Модели системного анализа технических объектов
Системное мышление формирует в сознании некоторые модели, позволяющие структурировать изучаемые объекты. При решении технических задач используется большое количество различных моделей. Рассмотрим модели, которые связаны с исследованием объектов как некоторой системы.
Объектом моделирования могут быть как исследуемые или проектируемые ТО: конструкции и технологии, – так и проблемы, и задачи, которые требуется решить.
Разработка технического устройства часто начинается с разработки модели задачи в виде «черного ящика» (рис.5.4). Под «черным ящиком» понимается ТО, который нужно создать для выполнения некоторой полезной функции. Название модели образно подчеркивает полное отсутствие сведений о внутреннем содержании «ящика», о его составе и связях между компонентами.
Модель в виде «черного ящика» формируется у всех людей, которые пользуются, например, бытовой техникой, такой, как телевизор, холодильник, часы и др. Человек вникает в условия эксплуатации ТО, осваивает кнопки и ручки управления. Но он не задумывается, по какому принципу работает прибор, какие физические процессы в нем происходят при его работе, какова его структура.
Рис. 5.4 Модель технического объекта в виде «черного ящика»
Для того, чтобы создать ТО, необходимо разобраться, как работает «черный ящик», и построить некоторые его модели. Для «ящика» известными являются: характер управляющего воздействия (вход); требуемые выходные реакции (выход); характер возможных внешних воздействий; ресурсы надсистемы – наличие материальных ресурсов (энергия, вода, воздух и т. п.), которые можно использовать для поддержания работоспособности создаваемого устройства и управления им; требования к качеству выполняемой функции, управления, контроля, диагностики работоспособности и т. п.
Основной смысл построения модели «черного ящика» – изучить взаимодействие объекта с надсистемой, внешней средой, в которую входит рассматриваемый объект как компонент, и понять, какие управляющие сигналы должны поступать на вход объекта, и в какие выходные сигналы они должны преобразоваться.
Системный анализ заключается в выявлении полного перечня возможных внешних воздействий, управляющих команд и выходных реакций, соответствующих всем возможным вариантам работы системы.
При построении модели ТС нужно определить из каких компонентов она должна состоять и как они должны быть связаны между собой. Поэтому дальнейшее исследование предполагает построение структурных моделей ТО, компоненты и связи которого позволят обеспечить требуемое его поведение, чтобы выполнялась полезная функция. Затем на основе структурных моделей разрабатываются модели, описывающие его функционирование.
Таким образом создается наполнение этого «черного ящика»: формируется состав компонентов ТО, определяются связи между ними и синтезируется техническое решение.
Рассмотрим основные аспекты анализа ТС и виды применяемых моделей. Одна из важных задач при создании ТС – классификация и выделение из окружающего мира требуемых объектов, состоящих из связанных структурных единиц – компонентов – и описание их абстрактными (информационными) моделями.
Компонентный подход
Компонентный подход предназначен для анализа состава ТО с позиции принципов строения и функционирования ТС. Основой этого подхода является декомпозиция. Выделять компоненты в ТС можно по различным признакам:
по функциональному признаку компоненты бывают основные и вспомогательные.
Основные компоненты непосредственно участвуют в формировании главной полезной функции (ГПФ): РО, Тр, ПЭ, УО.
Вспомогательные компоненты обеспечивают работу основных функциональных компонентов (амортизаторы, виброгасящие устройства).
Дополнительные добавляют удобства для работы и обслуживания (защитные устройства, предохранители, экраны, рассекатели, стружколоматели и т. д.).
по конструкторско-технологическому признаку, например, спецификация на сборочном чертеже узла.
по признаку доминирующего физического явления, по областям, в которых локализуется проявление определенных законов природы. Например, в сложном техническом устройстве можно выделить: электрическую часть, механическую, гидравлическую и т. д. Исследуя процесс сварки, можно выделить зоны для более детального их изучения (рис. 5.5);
Рис. 5.5 Схема электродуговой сварки в среде аргона
по временным отрезкам (хронологический анализ) – для исследования процессов, участвующих в функционировании ТО.
Генетический подход.
