резкому усложнению производственных технологических процессов, компоновок зданий и сооружений, к увеличению количества составляющих подсистем и элементов, к усложнению организационных, плановых, экономических и особенно управленческих решений.

В то же время практика показала, что отдельные подсистемы и элементы, даже будучи "хорошими" по своим локальным критериям, в ряде случаев не только не способствуют, но даже противодействуют функционированию систем в целом. По мере усложнения систем стыковка элементов волевыми решениями стала уже малоэффективной.

Необходимость в системотехнике впервые появилась тогда, когда выяснилось, что отдельные, даже хорошо работающие компоненты не обязательно составляют удовлетворительно функционирующую систему. В сложной системе часто оказывается, что если даже отдельные компоненты удовлетворяют всем необходимым требованиям, система как целое не будет работать.

Системотехника как научно-техническая дисциплина изучает созданные человеком сложные технические, организационные, управленческие системы, к которым в полной мере относятся автоматизированные системы управления, планирования, проектирования, обработки данных и т.д.

Возникновение системотехники связано с совершенствованием методов управления. Оно было обусловлено, во-первых, необходимостью управления научными и инженерными разработками и, во-вторых, потребностью создания на их основе сложных систем автоматического управления (САУ) и автоматизированных систем управления (АСУ).

В системотехнике используется самый широкий спектр научных и технических знаний: от прикладных специализированных дисциплин до социальных наук. Этим системотехника также отличается от традиционной инженерной деятельности, которая ориентировалась, как правило, на какую-либо одну «базовую» техническую науку.

История возникновения системотехники

Начало истории системотехники точно определить трудно, т.к. можно привести примеры системного мышления из очень далеких времен. Однако большинство авторов считает системотехнику сравнительно новым научным направлением.

Начало формирования понятийного аппарата системных исследований относят к 50-м годам 20 века и связывают с работами известного австрийского ученого Людвига фон Берталанфи.

Первые шаги в системотехнике сделаны еще в 30-х годах. В США они были связаны с деятельностью корпорации «Белловские телефонные лаборатории». В нашей стране это направление развивалось в исследованиях по комплексной автоматизации производства.

- Фирма «Радиокорпорейшн оф Америка» в 30-е годы признала необходимость системного подхода к созданию службы телевизионного вещания.

- Фирма «РЭНД корпорэйшен» ВВС США в 1946г. Выдвинула концепцию системного анализа.

- Первая организация, которая употребила термин «системотехника» в первой половине 40-х годов - были Белловские телефонные лаборатории.

Термин «системотехника» (от англ. Systems Engineering) стал применяться сравнительно недавно — в начале 50-х годов. Примерно начиная с 50-х годов происходит становление системотехники как области науки. В нашей стране и за рубежом (прежде всего в США) ведутся целенаправленная подготовка инженеров-системотехников в ВУЗах и интенсивные научно-технические исследования в этой области. В 1969г. в Московском энергетическом институте д.т.н., профессором Ф.Е.Темниковым была организована первая в нашей стране кафедра системотехники. Проблемы системного анализа и системотехники заняли значительное место в ведущих научных журналах («Техническая кибернетика», «Автоматика и телемеханика», «Управляющие системы и машины» и др.). С середины 60-х годов проводятся регулярные встречи специалистов на специальных конференциях и симпозиумах по проблемам системотехники.

Системотехника как особая область научно-технического знания и инженерной деятельности имеет более чем 30-летнюю историю, в которой можно выделить два основных периода[1].

Первый—, от последних лет второй мировой войны до 50-х годов — харак­теризуется интенсивным развитием системотехники как сферы ин­женерной деятельности. В это время создаются первые крупные системотехнические проекты (противовоздушной обороны, иррига­ционных систем и т. д.) и особые системотехнические группы, за­дачей которых является организация разработки этих проектов.

Во второй период — примерно с 1953 г. и до настоящего вре­мени— происходит становление системотехники как области на­учно-технического знания. Выходят в свет статьи, справочники, монографии и учебники, количество которых постоянно растет.. Эти работы, как правило, носят междисциплинарный характер — публикуются работы специалистов самых разных областей науки и техники. Каждый из них по-своему трактует содержание я смысл системотехники, однако всех их объединяет признание системного подхода ее общей методологической основой. В этих ра­ботах в той или иной мере затрагиваются методологические во­просы.

3. Определение системотехники

Системотехника - это научное направление, изучающее общественные свойства системотехнических комплексов, процессы их создания, совершенствования, использования и ликвидации в целях получения максимального социального эффекта[2].

