Лекция 2. Технические системы.
ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА: ПОНЯТИЕ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ, СВОЙСТВА
Несмотря на огромное разнообразие, технические системы обладают рядом общих свойств, признаков и структурных особенностей. К ним можно отнести следующие:
· системы состоят из частей, элементов, то есть имеют структуру,
· системы созданы для каких-то целей, то есть выполняют полезные функции;
· элементы (части) системы имеют связи друг с другом, соединены определенным образом, организованы в пространстве и времени;
· каждая система в целом обладает каким-то особым качеством, неравным простой сумме свойств составляющих ее элементов, иначе пропадает смысл в создании системы (цельной, функционирующей, организованной).
ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА - это совокупность упорядоченно взаимодействующих элементов, обладающая свойствами, не сводящимися к свойствам отдельных элементов, и предназначенная для выполнения определенных полезных функций.
По типу развития во времени системы можно подразделить на:
1. Развертывающиеся (с течением времени растёт количество элементов);
2. Свертывающиеся (с течением времени количество элементов уменьшается);
3. Деградирующие (с течением времени уменьшается эффективность).
Элемент, система - относительные понятия, любая система может стать элементом системы более высокого ранга, также и любой элемент можно представить как систему элементов более низкого ранга. Например, двигатель – элемент автомобиля и одновременно система, состоящая из своих элементов.
Элемент - относительно целая часть системы, обладающая некоторыми свойствами не исчезающими при отделении от системы. Однако в системе свойства элемента не равны свойствам отдельно взятого элемента.
Сумма свойств элемента в системе может быть больше или меньше суммы его свойств вне системы. Иначе говоря, часть свойств элемента, включаемого в систему, гасится или к элементу добавляются новые свойства. В подавляющем большинстве случаев часть свойств элемента нейтрализуется в системе, как бы исчезает; в зависимости от величины этой части можно говорить о степени потери индивидуальности элемента включённого в систему.
Система обладает частью свойств элементов её составляющих, но ни один элемент бывшей системы не обладает свойством всей системы.
Синтез технической системы
Главный ориентир в процессе синтеза системы – осознание потребности в достижении цели. В технической системе цель задаётся человеком. Цель - воображаемый итог, результат осознания потребности в выполнении полезной функции. Человек выбирает цель, формулирует требуемую полезную функцию будущей системы и тем самым резко повышает вероятность нужных ему событий.
Важное место в процессе синтеза системы занимает этап подбора (построения) структуры системы. Структура - это совокупность элементов и связей между ними, которые определяются физическим принципом осуществления требуемой полезной функции.
Структура зависит от вида и материального состава используемых в технической системе элементов, а также от общих законов мира, диктующих определённые способы соединения, виды связи и режимы функционирования элементов в структуре.
Для одной и той же системы можно подобрать несколько различных структур в зависимости от выбранного физического принципа воплощения функции. Выбор физического принципа должен основываться на минимизации массы, габаритов, энергоёмкости при сохранении эффективности. Требуемая полезная функция главенствует над структурой.
Главное требование к структуре - минимальные потери энергии и однозначность действия (исключение ошибки), то есть хорошая энергетическая проводимость и надёжность причинно-следственных цепочек.
Внешним проявлением структуры технической системы является форма, а структура - внутреннее содержание формы. Эти два понятия тесно взаимосвязаны. В технической системе может преобладать одно из них и диктовать условия воплощения другой (например, форма крыла самолета обуславливает его структуру). Логика построения структуры в основном определяется внутренними принципами и функциями системы. Форма в большинстве случаев зависит от требований надсистемы.
Одновременно со структурой возникает её организация. В сущности, организация это алгоритм совместного функционирования элементов системы в пространстве и времени.
Организация возникает, когда между элементами возникают объективно закономерные, согласованные, устойчивые во времени связи (отношения); при этом одни свойства (качества) элемента выдвигаются на первый план (работают, реализуются, усиливаются), а другие ограничиваются, гасятся, маскируются.
Главное условие возникновения организации - связи между элементами и их свойствами должны превышать по мощности (силе) связи с несистемными элементами.
