Интегрированные теоретические исследования в технике

Междисциплинарный теоретический синтез.

Междисциплинарный теоретический синтез включает:

интегрированное теоретическое исследование (например, на основе общности математической схемы в теории автоматического регулирования);

комплексное теоретическое исследование, характерное, например, для системотехники.

Последнее ориентировано на общенаучные понятия и представления (прежде всего системные и кибернетические) и универсальные для определенного типа задач средства имитационного моделирования на ЭВМ.

Интегрированные теоретические исследования являются результатом обобщения и последующей интеграции частных теоретических схем различных научно-технических дисциплин, то есть разных планов исследования технических систем определенного типа на общей математической основе в некотором особом аспекте (например, устойчивости и качества систем автоматического регулирования). В отличие от них комплексные теоретические исследования и многоаспектны, и многоплановы. Они сохраняют комплексность на всех этапах исследования сложных технических систем, единство же и целостность их обеспечивается методологически.

Типичным представителем интегрированного междисциплинарного исследования является теория автоматического регулирования. "В 20-х—30-х гг. XX в. появились и получили применение системы автоматического регулирования процессов горения, регулирования температуры воды и перегрева пара, питания котлов и давления пара в котельных агрегатах, системы регулирования давления в трубопроводах, регулирования температуры в сушильных установках и доменных печах, а также системы регулирования напряжения, мощности и частоты электрических генераторов". Первоначально все они исследовались и рассчитывались по-разному. Однако постепенно формируются общие методы расчета, анализа и синтеза следящих систем.

Ситуация, сложившаяся в теории автоматического регулирования, была сходна с той, которая сформировалась в области электродинамики во времена Фарадея и Максвелла. Последние имели дело главным образом не с первичной эмпирией, а с определенным набором частных теоретических схем, которые и были ими обобщены: Фарадей построил обобщенную поточную теоретическую схему, а Максвелл — функциональную. В период становления теории автоматического регулирования уже появились такие классические технические науки, как, например, теория механизмов и машин и теоретическая радиотехника и электротехника. Поэтому ее формирование осуществлялось в двух основных направлениях: во-первых, за счет обобщения уже выработанных в этих дисциплинах теоретических средств и способов решения типовых задач и, во-вторых, в плане развития единого математического аппарата.

Первое направление развернулось примерно в 40-х—50-х гг. XX в., с одной стороны, на базе обобщения разработанных в теоретической радиотехнике способов анализа электрических цепей с помощью так называемых эквивалентных схем соответствующих преобразований (одновременно был обобщен на широкий класс систем автоматического регулирования критерий устойчивости Найквиста, разработанный им для исследования электронного усилителя с отрицательной обратной связью). С другой стороны, для классификации и структурного анализа систем автоматического регулирования (динамических цепей) были использованы и обобщены методы классификации и структурного анализа механизмов, выработанные в теории механизмов для исследования кинематических цепей.

Второе направление начало активно разрабатываться с 50-х гг., когда задачами теории автоматического регулирования занялись математики, что способствовало быстрому развитию линейной теории управления. В результате были разработаны единые математические методы анализа и синтеза систем автоматического регулирования практически любого типа независимо от способа их инженерной реализации. Это привело к выделению особого звена (регулятора) механических, гидравлических, электрических и тому подобных устройств, к которым наиболее применимы данные методы, как объекта исследования теории автоматического регулирования. "По-видимому, теория автоматического регулирования - единственная область техники, целесообразность которой обусловлена не общностью решаемых проблем или машин, с которыми приходится иметь дело, а математическими методами". Однако для обеспечения эффективного функционирования данной технической теории необходимо было ликвидировать разрыв между единым математическим описанием и разнородными поточными и структурными теоретическими схемами, к которым оно применялось. Они заимствовались из соответствующих технических наук без какой-либо перестройки. Это стимулировало развитие особых структурных схем, обобщенных по отношению к частным схемам теории механизмов, теоретической радиотехники и электротехники, гидравлики и т.д. Однако первоначально все однородные звенья просто сводились к эквивалентным электрическим схемам, на которых и производились основные расчеты. В обобщенных же структурных схемах теории автоматического регулирования давалось единообразное описание систем автоматического регулирования независимо от конкретного конструктивного воплощения и типа протекающего в них естественного процесса - гидравлического, электрического, механического или пневматического. Такой метод структурных преобразований схем автоматических систем и адекватный им математический аппарат — алгебра структурных преобразований — был разработан академиком Б.Н. Петровым. В своей работе 1945 г. "О построении и преобразовании структурных схем" он пишет: "При анализе и синтезе различных автоматических систем (регулирования, управления, следящих, телемеханических и т.п.), в особенности, когда рассматриваются сложные системы, большое значение имеет ясное представление об их структуре, динамических свойствах отдельных элементов и их взаимодействия... Однако, насколько нам известно, не существует методики построения достаточно удобных и наглядных структурных схем, которые не только фиксировали бы наличие отдельных элементов в системе и связей между ними, но отображали бы динамические свойства этих элементов и характер воздействия их друг на друга. В настоящей работе делается попытка найти способ построения подобных схем... Структурные схемы способствуют наглядному представлению о характере и структуре системы, облегчают анализ сложных систем и сравнение различных систем и вариантов их между собой, дают возможность произвести качественную оценку системы - установить наличие жестких и гибких обратных связей и других воздействий в системе, установить астатичность или наличие статизма системы и, кроме того, позволяют провести строгую и обоснованную классификацию автоматических систем".

