Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Лекция 2. Системное мышление
Содержательная часть системного анализа или, по-другому, тот концептуальный базис, который, по существу, формирует методологию теории, основывается на нескольких идеях по восприятию и пониманию объекта и предмета исследования. Среди них своей особой значимостью отличаются мысли о том, почему вопросы функционирования системы принципиально обусловлены проблематикой управления.
Системное мышление – это накопленное систематической практикой умение гармоничного использования традиционного и системного подходов к организации исследования, проектирования, планирования и организации функционирования систем.
Традиционный подход (по проф. В.И. Скурихину[9]) предусматривает расчленение изучаемого объекта на составные элементы и определение поведения сложного объекта как результата объединения свойств входящих в него частей. Системный подход основывается на том, что целое обладает качествами, отсутствующими у его частей, и поэтому приоритетность целостности должна являться принципом (то есть руководящей идеей) при организации исследований и функционирования систем.
Системный подход требует непрерывной интеграции различных представлений о системе на каждом этапе её создания и подчинения частных целей её составляющих компонентов общей цели функционирования системы. Основу подхода составляет системный метод. Системный метод (по проф. И.Т. Исаеву[10]) – это:
а) интерпретация принципов организованности систем;
б) постулат о неразрывной связи всех форм движения (в системе);
в) решение «проблемы начала», то есть установления первичных, исходных элементов, из которых конструируются целостные системы;
г) учет связей и отношений системы со средой в их единстве и развитии.
Жизненная необходимость использования или учёта системного метода (подхода в целом) наглядна на тривиальном примере. Хотим создать систему, которая обладала бы двумя свойствами: высокой манёвренностью при перемещении в пространстве и способностью оказания высоких физических усилий. Для этого систему организуем в виде объединения двух элементов, каждый из которых обеспечит системе требуемое свойство.
Однако сам факт объединения может внести в систему дополнительные качества, которые могут усилить, ослабить, либо полностью нивелировать основные качества каждого элемента. При объединении антилопы и львицы можно вообще не достичь желаемых результатов, поскольку реален риск уничтожения одного из элементов системы. Скрещивание (объединение) осла и лошади или коня и ослицы приводят к ликвидации видов (мулы, лошаки). Монтаж на одной плате силовых и процессорных элементов может нарушить (изменить запроектированное) функционирование промышленного контроллера; желание увеличения частоты процессора требует уменьшения длины дорожек на плате, которые начинают играть роль антенн внешних сигналов; увеличение плотности радиоэлементов ведет к изменению теплового баланса и т.д.
Если при анализе разнообразных явлений окружающей действительности традиционный подход может быть достаточно эффективным, то синтез сложных современных систем невозможно осуществить без использования системного подхода.
В каждом конкретном случае системный метод, задавая принцип организованности, решая «проблему начала» и разрешая вопросы связей и отношений со средой, по существу, приводит к определенной жизнедеятельности некой системы.
Любая система как материальное образование (объект, процесс, явление) характеризуется своим вещественным (субстанция), энергетическим и организационным (структурно-информационным) содержанием, то есть некими своими ВЭО-компонентами.
Поэтому можно полагать, что в простейшем виде «жизнедеятельность» конкретной системы X – это изменение состояния её вещественного, энергетического или структурно-информационного компонента в пространстве и времени в границах заданной содержательности этих неких ВЭО-компонентов. Когда изменения приводят к тому, что содержательность ВЭО-компонентов выходит за установленные границы, полагают, что жизненный цикл системы заканчивается и система X превращается в иное материальное образование.