Степень организованности отражает степень предсказуемости поведения системы при осуществлении полезной функции. Абсолютная предсказуемость невозможна, или возможна только для неработающих ("мертвых") систем. Полная непредсказуемость - дезорганизация. Сложность организации характеризуется числом и разнообразием элементов, числом и разнообразием связей, числом уровней иерархии.
Связь - это отношение между элементами системы.
Связь - реальный физический канал для передачи энергии, вещества, информации. Информации нематериальной не бывает, это всегда энергия или вещество.
Связи в системе могут быть:
· функционально необходимые - для выполнения полезной функции,
· вспомогательные - увеличивающие надёжность,
· вредные, лишние, избыточные.
По типу соединения связи бывают: линейные, кольцевые, звездные, транзитные, разветвлённые и смешанные.
Одно из важных свойств организации - возможность управления, то есть возможность изменения или поддержания состояния элементов в процессе функционирования системы. Управление идёт по специальным связям и представляет собой последовательность команд во времени. Управление по отклонению величины является наиболее распространённым и достоверным способом.
Факторы, разрушающие организацию
К таким факторам относятся три группы вредных воздействий:
· внешние (надсистема, природа, человек),
· внутренние (форсирование или случайное взаимоусиление вредных свойств),
· энтропийные (саморазрушение элементов из-за конечности срока жизни).
Внешние факторы разрушают связи, если их мощность превышает мощность внутрисистемных связей.
Внутренние факторы изначально есть в системе, но с течением времени из-за нарушений в структуре их количество увеличивается.
Примеры энтропийных факторов: износ частей (вынос из системы части вещества), перерождение связей (усталость пружин, ржавчина).
Характерные типы структур технических систем
1). Корпускулярная.
Состоит из одинаковых элементов, слабосвязанных между собой; исчезновение части элементов почти не отражается на функции системы. Примеры: эскадра кораблей, песчаный фильтр.
2). "Кирпичная".
Состоит из одинаковых жестко связанных между собой элементов. Примеры: стена, арка, мост.
3). Цепная. Состоит из однотипных шарнирно связанных элементов. Примеры: гусеница, поезд.
4). Сетевая.
Состоит из разнотипных элементов, связанных между собой непосредственно, или транзитом через другие, или через центральный (узловой) элемент (звездная структура). Примеры: телефонная сеть, телевидение, библиотека, система теплоснабжения.
5). Многосвязная.
Включает множество перекрестных связей в сетевой модели.
6). Иерархическая.
Состоит из разнородных элементов, каждый из которых является составным элементом системы более высокого ранга и имеет связи по "горизонтали" (с элементами одного уровня) и по "вертикали" (с элементами разных уровней). Примеры: станок, автомобиль, винтовка.
Типичный вид иерархической системы:
Иерархический принцип организации структуры возможен только в многоуровневых системах (это большой класс современных технических систем) и заключается в упорядочении взаимодействий между уровнями в порядке от высшего к нижнему. Каждый уровень выступает как управляющий по отношению ко всем нижележащим и как управляемый, подчиненный, по отношению к вышележащему. Каждый уровень специализируется также на выполнении определенной функции. Абсолютно жестких иерархий не бывает, часть систем нижних уровней обладает меньшей или большей автономией по отношению к вышележащим уровням. В пределах уровня отношения элементов равны между собой, взаимно дополняют друг друга, им присущи черты самоорганизации (закладываются при формировании структуры).
Возникновение и развитие иерархических структур не случайно, так как это единственный путь увеличения эффективности, надежности и устойчивости в системах средней и высокой сложности.
В простых системах иерархия не требуется, так как взаимодействие осуществляется по непосредственным связям между элементами. В сложных системах непосредственные взаимодействия между всеми элементами невозможны (требуется слишком много связей), поэтому непосредственные контакты сохраняются лишь между элементами одного уровня, а связи между уровнями резко сокращаются.
Основные свойства иерархических систем
1) Двойственность качеств элементов в системе - элемент одновременно обладает индивидуальными и системными качествами.