Системотехника, научно-техническая дисциплина, охватывающая вопросы проектирования, создания, испытания и эксплуатации сложных систем (больших систем, систем большого масштаба, large scale systems). (БСЭ)

В множестве определений системотехники можно, од­нако, выделить общее. При этом необходимо учитывать, что системотехника многогранна и поэтому ее определение будет носить комплексный характер. Системотехника представляет собой:

1) сферу деятельности, выделившуюся из традицион­ной инженерной практики и направленную на организа­цию процесса создания, использования и развития слож­ных инженерных систем (т. е. стыковку проектных задач и кооперацию специалистов различных профилей, решающих эти задачи), обеспечение интеграции частей системы в единое целое;

2) область знания, комплексную научно-техническую дисциплину, объединяющую:

- средства, методы, принципы анализа и организации инженерной деятельности;

- средства, методы, приемы и процедуры проектирования и исследования сложных инженерных систем;

- знания, средства и методы современных математических, технических естественнонаучных и общественных дисциплин, используемых для исследования и проектирования сложных систем и организации инженерной деятельности;

3) конкретно-методологическую позицию, связанную с целостным рассмотрением инженерной системы, процесса ее исследования, проектирования, создания и развития, а также с использованием идей кибернетики и системного подхода[3].

При разработке сложных систем:

- возникают проблемы, относящиеся не только к свойствам их составных частей (элементов, подсистем), но также и к закономерностям функционирования объекта в целом (общесистемные проблемы);

- появляется широкий круг специфических задач, таких, как определение общей структуры системы, организация взаимодействия между подсистемами и элементами, учёт влияния внешней среды, выбор оптимальных режимов функционирования, оптимальное управление системой и т. д.

По мере усложнения систем всё более значительное место отводится общесистемным вопросам, они и составляют основное содержание системотехники. Научной, главным образом математической, базой системотехники служит сравнительно новая научная дисциплина - теория сложных систем.

Для сложных систем характерна своеобразная организация проектирования - в две стадии:

1 - макропроектирование (внешнее проектирование), в процессе которого решаются функционально-структурные вопросы системы в целом,

2 - микропроектирование (внутреннее проектирование), связанное с разработкой элементов системы как физичических единиц оборудования. Системотехника объединяет точки зрения, подходы и методы по вопросам внешнего проектирования сложных систем.

Макропроектирование начинается с формулировки проблемы, которая включает в себя по крайней мере 3 основных раздела:

- определение целей создания системы и круга решаемых ею задач. Цели и задачи системы определяют, исходя из потребностей их практического использования, с учётом тенденций и особенностей технического прогресса, а также народнохозяйственной целесообразности. Существенное значение при этом имеет опыт применения имеющихся аналогичных систем, а также чёткое понимание роли проектируемой системы в народном хозяйстве.

- оценка действующих на систему факторов и определение их характеристик. Для оценки внешних и внутренних факторов, действующих на систему, помимо опыта эксплуатации аналогичных систем, используют статистические данные, полученные в результате специальных экспериментальных исследований.

- выбор показателей эффективности системы. В качестве показателей эффективности выбирают числовые характеристики, оценивающие степень соответствия системы задачам, поставленным перед ней, например: для системы слепой посадки самолётов показателем эффективности может служить вероятность успешной посадки, для междугородной телефонной связи - среднее время ожидания соединения с абонентом, для производственного процесса - среднее число изделий, выпускаемых за смену, и т. д.

Материалы по изучению целей и задач и результаты проведённых экспериментов используют для обоснования технического задания на разработку системы.

В соответствии с техническим заданием намечают один или несколько вариантов системы, которые, по мнению проектировщиков, заслуживают дальнейшего рассмотрения и подробного исследования. Анализ вариантов системы (системный анализ) проводится по результатам математического моделирования. На практике обычно отдаётся предпочтение имитационному моделированию системы на ЭВМ. Имитационная модель представляет собой некий алгоритм, при помощи которого ЭВМ вырабатывает информацию, характеризующую поведение элементов системы и взаимодействие их в процессе функционирования.

Получаемая информация позволяет определить показатели эффективности системы, обосновать её оптимальную структуру и составить рекомендации по совершенствованию исследуемых вариантов.

Существуют и аналитические методы оценки свойств сложных систем, основанные на результатах применения теории вероятностных (случайных) процессов.

Объектом системотехники являются системотехнические комплексы (СТК). Варианты СТК – это сложные системы, большие системы, системы «человек-машина», интегральные системы.

Предметом изучения системотехники выделяют проектирование системы, включая в него:

- методологию поиска системных характеристик СТК,

- методы формирования эффективной системы процедур проектирования,

- процессы испытаний, производства, установки, эксплуатации и демонтажа, т.е. процессы использования и ликвидации СТК.

Системотехника носит междисциплинный характер. Изучаемые ею законы и закономерности не зависят от конкретного типа система.

Теоретической базой системотехники является общая теория системы (ОТС).

Основным методом системотехники является системный подход с его конкретными видами реализации: системным анализом, исследованием операций и кибернетикой.

Движущими силами развития системотехники являются

n растущая сложность систем

n расширение потребностей и окружения (как следствие расширяющегося окружения - это технические системы, в которых мы нуждаемся сегодня, обнаруживают рост масштабов, необходимости и расходов)

n научно-технические кадры (ряд изысканий показали, что часть персонала, занятого разработкой аппаратуры, было бы разумнее использовать для решения того, нужна ли вообще эта аппаратура).