Жизнедеятельность технического изделия (устройства, агрегата, системы) принято определять интервалом времени от возникновения проектной идеи до ликвидации изделия[11], а сам процесс жизнедеятельности технической системы принято называть её функционированием. Абстрактное понятие границ заданной содержательности ВЭО-компонентов может определяться по-разному. В технике эту абстракцию связывают с несколькими представлениями:
1. С понятием целевой функции. Система X прекращает быть системой X, если её функционирование не удовлетворяет заданной (установленной) целевой функции или характеризуется такой (текущей) целевой функцией, которая отличается от заданной более, чем на заранее определенные величины. Как правило, целевые функции – это формальные модели деятельности в виде функциональных зависимостей или количественных соотношений, выражающих некие интегральные (обобщенные) критерии оценки чего-либо: качества изделий, уровня энергопотребления, теплового баланса, производительности, эффективности деятельности и пр.,
2. С понятием формулировки (на естественном языке) различных проявлений характера функционирования системы посредством других понятий таких как качество, свойство или особенность системы. Границы (допустимого) требуемого функционирования системы определяются набором свойств, которыми система должна обладать в процессе своей деятельности. Целевые функции могут не уточняться, а задаются свойства, которые проявляются или сопутствуют требуемому функционированию. При этом не накладывается ограничений на то, что сами свойства, вообще говоря, могут иметь формальное выражение,
3. С понятием формулировки смысла деятельности на естественном языке. При таком представлении границ заданной содержательности ВЭО-компонентов саму формулировку обычно называют целью системы. Несомненно, цель как лингвистическая модель представлений о границах содержательности семантически более ёмкая, чем формальная модель (целевая функция) или формулировки разных проявлений характера функционирования системы.
В общем, можно по-разному оценивать применимость терминов цель (смысл деятельности), качества (особенности) и целевая функция. Нередко все эти термины в технике управления используются либо как синонимы, либо в зависимости от масштабности описываемой системы. Нередко это соответствует действительности. По-видимому, нюансы употребления определяются местом наблюдателя: когда человек абстрагирует себя от системы и среды («возносится» над ними), то он (наблюдатель) способен «увидеть» смысл деятельности, выразив его некоторой целью.
В повседневной (реальной) практике в процессе взаимодействия с системой человек (почему-то) постоянно меняет свою функциональную принадлежность, являясь составной частью то системы, то среды, то участником их взаимодействия или творцом текущих отношений. Проявляя активность внутри такой «функциональной структуры», человек, как правило, явно воспринимает («видит») лишь отдельные проявления характера функционирования, то есть некоторые (иногда – все) качества, свойства или особенности системы. При этом он, как правило, осознаёт и выражает их разными лингвистическими формами, включая и то, что принято именовать целевыми функциями.
Человеку понятны формулировки свойств (качеств, особенностей) системы на этническом языке и вполне естественно то, что и границы заданной содержательности ВЭО-компонентов, и сам процесс функционирования, и оценки качества функционирования связываются им с наличием или отсутствием требуемых свойств системы. Изначально формулируется набор определенных свойств, и пока система (и среда) обладает этими свойствами, её функционирование рассматривается и оценивается как приемлемое (допустимое, требуемое).
Процесс проектирования системы также подчиняется общей идее обеспечения требуемых свойств системы[12]. Так или иначе, но система проектируется из отдельных компонентов, между которыми организуется такое взаимодействие, при котором функционирование системы проявляет требуемые свойства (качества, особенности)[13]. Другими словами, и восприятие системы, и её проектирование связано с проявлениями самой структуры:
а) структура определяет все возможные свойства, которыми может обладать система;
б) для любого набора свойств существует некая «минимальная» структура, «порождающая» эти свойства (возможно, только в представлении человека).
В системном плане наиболее значимыми и охватывающими идеями последних десятилетий являются:
а) концептуальные представления о системе (вообще) прежде всего как о системе управления (Косьмин С.Н., 2003)[14];
б) концептуальные представления о процессе проектирования как открытой системе управления (методология Тагучи, 2001)[15].
1. Идея управления для обеспечения требуемого функционирования системы.
В простейшем случае структура системы (объекта) может представляться, по меньшей мере, следующим базовым набором характеристик объекта[16]: элементной базой, то есть тем, из чего образован объект; внутренними взаимоотношениями объекта (отношения между элементами, состояния элементов, отношения между частями); внешними взаимоотношениями («объект-среда», «части объект-среда»); взаимоотношениями различных типов отношений (отношения над отношениями). В целом базовый набор позволяет представить границы единичных и особенных свойств любого технического объекта. Поэтому он может быть выбран в качестве основы при построении формальных моделей объекта (системы). Тогда в качестве элементарных структурных единиц объекта может быть выбрана любая характеристика из сформулированного базового набора объекта.
