Систематехника

Термин «Системотехника» впервые был введен Г.Н.Поворовым, редактором известной книги Г.Х.Гуда и Р.Э.Макола «Системотехника. Введение в проектирование больших систем».

Возникновение системотехники связано с совершенствованием методов управления. Оно было обусловлено, во-первых, необходимостью управления научными и инженерными разработками и, во-вторых, потребностью создания на их основе сложных систем автоматического управления (САУ) и автоматизированных систем управления экономикой (АСУ).

Чем было обусловлено возникновение системотехники?

Для инженера всякий объект, по отношению к которому надо решить техническую задачу, с одной стороны, выступает как явление природы, подчиняющееся естественным законам, описанным в науке, а с другой – как орудие, механизм, машина, сооружение, которые необходимо построить искусственным путем. Поэтому инженер опирается и на существующую технику, где он заимствует знания о материалах, конструкциях, их технических свойствах, способах изготовления и т.д. однако, обращаясь к истории, если первоначально инженерная деятельность была ориентирована на прямое использование естественнонаучных знаний и в ее осуществлении принимали участие многие ученые – естествоиспытатели, то, начиная с конца XVIII в., положение меняется.

Во-первых, расчленяется научная деятельность. Помимо ученых-теоретиков и ученых экспериментаторов, появляются специалисты в области технических наук и прикладных исследований, задача которых – обслуживание инженерной деятельности. Об этом свидетельствует, в частности, большой интерес к техническим проблемам академий наук на первых порах их возникновения (XVII – XVIII в.в.), значительно уменьшившийся к концу XVIII в., что было связано с совершенствованием организации науки. Ввиду увеличения фронта исследований академии сконцентрировали свое внимание на решении фундаментальных научных проблем. Возникли новые формы организации научной деятельности в области техники – технические науки. Их появление было обусловлено прежде всего необходимостью специального обучения инженеров и возникновением высших технических школ.

Во-вторых, происходит дифференциация самой инженерной деятельности, в которой обособляются сначала изобретение и конструирование, а затем и инженерное проектирования. В сферу инженерной деятельности попадает также организация производства и даже операторская деятельность. Другими словами, если до начала XX столетия в области науки и техники одновременно работало сравнительно небольшое число специалистов, то в конце XIX – начале XX в. усложнение и развитие сферы производства привели к расслоению и обслуживающей его инженерной деятельности. Конструирование, проектирование, изобретение, организация производства, испытание, отладка и другие ее виды стали осуществляться различными специалистами. Появились и новые отрасли производства. Глубокая дифференциация инженерной деятельности, в свою очередь, вызвала к жизни противоположный ей процесс – интеграцию этой деятельности. В середине XX в. уже ставится проблема объединения различных специалистов в один коллектив, решающий общую инженерную задачу.

Одной из первых областей, в которой проявились эти процессы, была радиоэлектроника. В период после Второй мировой войны ее связь со сложными отраслями техники стала более тесной. В создание радиоаппаратуры включились, кроме специалистов по радиоэлектронике, металлурги, химики, математике, физике. В то же время происходили процессы дальнейшего отделения инженерных работ от вспомогательных, проектировщиков от конструкторов и специалистов по технологии и производству радиоаппаратуры, а также развития инженерных исследований в более тесной кооперации с учеными различных специальностей, занимающимися фундаментальными

исследованиями. Для управления такими коллективами нужны были новые методы инженерного руководства и особые специалисты, осуществляющие это руководство.

Возникновение системотехники (после Второй мировой войны) – результат усложнения процесса инженерного проектирования, необходимости его рациональной и научной организации.

Системотехника призвана повысить эффективность инженерного труда, используя системные методы исследования и конструирования. Особые подразделения, обеспечивающие управление коллективом инженеров, широко распространены в строительстве, в энергетике, транспорте, в сфере обороны и в других областях.

В системотехнике используется самый широкий спектр научных и технических знаний: от прикладных специализированных дисциплин до социальных наук. Этим системотехника также отличается от традиционной инженерной деятельности, которая ориентировалась, как правило, на какую-либо одну «базовую» техническую науку.

Первые шаги в системотехнике сделаны еще в 30-х годах. В США они были связаны с деятельностью корпорации «Белловские телефонные лаборатории». В нашей стране это направление развивалось в исследованиях по комплексной автоматизации производства. Правда, этот период скорее относится к предыстории системотехники. До 50-х годов она развивается прежде всего как сфера инженерной деятельности. В результате ее появляются первые крупные системотехнические проекты. Формируются особые системотехнические группы, в задачу которых входит организация разработки этих проектов.

