Инженерные средства и методы оптимизации технических систем. Сообщение 1. Использование системного подхода

Наше время  характеризуется постоянным нарастанием комплексных проблем, требующих для своего разрешения все больше информации и участия специалистов различных областей знаний. Все острее ощущается потребность в специалистах  «широкого спектра » знаний, умеющих эти знания обобщать. По мере усложнения типов производств усложняются и отношения во всех сферах человеческой деятельности. Возникают задачи, решение которых невозможно без использования понятия комплексного системного подхода.  Для обобщения дисциплин, связанных с исследованием и проектированием сложных социальных систем чаще используется термин «системные исследования». В настоящее время системный подход используется и подвергается осмыслению философами, биологами, кибернетиками, физиками, инженерами, социологами, экономистами и другими специалистами (в том числе, и теми, которые являются основными посетителями данного блога) . Системные представления все шире включаются в учебный процесс многих вузов, и в настоящее время такие курсы, как «Теория систем», «Системный анализ», «Системология», служат базовым образованием для многих специальностей.  Системный подход вошел в современную теорию организации управления как особо востребованная методология научного анализа и мышления. Способность к системному мышлению стала одним из требований к современному руководителю, особенно, к проектному  менеджеру. Системное мышление — не дело свободного выбора, а производственная необходимость. Без него практически невозможно сегодня заниматься оптимизацией любых сложных систем, в том числе, технических.

 

Центральным понятием системного анализа является понятие “система”.  Суммируя многочисленные определения, приведенные в литературе, получим: Cистема есть совокупность элементов (подсистем). При определенных условиях элементы сами могут рассматриваться как системы, а исследуемая система – как элемент более сложной системы. Связи между элементами в системе превосходят по силе связи этих элементов с элементами, не входящими в систему. Это свойство позволяет выделить систему из среды. Для любой системы характерно существование интегративных качеств (свойство эмерджентности), которые присущи системе в целом, но не свойственны ни одному ее элементу в отдельности: систему нельзя сводить к простой совокупности элементов; система всегда имеет цели, для которых она функционирует и существует .

 

Попробуем  очень сжато рассмотреть основные свойства систем. К сожалению, мышление человека несистемно: люди не успели в процессе эволюции выработать системное видение мира. Наше воображение создает усеченный образ  всего объекта, который требуется изучить, исследовать с целью его изменения или усовершенствования. Человек как бы видит изображение объекта на одном экране, причем зачастую недостаточно полно. Я всегда напоминаю студентам старую притчу  о трех слепых индусах, каждый из которых   ощупывал  часть  слона.  Когда их попросили сформулировать представление о слоне, первый, ощупавший хвост, сказал, что слон – это нечто упругое, тонкое, извивающееся,  гибкое, второй, ощупавший хобот, сообщил, что слон  - нечто мягкое,  теплое, не очень большое, а третий, подержавшись за ногу, сказал, что слон – большой,  ленивый, малоподвижный. Они  не смогли по характеристике част ей системы сложить правильное представление о всей системе – слон. Системное мышление зажигает одновременно, как минимум, три экрана: видна надсистема (группа слонов), система  (слон) и подсистема (какой-то орган слона). Это минимальная схема. Для решения системных задач требуется включить и другие экраны, которые помогут посмотреть на систему в развитии, во времени. Теоретики системного анализа говорят, что  «девять (минимум девять!) экранов системно и динамично отражают системный и динамичный мир».  И тогда цель системного подхода, — опираясь на изучение объективных закономерностей развития систем, дать правила организации мышления по многоэкранной схеме. Итак, первое свойство системы – по части системы нельзя  охарактеризовать всю систему.

