История развития системотехники

Введение

Понятие «математическое моделирование» в последние несколько десятилетий является одним из самых распространенных в научной литературе, по крайней мере, – в естественно-научной и технической. Сегодня трудно представить себе промышленные предприятия или проектно-конструкторские организации не использующие в своей практике в той или иной мере математические модели. Всё более распространенным и эффективным становится применение математического моделирования в фундаментальных и прикладных научных исследованиях. Подавляющее большинство диссертационных работ по специальностям естественно-научных и инженерно-технических направлений связано с разработкой и использованием соответствующих математических моделей. В последние 10-15 лет эта тенденция получает все более широкое распространение при подготовке дипломных работ выпускников вузов. Можно констатировать, что математическое моделирование в последние десятилетия оформилось в отдельную междисциплинарную область знаний, с присущими ей объектами, подходами и методами исследования.

Пособие ориентировано на студентов младших курсов технических специальностей, в первую очередь специальности «Технология машиностроения» и направления «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств». Для работы с большинством разделов пособия достаточно знания вузовского курса математики (математический анализ, элементы теории вероятности и математической статистики, теория обыкновенных дифференциальных уравнений).

Авторы выражают признательность к.т.н. А. С. Жогину и к.т.н. Н. Н. Севрюгину за материал, послуживший отправной точкой при создании пособия.

 

Основы системотехники. Общесистемные принципы машиностроения

Основы системотехники

История развития системотехники

Системотехника – научное направление, охватывающее проектирование, создание, испытание и эксплуатацию сложных систем.

Автором термина системотехника по одним сведениям является выдающийся советский ученый Федор Евгеньевич Темников (профессор Московского энергетического института), один из основателей советской информационной техники, предложивший этот термин  в 1962 году при переводе известной монографии Г. Х. Гуда и Р. Э. Макола «System Ingeneering» («Системотехника. Введение в проектирование больших систем»). По другим сведениям, этот термин впервые ввел в употребление Поваров Гелий Николаевич – русский математик, философ и историк науки, профессор кафедры кибернетики МИФИ.

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 и автоматизированных систем управления.

Для инженера всякий объект, по отношению к которому надо решить техническую задачу, с одной стороны, выступает как явление природы, подчиняющееся естественным законам, описанным в науке, а с другой – как орудие, механизм, машина, сооружение, которые необходимо построить искусственным путем. Поэтому инженер опирается и на существующую технику, где он заимствует знания о материалах, конструкциях, их технических свойствах, способах изготовления и т.д. Однако, обращаясь к истории, если первоначально инженерная деятельность была ориентирована на прямое использование естественнонаучных знаний и в её осуществлении принимали участие многие ученые – естествоиспытатели, то начиная с конца XVIII в. положение меняется.

Во-первых, происходит декомпозиция научной деятельности. Помимо ученых-теоретиков и ученых экспериментаторов, появляются специалисты в области технических наук и прикладных исследований, задача которых – обслуживание инженерной деятельности. Об этом свидетельствует, в частности, большой интерес к техническим проблемам академий наук на первых порах их возникновения (XVII – XVIII в.в.), значительно уменьшившийся к концу XVIII в., что было связано с совершенствованием организации науки. Ввиду увеличения фронта исследований академии сконцентрировали свое внимание на решении фундаментальных научных проблем. Возникли новые формы организации научной деятельности в области техники – технические науки. Их появление было обусловлено прежде всего необходимостью специального обучения инженеров и возникновением высших технических школ.

Во-вторых, происходит дифференциация самой инженерной деятельности, в которой обособляются сначала изобретение и конструирование, а затем и инженерное проектирования. В сферу инженерной деятельности попадает также организация производства и даже операторская деятельность. Другими словами, если до начала XX столетия в области науки и техники одновременно работало сравнительно небольшое число специалистов, то в конце XIX – начале XX в. усложнение и развитие сферы производства привели к расслоению и обслуживающей его инженерной деятельности. Конструирование, проектирование, изобретение, организация производства, испытание, отладка и другие ее виды стали осуществляться различными специалистами. Появились и новые отрасли производства. Глубокая дифференциация инженерной деятельности, в свою очередь, вызвала к жизни противоположный ей процесс – интеграцию этой деятельности. В середине XX в. уже ставится проблема объединения различных специалистов в один коллектив, решающий общую инженерную задачу.

Одной из первых областей, в которой проявились эти процессы, была радиоэлектроника. В период после Второй мировой войны ее связь со сложными отраслями техники стала более тесной. В создание радиоаппаратуры включились, кроме специалистов по радиоэлектронике, металлурги, химики, математике, физике. В то же время происходили процессы дальнейшего отделения инженерных работ от вспомогательных, проектировщиков от конструкторов и специалистов по технологии и производству радиоаппаратуры, а также развития инженерных исследований в более тесной кооперации с учеными различных специальностей, занимающимися фундаментальными исследованиями. Для управления такими коллективами нужны были новые методы инженерного руководства и особые специалисты, осуществляющие это руководство.

Первые шаги в системотехнике были сделаны в 30-х годах прошлого века. В США они были связаны с деятельностью корпорации «Bell telephone laboratories». В нашей стране это направление развивалось в исследованиях по комплексной автоматизации производства. Этот период относится к предыстории системотехники.

До 50-х годов она развивается прежде всего как сфера инженерной деятельности. В результате ее появляются первые крупные системотехнические проекты. Формируются особые группы, в задачу которых входит организация разработки этих проектов.

Начиная с 50-х годов происходит становление системотехники как области науки в результате работ специалистов по кибернетике и информатике Месаровича, Таха, Эшби и др. Позднее эти работы были развиты в трудах Н. М. Амосова, Д. А. Поспелова, Н. П. Бусленко, А. А. Вавилова и др. 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 1969 году в Московском энергетическом институте д-р техн. наук, 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.

Таким образом, 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.

В целом можно отметить несколько объективных причин становления системотехники:

- одним из ценнейших качеств человека является его способность в процессе познания выделять наиболее существенное, что необходимо для глубокого абстрактного понимания объекта познания;

- в конце 40-х и начале 50-х годов прошлого века интенсивно развивается кибернетика, создаются ЭВМ, что сильно интенсифицировало процесс изучения и создания сложных систем;

- возникла необходимость управления научными и инженерными разработками;

- увеличение мощности отдельных агрегатов и размера крупных программ ведет нередко к весьма ощутимым экономическим потерям из-за возможных ошибок, так как часто отсутствует методика проектирования новых сложных систем;

- создание значительных по задачам автоматизированных систем управления потребовало формализованных знаний об управляемых объектах (процессах).

- экологические проблемы;

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

На сегодняшний день системотехника является частью общей теории систем (рис. 1.1):

 

Рис. 1.1. Классификация систем

 

Цель системотехники – повышение эффективности инженерного труда, за счёт использования системных методов исследования и конструирования.

Основные задачи системотехники:

- подготовка информации для принятия руководством научно обоснованных решений по управлению процессом создания сложной системы;

- формулировка общей программы разработок как основы для взаимной увязки проектов отдельных подсистем;

- стыковка проектных задач и координация специалистов, решающих эти задачи, интеграция частей системы в единое целое;

- обеспечение в процессе разработки сложной системы наилучшего использования ресурсов при одновременном достижении проектных целей наиболее эффективным способом;

- согласование планов частных проектов с общими направлениями работы, выявление существующих и прогнозирование будущих потребностей;

- внедрение в практику проектирования научных и инженерных достижений.