Т.о. диапазон альтернативных систем, способных удовлетворить возникшую данную потребность,можно достаточно сузить еще до начала разработки, с тем, что бы последняя осуществлялась минимумом персонала.

4. Концепция системотехники

Концепция системотехники состоит в представлении реальных (существующих) или воображаемых (создаваемых) сложных систем посредством упрощенных описаний, т.е. моделей, отражающих определенные, наиболее важные грани сущности сложной системы, и исследовании таких моделей. Формирование моделей осуществляется на основании тех данных, которые можно получить о сложной системе экспериментальными и интеллектуальными средствами. Теория имеет дело с идеализацией реальности, модель с самой реальностью.

Таким образом, один из способов исследования систем состоит в том, чтобы заменить сложную систему несколькими более простыми. Такая подмена неадекватна, искусственна и может рассматриваться как сильное упрощение, допустимость которого следует каждый раз проверять.

В научном познании можно выделить несколько компонентов, дополняющих друг друга:

- эмпирико-интуитивный, вероятно, наиболее древний, основанный на наблюдениях (экспериментах) и “угадывании” взаимосвязей между ними;

- - дедуктивно-аксиоматический, принятый Евклидом в его “Началах”;

- - конструктивный, обобщенный Сократом, идущий от частного к общему и избегающий догматизма;

- - ассоциативный, более всего характерный для Максвелла и Эйнштейна, основанный на улавливании сходства между весьма отдаленными фактами и объединении разрозненных элементов при помощи новой более глубокой точки зрения.

Конкретный процесс познания невозможен без всех этих (а возможно и других) компонентов, а процесс познания всегда направлен одновременно от частей к целому и от целого к частям.

В системотехнике на равных правах используются все компоненты, это и определяет ее научную парадигму, сближающую методологии естественных и гуманитарных наук.

В системотехнике вместо классического вопроса “что происходит” на первый план выступает вопрос: “что нам нужно узнать о том, что происходит”.

Применение описательного метода в его чистом виде не годится в первую очередь потому, что практика требует точных количественных соотношений, которые этому методу недоступны. Поскольку решение современных проблем требует групповой и общественной деятельности, необходима четкая дефиниция понятий, без которой невозможно взаимопонимание и количественное описание процессов.

Части и целое выступают в диалектическом единстве и взаимоопределяемости. Для объекта, рассматриваемого как система, снимается проблема “что из чего состоит”.

Декомпозиция и композиция, анализ и синтез, познание частей через целое и целое через части выступают в единстве.

Главная практическая задача системотехники состоит в том, чтобы, обнаружив и описав сложность, обосновать такие дополнительные физически реализуемые связи, которые бы, будучи наложенными на сложную систему, сделали ее управляемой в требуемых пределах, сохранив при этом такие области самостоятельности (следовательно, слабой предсказуемости), которые способствуют повышению эффективности системы.

Включенные (в гомеостаз) новые связи должны усилить благоприятные и ослабить неблагоприятные тенденции поведения системы, сохранив и укрепив ее целенаправленность, но ориентируя ее на интересы надсистемы. Таким образом, новые связи выполняют ограничительную и охранительную функцию.

Из всех методологических концепций системотехническая наиболее близка к “естественному” человеческому мышлению гибкому, неформальному, разноплановому. Системный подход объединяет естественно-научный метод, основанный на эксперименте, формальном выводе и количественной оценке, с умозрительным методом, опирающимся на образное восприятие окружающего мира и качественный синтез.

В исследовании любой проблемы можно несколько главных проблем.

1. Выделение проблемы: учесть все, что нужно и отбросить то, что не нужно.

2. Описание: выразить на едином языке, разнородные по физической природе явления и факторы.

3. Установление критериев: определить, что значит “хорошо” и “плохо” для сравнения альтернатив.

4. Идеализация: ввести рациональную идеализацию проблемы, упростить ее до допустимого предела.

5. Декомпозиция: найти способ разделения целого на части не теряя свойств целого.

6. Композиция: найти способ объединения частей в целое не теряя свойств частей.

7. Решение: найти решение проблемы.

Системотехника принимает как количественные, так и качественные оценки, однако отказывается от традиции поэтапного решения и существования последовательного (вычислительного либо невычислительного) алгоритма решения. Системотехника исходит из того, что для сложных проблем такого алгоритма может не существовать, а человеческий разум предназначен для решения именно сложных проблем.

Системный подход состоит в многосвязности процесса решения на основе развития и уточнения исходной модели посредством взаимодействия ее составных частей. Подпроблемы рассматриваются совместно, во взаимосвязи и диалектическом единстве. Рассматривать подпроблемы изолировано и последовательно, в отрыве друг от друга и, следовательно, от среды (поскольку каждая из подпроблем является частью среды или другой подпроблемы) нерационально и неправильно. Раскрытие сущности проблемы возможно только посредством изучения диалектики взаимодействия подпроблем.