Таким образом, одноаспектные теоретические исследования в естественных науках основываются на едином способе построения функциональных и поточных теоретических схем для самых различных реальных объектов, включенных в эмпирический базис естественнонаучной теории. Одноплановые теоретические исследования в классических технических науках используют множество поточных и функциональных схем относительно единого объекта изучения — однородной технической системы. Междисциплинарное же интегрированное исследование в теории автоматического регулирования, опираясь на разнообразные поточные схемы разных технических наук, которые описывают в определенных планах по существу разнородную техническую систему, имеет единый математический аппарат и единообразный способ структурного представления.

Развитие комплексного исследования также ориентировано на задачу синтеза используемых в нем теорий, но в несколько ином плане, нежели в интегрированном междисциплинарном исследовании, а именно:

по псевдоклассическому образцу;

на методической основе;

в виде комплексного теоретического исследования.

Даже при формировании новых технических теорий по псевдоклассическому образцу, то есть с преимущественной ориентацией на определенную базовую естественнонаучную дисциплину, они испытывают сильное влияние неклассических методов образования и организации теоретических исследований.

Например, физика горных пород, которая первоначально формировалась именно в последние десятилетия как прикладной раздел физики твердого тела, в действительности базируется на ряде фундаментальных наук (физике, химии, геологии, минералогии, петрографии, механике сплошных сред и т.д.) и отличается комплексным подходом к изучению свойств и процессов в горных породах и массивах, практической направленностью на создание эффективных способов ведения горных работ, разработку новых решений актуальных задач горного производства. "Горная наука включает в себя множество разнообразнейших задач, которые, как правило, находятся в сложной взаимной связи, требующей совокупного и комплексного их решения... Осуществление указанных задач возможно только на базе широких теоретических исследований, экспериментов в лабораторных и натурных условиях и всемерного привлечения в горную науку и горное производство достижений математики, физики, химии и смежных отраслей техники и промышленности". Еще одним важным моментом нетрадиционности физики горных пород является ее ориентация на учет фактора окружающей среды, проектирования системы "человек-машина-природа", необходимость которого диктуется не только появлением нового стиля мышления, но и теми практическими задачами, которые вынуждена решать данная научно-техническая дисциплина. Современная горнодобывающая промышленность занимает одно из ключевых мест в общественном производстве и оказывает наиболее интенсивное воздействие на природную среду, поэтому необходимо уже на стадии разработки и даже научного исследования учитывать возможные отрицательные воздействия на окружающую среду. В то же время физика горных пород стремится к созданию единого теоретического исследования по псевдоклассическому образцу. "Можно представить себе, что новая отрасль знаний — "физика горных пород" — должна включать сведения о свойствах горных пород применительно ко всем главным разделам современной общей физики"'. Однако по своему происхождению и способам решения задач она несомненно является комплексной дисциплиной. "По методам исследования она близка к физике твердого тела, из которой заимствуются математический аппарат и экспериментальные методы; по объекту исследования — к геологическим наукам, изучающим горные породы и минералы; по направленности исследования - к горной науке... В настоящее время выдвигаются два основных идеала построения ФГП. Согласно первому она должна ориентироваться главным образом на физику твердого тела, рассматривая любые процессы горного производства как физическое перемещение. Однако в этом случае теряются важные для горного производства экономические, экологические и другие аспекты. В ФГП ставится задача, которая раньше, во всяком случае на теоретическом уровне, не осмысливалась, а именно объединения, а затем и теоретического синтеза "частичных" представлений, взятых из самых различных дисциплин, для решения комплексных научно-технических проблем. Получение такого синтетического представления объекта исследования невозможно только на базе какой-либо одной научной дисциплины или теории. Изучаемые ФГП объекты значительно разнообразнее объектов физики твердого тела, зависят от большего количества сложных факторов... Для ФГП характерен комплексный, системный подход к изучению свойств и процессов в горных породах и массивах, практическая направленность на создание эффективных способов ведения горных работ, на разработку новых проектных решений актуальных задач горного производства".