Генетический подход предназначен для ретроспективного анализа возникновения и развития ТО (генезис) и сопоставления его с закономерностями развития технических систем.
История показывает, что для удовлетворения некоторой потребности сначала создается рабочий орган (РО), выполняющий требуемую функцию. Это, как правило, наиболее простое техническое устройство, которое может выполнять полезную функцию (рис. 5.6). Например, изобретение паруса, копья, ручной мельницы, солнечных часов.
Часто создание технического устройства обуславливало то, что человек искал применение открытому физическому эффекту. Например, открытие закона Ома привело к созданию лампочки накаливания для получения света; кавитации – к созданию ультразвуковой отмывки деталей; фазовых переходов – к разработке систем охлаждения; пьезоэффекта – к созданию датчиков вибраций, излучателей звука, вибростендов, пьезотрансформаторов.
Рис.5.6 Возникновение и развитие ТО: 1 – «изделие» состоит только из рабочего органа (РО); 2 – рабочий орган снабжен трансмисией (Тр); 3 – в «изделие» добавлен орган управления (ОУ); 4 – «изделие» дополнено преобразователем энергии (ПЭ)
Получив практический результат, человек совершенствует РО, стараясь сделать его более удобным в использовании. РО снабжают передаточными элементами – трансмиссией (Тр), разрабатываются органы управления (ОУ). Зона действия РО отделяется от тех частей ТС, которые непосредственно взаимодействуют с человеком. Например, у ножа рабочая зона отделяется ручкой, к металлической пластине прикрепляется палка, – появляется лопата. На колесо (РО для перемещения) прикрепляется кузов (РО для размещения груза), к нему прикрепляются ручки, – создается тачка.
Потребности в улучшении функциональных свойств ведут к дальнейшему совершенствованию ТО. Введение ОУ позволяет эффективно регулировать рабочие и нерабочие циклы ТО. Затем к имеющимся компонентам добавляется преобразователь энергии (ПЭ). Вначале роль ПЭ выполняли природные, естественные объекты: токарный станок крутили ногой, лошадью, везущей повозку, управляли при помощи вожжей и т.п. Затем появляются искусственные преобразователи энергии: водяное колесо, ветряное колесо, паровой двигатель и т. д. Использование ПЭ требует совершенствования, как Тр, так и (ОУ).
Таким образом, в процессе развития ТО приобрел черты полной технической системы, включающей в себя основные компоненты: РО, Тр, ПЭ, ОУ.
Упрощенная схема совершенствования технического объекта от РО до полной технической системы (см. рис. 5.6), естественно, не охватывает всех особенностей развития. Каждый компонент тоже совершенствуется, добавляются другие, вспомогательные компоненты, которые улучшают работу технического объекта в целом и его компонентов, например, в повозке: сиденья, крыша, рессоры, в велосипеде – руль, цепная передача, надувные шины, тормоза и т. д.
Следует подчеркнуть, что любой ТО рождается и начинает свое развитие с рабочего органа.
Структурный подход
Структурный подход предназначен для анализа всех имеющихся связей между компонентами исследуемого объекта (проблемы или ТС) и их влияния на его системные свойства. При исследовании ТС структурный подход является предварительным этапом анализа ТО на соответствие принципам строения и функционирования ТС.
Связи – некоторая абстракция для отражения взаимодействия и взаимного влияния компонентов системы друг на друга. Связи между выделенными компонентами могут быть вещественными и полевыми – для технических систем; информационными, деловыми, дружескими и другими – в социотехнических системах.
Для описания структур различных объектов могут использоваться как математические модели: алгебра исчисления предикатов, алгебра множеств, матрицы, теория графов, так и нематематические модели: схемы, таблицы и др. Каждая модель имеет свои преимущества, недостатки и, следовательно, область применения. Рассмотрим модели, которые способствуют быстрому и глубокому проникновению в суть решаемой задачи, активизируют мышление и позволяют выйти на хорошее техническое решение.
Широкое применение получили модели в виде графа. Понятие графа строится на понятии множества. Граф можно представить в виде геометрической фигуры, состоящей из двух множеств: множества вершин и множества ребер, соединяющих некоторые вершины. Граф считается заданным, если определены множество его вершин и множество ребер, и показана взаимосвязь между вершинами и ребрами. Две вершины называются смежными, если они соединены ребрами, соответственно два ребра смежны, если они имеют общую вершину.