 

Системный подход ориентирует исследователя на раскрытие целостности объекта, на выявление многообразных типов связей в нем и сведение их в единую теоретическую картину. В настоящее время под системным подходом понимают направление методологии научного познания и социальной практики, в основе которого лежит рассмотрение объектов как систем. Соответственно, суть системного подхода заключается в представлении об объекте как о системе. Кроме этого , системный подход представляет любую систему как подсистему (иерархический уровень): над любой системой есть надсистема, которая находится на более высоком уровне иерархии систем, и под каждой системой есть подсистема на более низком уровне иерархии.  Итак,  каждый иерархический  уровень связан с вышележащим и нижележащим прямыми (заметим , и обратными) связями и выступает как бы в двух ипостасях одновременно – вышележащего и нижележащего уровня.  А в целом   система уровней образует как бы иерархическую лестницу взаимосвязанных уровней. Это второе фундаментальное свойство системы.

 

Системный подход представляет собой определенный этап в развитии методов познания, методов исследования и конструирования, способов описания и объяснения природных или искусственно созданных объектов. Наиболее широкое применение системный подход находит при исследовании сложных развивающихся объектов — многоуровневых иерархий, как правило, самоорганизующихся биологических, психологических, социальных, экономических и других систем.

 

Часто возникает вопрос о соотношении системного подхода и системного анализа. Ведь  оба эти словосочетания встречаются в специальной литературе и завоевали право на жизнь.На основании вышеизложенного можно сформулировать следующее определение системного подхода — это методологическое направление в науке, основная задача которого состоит в разработке методов исследования и конструирования сложноорганизованных объектов — систем разных типов и классов.  Можно встретить двоякое понимание системного подхода: с одной стороны, это рассмотрение, анализ существующих систем, с другой — создание, конструирование, синтез систем для достижения целей. Таким образом, системный подход шире системного анализа: системный подход — это направление, методология, которая немыслима без первой его стадии - системного анализа. Системный анализ используется как один из важнейших методов в системном подходе, как эффективное средство решения сложных, обычно недостаточно четко сформулированных проблем. Соответственно , системный анализ сводится к уточнению проблемы и ее структуризации в серию задач, решаемых с помощью, чаще всего, математических методов, нахождению критериев для их решения, детализации целей. Системный анализ можно считать дальнейшим развитием идей кибернетики: он исследует общие закономерности, относящиеся к сложным системам, которые изучаются любой наукой. Итак, системный анализ — совокупность методов и средств исследования и конструирования сложных объектов, прежде всего методов обоснования решений при создании и управлении техническими, экономическими, социальными и другими системами.

 

Системный анализ возник в 60-х гг. XX в. как результат развития исследования операций и системотехники. Он применяется главным образом к исследованию искусственных (возникших при участии человека) систем, причем в таких системах важная роль принадлежит деятельности человека.  При формальном рассмотрении  неких системных единиц используют несложные вспомогательные концепции «черных ящиков» и «белых ящиков».  Черный ящик — понятие кибернетики, с помощью которого пытаются справиться с трудностями при изучении сложных систем. Представление системы в виде черного ящика означает, что при настоящем уровне знаний мы не можем проникнуть вглубь данной системы (или подсистемы) и разобраться, каковы внутренние закономерности, преобразующие ее входы и выходы. Однако , мы можем изучать поведение этих входов и выходов, т.е. зависимость изменений на выходе от изменений на входе. Многократный учет позволяет открыть закономерность между поведением входов и выходов и предвидеть поведение системы в будущем, а значит, управлять ею. Иногда, если известен закон преобразования, связь между входом и выходом можно представить в аналитической форме. Тогда, «черный ящик» — это объект, который воспринимает входные сигналы и генерирует выходные сигналы, предварительно ассоциируя их с входом по некоторому закону. Только в этом случае  удается установить  объяснительные механизмы поведения системы при воздействиях и  выявить новые закономерности, открыть новые, ранее неизвестные факты.   Строится модель предполагаемой схемы и проверяется, совпадает ли ее реакция с реакциями «черного ящика». Чем больше совпадений, тем ближе к реальной схеме. Успехи в анализе и конструировании систем могут быть условно представлены как постепенное замещение «черных ящиков» «белыми ящиками». Если быть  честным, к сожалению,  до этого  обычно дело доходит очень редко, чаще исследователи систем   ограничиваются  предположениями в стиле ” по – видимому…”.