При формировании новых научно-технических дисциплин на методической основе цель создания единого (и даже комплексного) теоретического исследования в принципе не ставится. У такого рода научных направлений "нетрадиционный, как бы ускользающий объект исследования, благодаря чему создается впечатление, что в них исследуются не столько закономерности каких-то явлений, сколько методы решения определенного класса задач. Такое превращение методов в первичный объект исследования безусловно резко отличает их от традиционных научных направлений". Однако это не означает, что в данном случае не проводятся теоретические исследования. Совокупность научных методов и практических приемов решения разнообразных проблем (в определенной проблемной области) 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 (или какие-либо другие общенаучные, например кибернетические) представления и понятия, постоянная отнесенность к которым и гарантирует целостность и специфичность теоретического исследования, проводимого каждый раз новыми и новыми теоретическими средствами.

Именно к такому роду дисциплин относится системный анализ, который характеризуется неспецифическими аппаратом и методами (как правило, заимствованными из других наук), а особыми принципами и подходом к организации теоретического исследования слабоструктурированных проблем, возникающих прежде всего в сфере управленческой деятельности. "Системный анализ - это совокупность научных методов и практических приемов решения разнообразных проблем, возникающих в целенаправленной деятельности (в частности, в условиях неопределенности), на основе системного подхода... Системный анализ главным образом характеризуется не специфическим научным аппаратом, а упорядоченным, логически обоснованным подходом к исследованию проблем и использованию существующих методов их решения, которые могут быть разработаны в рамках других наук. Появление системного анализа 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 ряда 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 разведением двух различных типов знания: знания, которое относится к уровню специально-научной теории процессов управления и организации, протекающих в сложных целенаправленных системах; и знания, выступающего на уровне методических указании, нормативных предписании, оценок, непосредственная теоретическая концептуализация которых невозможна"'. Именно к последнему типу знания и дисциплинам, организованным на методической основе, и относится системный анализ.

В настоящее время существует достаточно обширная литература, посвященная описанию средств и методов системного анализа и его применений в различных областях. Одни авторы делают упор на математические методы системного анализа, то есть на описание сложных систем с помощью формальных средств. Другие же во главу угла ставят содержательную логику системного анализа, подчеркивая его неразрывную связь с процессом принятия решения. Однако, к какой бы точке зрения ни тяготели системные аналитики, их деятельность "можно охарактеризовать как исследование, которое помогает тому, кто принимает решение, выбрать направление действий путем системного изучения своих собственных целей, количественного сравнения затрат, эффективности и степени риска, связанных с осуществлением альтернатив политики или стратегии, необходимых для достижения поставленных целей, а также путем формирования дополнительных альтернатив, если изученные альтернативы окажутся недостаточными".

В основе системного анализа в любом его варианте обязательно лежит задача формализации. Однако системный анализ принципиально отличается от других подходов к формализации управленческих решений. Прежде всего, системный анализ имеет дело со слабо структурированными проблемами, содержащими неформализуемые или трудно формализуемые элементы. В процессе системного анализа при оценке альтернативных направлений действий проблема рассматривается с позиций длительной перспективы. Особое внимание в ней уделяется факторам неопределенности, их оценке и учету при выборе наиболее предпочтительных решений и возможных альтернатив. В нем также признается принципиальное значение организационных и субъективных факторов в процессе принятия решений и в соответствии с этим разрабатываются процедуры широкого использования качественных суждений в анализе и согласовании различных точек зрения.

Центральным понятием системного анализа является понятие неопределенности. Повышенное внимание специалистов по системному анализу к факторам неопределенности (риска), вытекает из распространения его на область перспективных, еще не апробированных проблем. В системном анализе различаются неопределенности различных видов: техническая, если речь идет о поисковых научных исследованиях; социально-политическая обстановка; экономические оценки затрат на будущие мероприятия; связанная с неоднозначностью поведения людей; статистическая и т.д.

Цель системного анализа — путем рассмотрения каждого элемента системы, функционирующего в условиях неопределенности, добиться того, чтобы, в конечном счете, система в целом могла выполнить свою задачу в рамках ее системного окружения при минимальном расходе ресурсов и с минимальной (насколько это возможно) неопределенностью.

На разных стадиях системного анализа, который осуществляется, начиная от интуитивной и лишь в общих чертах сформулированной постановки проблемы до выбора оптимальных решений с помощью строгих математических методов, используются различные методы. Для упорядочения и осмысления сферы применимости этих методов необходимы определение и описание логической последовательности этапов системного анализа, конечная цель которой - уменьшение (преодоление) неопределенности слабоструктурированной проблемы.

