CC BY
192
Юрков Н.К. К ПРОБЛЕМЕ КОНЦЕПТУАЛЬНОГО АНАЛИЗА ИНТЕГРИРОВАННЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ КОМПЛЕКСОВ
В настоящее время в промышленно развитых странах широко распространяются новые, информационные СДЬБ-технологии сквозной
поддержки сложной наукоемкой продукции на всех этапах жизненного цикла (ЖЦ), а именно на этапах технического замысла, проектирования, производства, продажи, эксплуатации и
сервисного обслуживания. Базирующиеся на
стандартизованном едином электронном
представлении данных и коллективном доступе к ним, эти технологии позволяют существенно упростить все этапы ЖЦ сложного оборудования и повысить производительность труда на всех перечисленных этапах, согласно западному опыту, как минимум на 3 0 %.
Рассматривая развитие СДЬБ-технологий как
средство интеграции России в мировую экономику, как важный инструмент реструктуризации оборонной промышленности, коренным образом упрощающий внутреннюю и международную
промышленную кооперацию, повышающий
привлекательность и конкурентоспособность промышленных изделий, обеспечивающий качество продукции, ускорение взаиморасчетов поставщиков и потребителей, совершенствование организации управления на промышленных предприятиях, нельзя допустить отставания во внедрении СДЬБ-технологий. В то же время, как все новое, внедрение информационных технологий
сдерживается отсутствием системного подхода, позволяющего обобщить и систематизировать все
аспекты внедрения СДЬБ-технологий.
Следует обратить внимание на то, что процесс внедрения CALS-технологий должен носить последовательный характер. СДЬБ-технологии можно рассматривать как набор методик и инструментов, масштаб внедрения которых определяется с учетом обстоятельств и по мере накопления опыта.
Производство современных наукоемких изделий представляет собой сложную структуру
компонентов, осуществляющих для целей выпуска готовой продукции решение целого ряда
взаимозависимых задач маркетинга, планирования инвестиций, конструкторско-технологической
подготовки, материально-технического снабжения и учёта затрат, управления производством, инфраструктурой предприятия и сервисного обслуживания, вплоть до утилизации изделия. В дальнейшем подобные производственные системы будем именовать интегрированными
производственными комплексами (этот термин удобен своей краткостью, хотя более полно и точно подобного рода производственные системы, следовало бы называть интегрированными научнопроизводственными комплексами).
Процесс разработки и производства сложных высокотехнологичных и наукоемких систем можно представить как непрерывное изменение состояния физических и интеллектуальных объектов, имеющих отношение к проектированию и производству, таких как сотрудники, средства проектирования, производственный продукты, идеи, финансы и т.д.
Возможность управления разработкой и производством обеспечивает получение
экономического эффекта
счет рационализации проектных решений по аспектам.
Истоки активности исходными моментами процесса - с целевой
на всех этапах ЖЦ за процессов выработки сем перечисленным выше
_а
ш
системы связаны с любого управленческого функцией и отклонением. Цель выступает как способ объединения различных действий в некоторую последовательность или систему, которую называют операцией.
Следует отметить, что обратная связь может служить источником как стабилизации, так и неустойчивости. Уменьшение неустойчивости и усиление стабилизации - оптимальная стратегия управления. Стратегия управления,
обеспечивающая устойчивость и оптимальность, своя для каждого объекта и воздействия. По этой причине изменение параметров объекта в процессе функционирования может привести к потере оптимальности или устойчивости.
Введение управлений в сложные системы не только
о
о
Измеритель Исполнительное
информации устройство
(датчики ОС) (звено, орган)
•- О го о
Циклы
бо™ УПРАВЛЯЮЩИЙ
инфор- С У Б Ъ Е К Т
мации
(Орган, принимающий решение)
д
Накопленный опыт, память, тезаурус, теория, программа
возможно, необходимо. рассматривать деградации как эволюции, следовательно, процессами управлять же
но и
Если процессы обратные к то,
и такими возможно Необходимость управления
Рис. 1 Обобщенная модель механизма управления для самоорганизующихся
систем
деградационными процессами часто
диктуется соображениями безопасности или даже выживания человека
(экстремальные условия
экологических катастроф, лечебные воздействия а больной организм и т.д.). Поэтому сформулируем
условия и принципы
введения управления в сложные системы.
Само управления системах отличается управления в теории а
управления,
понятие в сложных существенно от понятия классической томатического которое подразумевает компенсацию
отклонения выходных координат от заданных значений (управление по отклонению), ибо компенсацию возмущающих воздействий (управление по возмущению), либо и того, и другого (комбинированное управление) по принципу обратной связи. При этом критериями управления являются устойчивость системы по Ляпунову, выполнение ограничений на время переходных процессов (быстродействие) и достигаемая точность.
С
Ь
Под управлением в сложных системах будем понимать обеспечение достижения системой некоторого заданного аттрактора. Такой подход не противоречит известным вариантам постановки задачи синтеза управлений в различных системах.
Таким образом, целью управления в сложных системах является достижение системой некоторого заданного состояния. Это желаемое состояние системы определяется заданным аттрактором, а задачей управления является, соответственно, «проведение» системы из произвольного состояния к заданному аттрактору. Основным требованием при этом является неразрушение системы и обеспечение эффективности ее функционирования.