Входя в систему элемент теряет свое исходное качество. Системное качество как бы забивает проявление собственных качеств элементов. Но полностью это не происходит никогда. Химические соединения имеют системные физико-химические свойства, но также и сохраняют свойства входящих в них элементов. На этом основаны все методы анализа состава соединений (спектральный, ЯМ, рентгеновский и т. д.).
2) Диктат верхних уровней над нижними - основной порядок иерархии (аналог в обществе: единоначалие, авторитарное руководство). Самый верхний уровень иерархии выполняет обычно только согласовательные функции, таких уровней не должно быть больше одного («на кухне должна быть одна хозяйка»).
Нечувствительность верхних уровней к изменениям на нижних и наоборот, чувствительность нижних к изменениям на верхних.
Изменения на уровнях веществ и подсистем низшего ранга не отражаются на системном свойстве (качестве) ТС - надсистем высших рангов.
Пример.
Принцип телевидения был воплощен уже в первых механических системах. Новое системное свойство (передача изображения на расстояние) принципиально не изменилось при переходе на ламповые, транзисторные, микромодульные элементы. Увеличивалась полезная функция, но системное свойство принципиально не менялось. Главное для надсистемы - выполнение подсистемами своих функций, а на каких материалах и физических принципах - безразлично.
Жизненный цикл технической системы – последовательность этапов существования объектов искусственного происхождения от начала их создания до момента исчезновения.
На каждом этапе объект имеет относительно стабильный набор характеристик. Разные классы технических систем могут иметь несколько различающийся набор этапов жизненного цикла.
Наиболее типичный состав этапов жизненного цикла:
1. определение функций и потребительских качеств тех. системы, что соответствует составлению технического задания;
2. выбор функциональной структуры, принципа действия и технического решения, что соответствует разработке тех. предложения или (и) тех. проекта;
3. рабочее проектирование, связанное с расчётом и оптимизацией параметров технической системы, выбором и разработкой технологии изготовления, составлением проектной документации;
4. изготовление, контроль и испытание технической системы;
5. транспортировка и хранение тех. системы;
6. эксплуатация, диагностика неисправностей и ремонт тех. системы;
7. утилизация тех. системы по причине её физ. или морального старения.
Безопасность технических систем
Современный этап развития человечества характеризуется совместной эволюцией человека и среды его обитания. Третий равноправный компонент этой системы - техника, с одной стороны,облегчает жизнь людей, а с другой -усугубляет и без того сложные взаимоотношения человека с природой. Определяющим элементом системы «человек-машина-среда» (ЧМС) любых масштабов и сложности, конечно же, является человек, поскольку именно его деятельность изменяет среду обитания и именно он является творцом техники.
Прогнозирование последствий деятельности человека чрезвычайно важно для повышения надежности функционирования систем «человек-машина-среда» любого уровня. Организация подобных систем должна обеспечивать возможность их функционирования в пределах толерантности.
Деятельность человека, работа технических систем должна быть безопасной для среды обитания, т.е. окружающей среды в обычном понимании. Техника, в свою очередь, не должна подвергаться опасному или вредному воздействию со стороны людей или окружающей среды, ибо любые опасности, которые возникают или могут возникнуть в системе «человек-машина-среда» приводят или могут привести к пагубным последствиям в функционировании системы.
Опасность - возможность реализации нежелательного события. Аксиома о потенциальной опасности предопределяет, что все действия человека и все компоненты среды обитания, прежде всего, технические средства и технологии, кроме позитивных свойств и результатов обладают способностью генерировать опасные и вредные факторы. При этом любое новое позитивное действие или результат неизбежно сопровождается возникновением новой потенциальной опасности или группы опасностей.
Стратегия обеспечения безопасности человека основывается на организованном воздействии на систему «человек-машина-среда» с целью осознанного перевода ее из одного опасного состояния в другое - менее опасное. При проектировании новых систем «человек-машина-среда» стратегия обеспечения безопасности должна закладываться на начальных этапах создания систем с целью обеспечения максимально возможной безопасности на всех этапах их жизненного цикла.