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, поскольку 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 обязательно формулируются исходя из анализа ее взаимоотношений с определенной внешней средой. Именно внешние связи системы специфицируют 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 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 и 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 средств их реализации строится функциональная структура каждой предельной подсистемы и осуществляется композиция их целей, что обязательно предполагает ее отнесение к возможной реализации самой системы, но еще не означает выбора конкретного определенного наполнения ее функциональной структуры.

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 или не имеющими средств для их достижения, 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 же управленческой деятельности экономико-организационного типа более актуальной задачей считается усечение дерева целей и выбор взаимосвязанного комплекса вариантов их функциональной структуры. Это приобретает особое значение в связи с тем, что научно-технический прогресс и изменения условий среды порождают огромное количество вариантов путей для достижения экономических целей. В ряде случаев целью системного анализа является создание или перепроектирование организации (органа управления), необходимой для реализации целей системы.

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 осуществлена она может быть 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. Данный анализ направлен на выявление их 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 или предложить комплексную программу 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".

Основные методы системного анализа можно классифицировать по его этапам (не претендуя на полноту их описания). Для первого этапа наиболее подходящим считается метод сценариев, представляющий собой средство первичного упорядочения проблемы, получения и сбора информации о ее взаимосвязях с другими проблемами и о возможных и вероятных направлениях будущего развития системы. В плане сценариев намечаются области, которые не должны быть упущены при постановке и решении проблемы, то есть в нем дается краткое описание обстановки и важнейших факторов, оказывающих влияние на данную систему. Кроме того, в нем рассматривается вероятный ход событий во времени, начиная от сложившейся к настоящему моменту ситуации или от какого-либо значительного события в будущем, которое может оказать влияние на постановку и решение проблемы. Эта задача решается на основе анализа прошлого хода событий. Сценарий - это предсказание гипотетического хода событий и потенциальных влияний на его изменение в нужном для решения проблемы направлении. Сценарий не является прогнозом, его цель лишь предварительно наметить внешние контуры проблемы, очертить ее системное окружение с тем, чтобы на последующих этапах системного анализа приступить к их детальному исследованию.

На втором этапе должно быть построено иерархическое представление о системе, для чего могут быть использованы матричные методы и метод построения "дерева целей". Например, "дерево целей" представляет собой связанные графы, вершины которых интегрируются как цели, а ребра - связи между ними. "Дерево целей" строится в следующей последовательности. Сначала устанавливаются цели исследуемых систем и определяются требования и технические возможности для их развития в диапазоне от предельных единиц до системы в целом. Затем устанавливаются критерии и соответствующие весовые коэффициенты для проведения оценки единиц на каждом уровне иерархии. Наконец, вводятся весовые коэффициенты для каждой подсистемы. Таким образом, различным целям и подцелям придаются определенные числовые значения. "Дерево целей", как правило, составляется на основе сценария и представляет собой иерархическую систему, на разных уровнях которой с обстоятельностью, определяемой значимостью уровня иерархии, формируются задачи, требующие решения. Такое описание может быть соотнесено с матричным представлением системы. Причем каждая ячейка полученной матрицы должна быть описана в виде определенной функциональной структуры.

Такое описание дается на третьем этапе. Наиболее подходящим методом в данном случае является метод исследования операций. Каждая предельная подсистема разбивается на ряд взаимосвязанных операций, образующих функциональную структуру системы. Причем может быть выбрано несколько таких структур. Впоследствии одна из таких структур, наиболее подходящая для реализации, может быть алгоритмически описана, что позволит выделить определенные элементы, обеспечивающие выполнение каждой операции (или нескольких из них).

На четвертом этапе должна быть определена область реализации системы. Для этой цели может быть использован метод морфологического анализа, который позволяет изучить все возможные способы реализации данной функциональной структуры, то есть соотнесение ее с классом конкретных структур. При этом считается, что все решения могут быть так или иначе реализованы. Таким образом, морфологический анализ направлен на выявление и классификацию всех возможных реализаций (с выбором наиболее подходящей из них), предназначенных для выполнения какой-либо специфической функции, то есть всех возможных средств для достижения заданной цели. На основе оценки эффективности различных вариантов реализации функций системы выбирается один такой вариант.

На пятом и последнем этапе необходимо возвратиться к исходной очке анализа, но уже на новом, более детальном уровне проработки проблемы, когда уже известны в деталях все составные элементы системы и способ ее реализации. В этом случае используются различные диагностические методы, позволяющие исследовать существующую систему, на базе которой создается новая система; различные методы прогнозирования развития этой системы в разных условиях, а также методы, позволяющие составить подробный план работ по реализации проекта во времени. К ним относятся прежде всего сетевые методы.

Дата добавления: 2014-12-23