Примерно начиная с 50-х годов происходит становление системотехники как области науки. В нашей стране и за рубежом (прежде всего в США) ведутся целенаправленная подготовка инженеров-системотехников в ВУЗах и интенсивные научно-технические исследования в этой области. В 1969г. в Московском энергетическом институте д.т.н., профессором Ф.Е.Темниковым была организована первая в нашей стране кафедра системотехники. Проблемы системного анализа и системотехники заняли значительное место в ведущих научных журналах («Техническая кибернетика», «Автоматика и телемеханика», «Управляющие системы и машины» и др.). С середины 60-х годов проводятся регулярные встречи специалистов на специальных конференциях и симпозиумах по проблемам системотехники.

     Основные задачи системотехники:

-         подготовка информации для принятия руководством научно обоснованных решений по управлению процессом создания сложной системы;

-         формулировка общей программы разработок как основы для взаимной увязки проектов отдельных подсистем;

-         стыковка проектных задач и координация специалистов, решающих эти задачи, интеграция частей системы в единое целое;

-         обеспечение в процессе разработки сложной системы наилучшего использования ресурсов при одновременном достижении проектных целей возможно более эффективным способом;

-         согласование планов частных проектов с общими направлениями работы, выявление существующих и прогнозирование будущих потребностей;

-         внедрение в практику проектирования последних научных и инженерных достижений.

Необходимость в системотехнике впервые появилась тогда, когда выяснилось, что отдельные, даже хорошо работающие компоненты не обязательно составляют удовлетворительно функционирующую систему. В сложной системе часто оказывается, что если даже отдельные компоненты удовлетворяют всем необходимым требованиям, система как целое не будет работать.

Направления системотехники             

Системотехника является многоаспектной дисциплиной и может по-разному использоваться современным специалистом в области проектирования, эксплуатации и производства сложных вычислительных, управляющих или измерительных систем различного назначения.

Выделяют теоретическую системотехнику, системотехнику в радиолокации, в строительстве, на транспорте, военную системотехнику и др.

  Рассмотрим некоторые из них.

     «Теоретическая» системотехника

В рамках системотехники развивается общая теория систем, которая служит базой формализации всех этапов проектирования и в том числе задание на проектирование сложной системы, которое формирует пользователь – заказчик. Основными математическими методами общей теории систем являются методы теории множеств, теории алгебраических систем и теорий категорий. В свою очередь основы системотехники являются базой для курсов проектирования ЭВМ и сложных систем.

Начало формирования понятийного аппарата системных исследований относят к 50-м годам 20 века и связывают с работами известного австрийского ученого Людвига фон Берталанфи.

Особенность современного развития системных идей помимо глубокого интереса к теоретико-методологическим проблемам заключается так же в интенсивной работе по созданию математической теории систем и системного анализа и во все более расширяющейся сфере практического их приложения в технике, экономике и социальных областях.

В настоящее время системные исследования получили широкое распространение  в биологии, психологии, социологии, лингвистике и ряде других наук. Важную роль они играют в технике, где сформировалось особое научное направление – системотехника.

При этом на первый план среди прочих выдвигаются следующие проблемы:

выявление и описание наиболее общих системных характеристик и закономерностей, не зависящих от конкретного типа технических комплексов;

разработка экспериментальных методов, позволяющих с достаточной достоверностью при приемлемом объеме затрачиваемых ресурсов оценивать теоретические концепции;

изучение круговорота вещества  и последовательности операций по использованию энергии и формирование на этой основе обобщенных критериев частных типов системы;

разработка методов реализации принципов системотехники при создании и использовании конкретных образцов систем.

Объектом системотехники являются системотехнические комплексы (СТК). Варианты СТК – это сложные системы, большие системы, системы «человек-машина», интегральные системы. Предметом изучения системотехники выделяют проектирование системы, включая в него методологию поиска системных характеристик СТК, методы формирования эффективной системы процедур проектирования, процессы испытаний, производства, установки, эксплуатации и демонтажа, т.е. процесса использования и ликвидации СТК.

Системотехника носит междисциплинный характер. Изучаемые ею законы и закономерности не зависят от конкретного типа система. Теоретической базой системотехники является общая теория системы (ОТС).

