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.