Неориентированные ребра называются звеньями, или ребрами, ориентированные ребра – дугами. Граф, все ребра которого неориентированы, называется неориентированным графом, граф, состоящий из ориентированных ребер (дуг), – ориентированным, или орграфом.
Граф несет информацию о связях в объекте, удобную для восприятия человеком. Для обработки этой информации в ЭВМ его можно представить в виде булевых матриц.
Следует отметить, что граф – это совокупность двух множеств, поэтому использование указанной модели для описания трех и более множеств приводит к тому, что модель становится плохо обозримой.
Для описания структуры объектов используют различные виды моделей в виде графа (рис. 5.7).
Рис. 5.7. Основные типы структур: а) корпускулярная, б) цепная (линейная),
в) звездная, г) сетевая, д) многосвязная, е) иерархическая.
корпускулярная – состоит из дисперсных слабо связанных между собой элементов. Основное свойство такой структуры – потеря небольшого числа элементов практически не изменяет свойства системы. Например, песчаный фильтр, камни в галтовочном барабане;
цепная – характеризуется линейной структурой однотипных (однородных) компонентов или мало отличающихся друг от друга повторяющихся компонентов. Например, велосипедная цепь, железнодорожный состав, цепочки, разомкнутые системы управления (без обратной связи), некоторые процессы, например, этапы проектирования;
звездная – содержит центральный компонент, который связан со многими другими. Такая модель может быть использована для многоаспектного анализа проблем, для моделирования некоторых структур управления;
сетевая – описывается планарным графом. Это граф, который может быть изображен на плоскости таким образом, чтобы ребра, связывающие вершины, не пересекались. В этой модели число компонентов и связей примерно одинаково. На ее основе построены такие объекты, как телефонная сеть, односторонняя монтажная плата, некоторые базы данных.
Многосвязная – описывается непланарным графом, который нельзя изобразить на плоскости без пересечения ребер. В этой модели связей значительно больше, чем компонентов. Если компонентов много (больше 7 – 9), то модель становится трудно обозримой. Примерами являются двухсторонняя монтажная плата, двух и многоярусные дорожные развязки, сложные базы данных.
иерархическая структура – модель, широко применяемая для описания классификаций объектов, а также для упрощения представления сложных объектов. Примерами служат модели баз данных, временны́е процессы, в которых операции могут выполняться как последовательно, так и параллельно, например, сетевой график.
Иерархическая структура может быть представлена в виде неориентированного граф-дерева (рис. 5.8 а) или ориентированного – исходящего (рис. 5.8 б) или входящего граф-дерева (рис. 5.8 в).
Рис. 5.8 Виды граф-деревьев: а) неориентированное; б) ориентированное исходящее; г) ориентированное входящее.
Модели, используемые для исследования объектов, сами по себе обладают определенными свойствами. Поскольку между моделью и объектом имеется связь, то получается новая система. Объединение двух компонентов в систему должно приводить к появлению новых свойств за счет синергетического эффекта (рис. 5.10).
Рис. 5.10 Схема образования новых свойств при моделировании объекта
Например, сложное техническое устройство в его натуральном виде и его модели – кинематическая схема, принципиальная электрическая и монтажная схемы – позволяют понять его устройство и работу.
В структурном анализе большое внимание уделяют связям между компонентами технической системы. Связи в (ТО) можно выделять по различным признакам (рис. 5.11).
Рис. 5.11 Классификация связей в ТО
Функциональные связи обеспечивают функционирование объекта, реализуют потоки веществ и полей, результатом чего является выполнение им ГПФ. Например, связи между основными компонентами (РО, Тр, ПЭ, ОУ) – непосредственно отвечают за выполнение ГПФ.
Конструктивные связи обеспечивают целостность объекта как системы; избыточные связи используют для резервирования; вредные стремятся разорвать или нейтрализовать.
При формировании структуры ТО необходимо придерживаться основных принципов строения и функционирования ТС и закономерностей их развития, которые будут подробно рассмотрены в следующих лекциях.
|