Основным методом системотехники является системный подход с его конкретными видами реализации: системным анализом, исследованием операций и кибернетикой.

     Системотехника на транспорте

Обеспечение потребления и сбыта продукции возложено на транспортную систему, которая включает все виды транспорта: железнодорожный, морской, автомобильный, речной, авиационный.

Увеличивается рост потребностей в транспортных перевозках. При этом любое снижение эффективности функционирования транспортной системы приводит к значительным убыткам.

Недостатки, существенно снижающие эффективность действия транспортной системы, можно свести к двум основным причинам: низкой степени автоматизации погрузочно-разгрузочных работ и недостаточно четкому и рациональному планированию и организации перевозок.

Основной прирост эффективности работы транспорта может быть получен за счет повышения качества управления транспортным процессом.

Построение автоматизированной системы управления (АСУ) транспортным процессом региона позволит построить четкое, согласованное управление как минимум, на уровне оперативного управления. Подобного рода организационная перестройка при всей ее актуальности требует проработки большого числа сложных вопросов: правовые нормы регулирования деятельности транспортной системы (ТС), какой структурой и техническими средствами она должна обладать, каков порядок ее разработки и внедрения и т.п. Разработка АСУ ТС потребует реорганизовать системы управления отдельными отраслевыми ТС, провести многосторонние исследования и тщательный творческий анализ передового отечественного и мирового опыта. Необходимо будет также найти гибкую и достаточно эффективную форму организации коллективной работы отдельных специалистов и учреждений, участвующих в создании автоматизированной системы управления САПР.

Единой методологии создания систем управления не существует, однако практика выработала ряд подходов к решению этого вопроса. В основе подходов заложены идеи и принципы системного анализа, мысль о том, что любая система должна создаваться как естественная реакция на возникшие проблемы.

     Системотехника в радиолокации

Быстро растущие практические потребности народного хозяйства, обороны и науки вызвали необходимость создания инженерных комплексов, осуществляющих обнаружение на больших расстояниях различных материальных объектов (самолетов, искусственных спутников, метеоритов, атмосферных образований и т.д.), измерение

пространственных координат и параметров движения обнаруженных объектов и определение некоторых физических свойств этих объектов. Полученные при этом данные используются в больших технических системах, охватывающих самые разнообразные области человеческой деятельности, например в системах управления воздушным движением и др.

Такие инженерные комплексы включают в себя множество радиолокационных станций и устройств передачи и переработки информации и носят название радиолокационных систем. При проектировании подобных систем и при их практическом использовании приходится сталкиваться с большим количеством специальных системных проблем, сильно отличающихся от проблем, возникающих при конструировании и эксплуатации отдельных элементов этих систем. Давно назрела необходимость специального методологического рассмотрения этих проблем и возможных путей их решения.

Основная задача теории радиотехнических систем, как и всякой теории, состоит в исследовании не только количественных соотношений, но и внутренних свойств этих систем принципиального качественного характера.

Методические и технические основы радиолокационной системотехники имеют 3 основных источника. Во-первых, это системная идеология работ по созданию больших радиосооружений. Во-вторых, это исследования в области больших биологических и технических кибернетических систем. В третьих, это достижения теории обнаружения и статистической радиолокации.

Радиолокационная системотехника почерпнула из первого источника методы получения и организации мощных высокоинформативных потоков электромагнитной энергии, из второго – способы хранения и оперативной обработки больших массивов информации и из третьего – аппарат анализа и оценок.

Дальнейшую перспективу развития радиолокационной системотехники определяет использование новейших достижений кибернетики, биологии и радиотехники.

Системотехника, научно-техническая дисциплина, охватывающая вопросы проектирования, создания, испытания и эксплуатации сложных систем (больших систем, систем большого масштаба, large scale systems). При разработке сложных систем возникают проблемы, относящиеся не только к свойствам их составных частей (элементов, подсистем), но также и к закономерностям функционирования объекта в целом (общесистемные проблемы); появляется широкий круг специфических задач, таких, как определение общей структуры системы, организация взаимодействия между подсистемами и элементами, учёт влияния внешней среды, выбор оптимальных режимов функционирования, оптимальное управление системой и т. д. По мере усложнения систем всё более значительное место отводится общесистемным вопросам, они и составляют основное содержание Системотехника Научной, главным образом математической, базой Системотехника служит сравнительно новая научная дисциплина — теория сложных систем.