 

Кроме этого, даже  большие любители системного анализа пишут , что «как правило, для сложных организационных систем он никогда не может быть доведен «до конца» в силу постоянно изменяющихся внешних или внутренних условий». Короче, приехали к тому, что «суждены нам благие порывы, но свершить ничего не дано”. Все ограничивается  благими намерениями получить  модель системы, с помощью которой можно было бы исследовать свойства и прогнозировать поведение системы, которую редко кому удается получить даже для самых простых объектов.  В то же время, любое представление об объекте (системе), любое обобщение, любая модель имеют свою область применимости. И за ее пределами использование достигнутого обобщения вполне может оказаться неверным. Поэтому многие наши проблемы возникают не потому, что мы пользовались неправильной моделью, а потому, что мы ее применяли не там, где она может работать. С построением мысленных моделей окружающего связана еще одна интересная вещь. Уже давно было замечено, что одно и то же явление можно описать по-разному, построить разные модели, но ни одна из них не будет исчерпывающей. Мало того, в  разных случаях удобными могут оказаться разные модели одного и того же явления, в зависимости от задачи исследования. Системное мышление требует нового взгляда на модели: не может быть отображена реальность (сложная система) единственно правильной моделью системы. И в разных случаях, в разных ситуациях мы сможем применять ту модель, какая лучше будет отражать данное явление.

 

Итак, традиционно системный подход и системный анализ выступают в качестве методологии исследования сложных объектов посредством представления их в качестве систем, моделирования этих систем и их анализа. Соответственно системный анализ сводится к уточнению сложной проблемы и ее структуризации в набор задач, решаемых с помощью математических методов, детализации целей, нахождению критериев оптимизации, конструированию эффективного решения для достижения целей. Такой  подход к системному подходу и анализу существенно снижает эффективность и  даже возможности их использования.

 

Мы попытались решить совершенно нестандартную задачу – можно ли использовать системный подход  без  стадии моделирования системы   (по принципу ”умный в гору не пойдет, умный гору обойдет”). Мы обратили внимание на некоторые свойства систем, прежде всего технических, на которые не обратили внимание  сторонники классического  подхода. Итак, продолжим рассматривать свойства систем уже с новых позиций – отказа от математического моделирования. Прежде всего,  необходимо отметить, что в технике системный анализ проводят не из любви к искусству, а с целью вполне конкретной и рыночной задачи – оптимизации системы. При решении этой  утилитарной задачи мы обратили внимание на то, что любая многоуровневая техническая система  (а других и не бывает!)  с точки зрения оптимизации может быть  охарактеризована на одном, лимитирующем, определяющем  все свойства системы   иерархическом уровне.  А тогда незачем заниматься оптимизацией всей системы, чем часто занимаются  начинающие ученые и не только в технике, но и в экономике,  политике, при решении социальных проблем. Достаточно сформулировать и решить задачу на этом лимитирующем уровне, и это  гораздо проще и дешевле. А, главное, как  будет  показано ниже, вполне возможно  обойтись  без  малополезного  процесса математического моделирования. И наличие лимитирующего уровня – важное третье фундаментальное свойство любой иерархической системы.

 

И еще одно важное четвертое свойство, которое обязательно необходимо отметить. Мы живем в мире колебаний. На каждом уровне  обязательно имеются  собственные колебания, с  резонансной частотой и амплитудой .

 

Пятое свойство , которое нам также  потребуется, заключается в том, что амплитудно - частотные характеристики собственных колебаний  на каждом уровне  определяются его так называемыми характеристическими размерами. Вспомним хотя бы о низкочастотных циклах Кондратьева, которые  имеют большую амплитуду, так как совершаются на самых высоких иерархических уровнях системы с большими характеристическими размерами. А также вспомним о том, что температура любого тела определяется  высокочастотными колебаниями его молекул , имеющих чрезвычайно малы е определяющие размер ы .

 

И, наконец, шестое свойство, которое мне придется  привести в данной статье заключается в том, что  параметры оптимизации системы   на каждом ее  иерархическом уровне различны по масштабу и определяются также  его амплитудно – частотными характеристиками . В самом деле, на самых верхних иерархических уровнях работают глобальные параметры – индексы устойчивости развития, о которых я уже писал  ранее,  на нижерасположенных уровнях – экономические параметры, ниже – технико- экономические параметры, затем - чисто технические и, наконец, на самых низких иерархических уровнях – кинетические  (к примеру, константа скорости химической реакции или коэффициент массопередачи).