Будем полагать, что в формировании каждого требуемого качества (свойства) объекта участвует ограниченное и конечное множество разнообразных элементов и «отношений» (элементарных структурных единиц объекта). Будем также для простоты считать, что разные свойства обуславливаются различными (непересекающимися) наборами элементарных структурных единиц объекта.
Требуемое функционирование системы означает наличие у неё требуемых свойств (качеств, особенностей). Поскольку наличие свойств обеспечивается соответствующими наборами элементарных структурных единиц, то можно утверждать, что конкретная содержательность каждого свойства системы обуславливается соответствующими состояниями соответствующих элементарных структурных единиц системы.
В таком случае обеспечение требуемого свойства системы – это наблюдение и регулирование (то есть контроль) состояний соответствующих элементарных структурных единиц системы. Если необходимо обеспечить объект наличием определенного свойства (качества), надо осуществить контроль за каждым элементом и «отношением» (элементарной структурной единицей) объекта, которое участвует в формировании этого качества.
Контроль каждой требуемой элементарной структурной единицы объекта – это, во-первых, необходимый обмен воздействиями с конкретной элементарной структурной единицей и, во-вторых, это требуемое вещественное, энергетическое и информационное воздействие на элементарную структурную единицу для поддержания (задания) её необходимого состояния, то есть такого, которое гарантирует наличие у системы требуемого свойства.
По существу, этот обмен воздействиями есть реализация замкнутого контура управления, в котором в роли объекта управления выступают элементарные структурные единицы системы. Таким образом, требуемое функционирование системы обеспечивается многообразием организованных на этой системе взаимодействующих контуров управления, задающих требуемые состояния элементарным структурным единицам объекта.
Пример тривиальной иерархии структур управления, обеспечивающих требуемое функционирование системы, может быть выражен последовательностью:
– функционирование системы – это набор контуров управления над каждым элементом объекта (системы);
– функционирование системы – это набор контуров управления над каждым элементом объекта и над каждым отношением между элементами объекта (системы);
– функционирование системы – это набор контуров управления над каждым элементом объекта (управления), контуров управления над каждым отношением между элементами объекта (системы) и контуров управления над существующими контурами управления (контроль отношений над отношениями) и т.д.
Всё это, по сути, и определяет переход от системы вообще к системам управления, в частности, и переводит решение вопросов обеспечения требуемого функционирования системы в рамки проблематики систем управления.
2. Идея «системы управления» для организации процесса проектирования объекта.
Создание объектов как организационно-технических систем – это, прежде всего, проектирование определенного уровня качества функционирования всего оборудования такой системы или качества производимой в системе продукции.
Спроектированное, изготовленное и внедрённое в производство оборудование (устройство) редко когда полностью удовлетворяет человека («потребителя»). В процессе функционирования порой приходится констатировать недостаточную точность и надежность, неважное быстродействие, малую чувствительность и т.д. Почти всегда можно указать хотя бы один параметр (качества, функционирования), оставляющий желать лучшего.
Причины явных или неявных отклонений от требуемых или желаемых норм разнообразны. Это и субъективный фактор (неаккуратность разработчиков, недобросовестность изготовителей, безответственность при обеспечении условий эксплуатации), и объективные причины, связанные подчас с непредвиденными обстоятельствами реальной жизни.
В конкретных условиях эксплуатации (конкретных технологических средах), в связи с меняющимися требованиями производства и запросами потребителей (внешней среды) удовлетворительное качество функционирования инженерного объекта недолговечно. Поэтому действия специалистов направлены либо на удержание достигнутого уровня качества функционирования, либо на улучшение показателей качества оборудования. И акции удержания, и акции улучшения означают в реальности осуществление дополнительного проектирования («допроектирования», «перепроектирования» и т.п. доработки) в процессе эксплуатации (функционирования).
В результате содержательность жизненного цикла инженерного объекта как:
«проектирование – изготовление – эксплуатация – ликвидация»[17] в реальности представляется последовательностью с несколько иными акцентами в этапах реализации:
«проектирование – изготовление – эксплуатация» >
«проектирование (доработки) – модернизация («изготовление дополнительных «узлов») – эксплуатация» >
«проектирование (доработки) – модернизация («изготовление дополнительных «узлов») – эксплуатация» > ,…,>
«проектирование (доработки) – модернизация («изготовление дополнительных «узлов») – эксплуатация» > «ликвидация». (2)
Вопросы проектирования в процессе (2) на протяжении всего «жизненного цикла» играют существенную роль в обеспечении текущих свойств инженерного объекта и текущего требуемого качества его функционирования и, таким образом, являются сопутствующей технологией при любых формах функционирования.
Акции удержания и улучшения могут быть направлены на разные участки деятельности. Однако не трудно выделить жизненно необходимый аспект функционирования. С течением времени или в результате непредвиденных изменений условий эксплуатации происходит «ухудшение» вещественных, энергетических или организационных составляющих объекта (системы), которое влечёт потерю отдельных или многих свойств системы и приводит к недопустимому функционированию этой системы.
Требуется проведение упреждающих или текущих (в процессе деятельности) мероприятий по обеспечению требуемого функционирования системы в конкретных обстоятельствах (пространстве, времени, обстановке и пр.), то есть такого функционирования, при котором система обладала бы заданными свойствами или сохраняла их.
Это одна из наиболее существенных причин обращения к вопросам управления или к проблематике автоматизации в целом, когда технологический процесс обрастает различными средствами автоматизации, а используемое оборудование – различными схемами управления и регулирования, способствующими улучшению его текущего функционирования и повышению текущего качества соответствующего технологического процесса.
Таким образом, «вечный» процесс «допроектирования» объекта может рассматриваться как открытая система управления не только в смысле методологии Тагучи, в которой входными сигналами являются требования потребителей, целевыми функциями – характеристики качества, а будущие изменения требований – некими шумами объекта (системы).
Процесс проектирования объекта может рассматриваться как открытая система управления и в рядовом (прямом, общепринятом) смысле: как создание требуемого многообразия взаимодействующих контуров автоматического и автоматизированного управления для удовлетворения текущих требований, предъявляемых к процессу функционирования. Считают[18], что всякий раз, когда необходимо улучшать качество функционирования, можно (и нужно) ставить и решать соответствующие задачи управления, в том числе и для создания в каждой конкретной ситуации требуемых средств управления.
В общем, сформулированные идеи понимания существа и системы, и процесса её создания целесообразны и глубоко обусловлены системным подходом к восприятию реальности по простым причинам. Во-первых, целенаправленное функционирование любой системы в неизолированных (изменяющихся, трудно прогнозируемых) средах невозможно без организации процессов управления и контроля, обеспечивающих адекватное (сообразно с целями системы и реакциями среды) функционирование этой системы (Холл А.[19], Квейд Э.[20], 1969). Во-вторых, целенаправленное проектирование – это создание такой структуры (изделия), которая, по существу, предназначена для обеспечения возможности регулирования (управления) качества изделия на протяжении всего его жизненного цикла (Оптнер Ст.Л.[21], 1969, акад. Автономов В.Н.[22], 1978). Для определенности назовём эти идеи по пониманию системы презумпцией управления, а для исключения двусмысленности будем иногда именовать систему термином объект или изделие, оставив традиционное понимание термина система управления.
Несмотря на естественное многообразие типажа и объектов и соответствующих систем управления, сам факт сведения объекта к системе управления открывает перспективы единого представления о возможностях обеспечения требуемого функционирования объектов посредством организации адекватных процессов управления (этими объектами).
Контрольные вопросы по лекции 2:
1. Каково основное назначение концептуального базиса?
2. Чем определяется системное мышление?
3. Что означает термин «функционирование системы»?
4. В чём смысловое отличие терминов целевая функция, свойства системы и цель?
5. Какова идея управления для обеспечения требуемого функционирования системы?
6. В чём заключается идея «системы управления» для организации процесса проектирования объекта?
7. Поясните смысл презумпции управления.