 

Вот теперь я могу, наконец, раскрыть тайну моих более четырех сотен  изобретений и патентов, а также причину нахальных заявлений о том, что я с моими учениками могу достаточно быстро оптимизировать любую  техническую систему, не сильно переживая по поводу отсутствия математической модели  процесса. Пусть вас вдохновит на дальнейшее чтение этой статьи тот факт, что   алгоритм оптимизации, который я вам предложу, ранее не был опубликован и  удивит вас своей простотой и результативностью, ибо все самобытное просто . Итак, алгоритм оптимизации по  упрощенному до безобразия системному подходу  прост:

• Декомпозиция  системы и получение многоуровневой иерархической лестницы.
• Исследование системы на этапе анализа (определить границы исследуемой системы, определить все надсистемы, определить основные черты и направления развития всех надсистем и  роль исследуемой системы в каждой надсистеме,  выявить состав системы, уточнить структуру системы, определить функции компонентов системы. выявить причины, объединяющие отдельные части в систему, в целостность, определить все возможные связи системы с внешней средой, рассмотреть систему в динамике, в развитии ) .
• Определение лимитирующего уровня системы. Это самая трудная творческая часть системного анализа, которая, собственно, и является нашим основным ноу – хау. Отмечу только, что мы используем имеющиеся кинетические данные о процессе, протекающем в технической системе, иногда  приходится при  ограниченности данных получать некоторые  дополнительные  данные о кинетике  по оригинальным упрощенным методикам (чаще всего нам не нужны точные значения, а лишь тенденции их изменения).
• Определение амплитудно – частотных характеристик  собственных колебаний системы на  лимитирующем уровне. Наложение внешних возмущений с близкими параметрами колебаний вызывают резонансные явления в объекте оптимизации на лимитирующем уровне. Это явление мы назвали принципом соответствия (о нем немного ниже).
• Подбор в созданных нами  базах данных  режимно- технологических (РТ) и аппаратурно – конструктивных (АК) методов оптимизации,   близких по амплитудно – частотным характеристикам к характеристикам колебаний объекта на лимитирующем уровне.
• Проверка  значимости и результативности принятых решений на физической модели  или непосредственно на системе . Цель проведения этого  этапа заключается в проверке   выполнения поставленной задачи.

 

Осталось  написать в этом сообщении из намеченного цикла о системном анализе совсем немного. Прежде всего, выполню обещание рассказать о принципе соответствия. Он, в самом деле, является фундаментальным  для предложенного алгоритма оптимизации. Суть его станет сразу понятной, если снова вернуться к тому же слону, с которого я начал данную статью. Заболел у него зуб.  Ревет слон, больно ему. Вызвали  слоновьего дантиста. Он отказался даже подойти к разъяренному от боли слону, побоялся, потребовал его усыпить. Обычно спрашиваю у студентов, куда  и как ввести слону снотворное. Ясно, что инъекцией, а вот куда – в хобот – страшно, “долбануть” хоботом  или  бивнями может, сзади – чего доброго, хвостом достанет или ногой придавит. Задумываются студенты… А задача простая -  поперечные размеры инъекционной иглы в десятки раз меньше, чем поперечные размеры нервов у слона.  Значит, боль от укола  слон просто не почувствует (вот где принцип  соответствия в действии). Я мог бы привести  много примеров решения конкретных задач оптимизации и коммерциализации промышленных объектов с помощью  этих подходов, но,  боюсь, что и так замучил  не очень подготовленных читателей  техницизмами. Конечно, читать прогнозы об ожидаемых колебаниях курса доллара гораздо увлекательнее. Замечу только, что если бы мы всерьез занялись техническим перевооружением наших угробленных производств с использованием изложенных выше подходов,  курс доллара перестал бы колебаться, а уверенно   пошел бы в нужную нам сторону в полном соответствии с системным подходом.