Цель управления - это значения (соотношения значений) координат процессов в объекте управления или их изменения во времени, при которых обеспечивается достижение желаемых результатов функционирования объекта. Без отклонения нет информации для управления и самого процесса управления, нет развития. Система вне среды не может быть активной, ибо только ее взаимодействие со средой, возникающие при этом отклонения, противоречия создают необходимое условие активности системы, ее самодвижения в направлении самосохранения.
Любого типа упорядоченность возникает в результате какого-то воздействия окружающей среды на систему, которая, приспосабливаясь к изменяющимся условиям, накапливает полезную для себя информацию, повышает уровень своей организации [1].
Отметим, что в терминах теории управления [2] и общей теории систем [3] сигналы, которыми обмениваются объекты, обычно могут интерпретироваться как возмущающие воздействия, рассматриваемые либо как побочные (нежелательные) результаты функционирования процессов, либо как управления, используемые для формирования желаемого поведения объекта.
Как показали исследования, оптимальный закон управления обладает интересными свойствами. Управляющие воздействия стремятся привести выходной сигнал к требуемому значению, но они также вводят возмущение (зондирование), когда параметры не определены, что улучшает качество оценок и последующих управлений [4].
Развиваться с качественными изменениями, с возрастанием уровня организации способны лишь открытые системы, в которых каждый процесс представляется как противоречивое единство самообусловленности и внешней обусловленности, единство внутренних и внешних противоречий. Соотношение и роль их в контексте «источника развития» должны быть пересмотрены с выходом на концепцию открытых систем.
Функциональные системы возникли под воздействием внешней среды благодаря качественному упорядочению связей: информация, как отражение, как сигнал отклонения стала образовывать (в виде отрицательной обратной связи) замкнутые контуры саморегуляции - гомеостазис (Гомеостазис -относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость основных функций) (рис. 1).
К гомеостазису относится и иммунитет - как система защиты организма от всего генетически чужеродного (микробов, чужих клеток, тканей) или генетически изменившихся собственных клеток. Иммунитет осуществляет контроль за внутренним постоянством организма. Гомеостазис характеризует, таким образом, I этап становления феномена управления.
Для иллюстрации II этапа становления механизма управления приведем следующий пример. Вертикально стартующую тяжелую ракету через десяток секунд после старта, когда она набрала расчетную скорость, необходимо начинать разворачивать (наклонять) в сторону цели. Включается программный механизм, формирующий команды на разворот объекта (по «жесткой» программе) в нужном направлении, на нужный угол. При этом автомат стабилизации продолжает работать, обеспечивая устойчивость объекта и при этой манипуляции.
Формирование механизма управления в основном завершается на III этапе образованием II контура обратной связи (ОС) (на рисунке 1 показан пунктиром). Этот контур называется контуром отбора и накопления информации, опыта, контуром адаптации, самообучения и, следовательно, саморазвития.
Сущность процесса развития заключается в целенаправленном накоплении информации с последующим ее упорядочением, структуризацией. Но в потоке информации, циркулирующей в I контуре ОС, в каждом цикле управления бывает много разнообразной информации (избыточной, повторяющейся), в том числе и «информационного шума». Поэтому на входе II контура ОС имеется так называемый семантический фильтр, который осуществляет отбор информации с учетом преемственности и ценности новых «порций» информации для целевой функции системы, для ее целостности.
Число таких порций информации от цикла к циклу непрерывно растет, и они начинают складываться в определенную структуру (гипотезы, теории, программы, изобретения и т.п.). Именно целенаправленное собирание, интегрирование информации является предпосылкой, основным условием появления новой организации, новой структуры.
Если структуру системы можно рассматривать как некоторую предварительно отсортированную и переработанную, связанную, внутреннюю информацию, то происходящая во II контуре ОС структуризация и есть процесс возникновения новой (структурной) информации в результате циркуляции в системе оперативной информации - а это уже и есть процесс саморазвития.
Кибернетика научно обосновала единство процессов управления и связи в живой природе, технике, обществе и мышлении. Идея Н. Винера о единстве законов управления в живых организмах и машинах, положенная в основу кибернетики, сыграла важную роль в развитии технических систем. Однако попытки использования этой логики для управления в системах другой природы не увенчались такими же успехами. Причина этого заключается в некорректности рассмотрения живых систем как замкнутых, что было доказано Л. фон Берталанфи.
Сложные системы, главным образом живые, демонстрируют на разных уровнях организации множество принципов и алгоритмов управления, основная часть которых не только не используется в техногенных системах, но и вообще не изучена. В технике автоматического регулирования доминируют только два принципа управления: по отклонению и по возмущению. Гомеостатическое, координирующее, логико-
оптимальное, ситуационное и др. принципы управления являются объектами интенсивного изучения с целью их применения в различных областях техники, медицины, экономики и др., но эффективного практического использования в настоящее время не нашли. Непосредственное применение классического принципа обратной связи в сложных системах во многих случаях не только не приводит к желаемым результатам, но и часто служит причиной ошибок.
Таким образом, практическая потребность в изучении сложных систем определяет актуальность исследования принципов управления, как в плане методологии, так и их математического описания. Это становится невозможным без их концептуального анализа.
На этапе синтеза проектных решений, разработки первичного облика создаваемой системы принимается до 80% проектных решений, определяющих основное устройство и, соответственно, затраты на его создание [5]. Недостаточность концептуально-теоретического аппарата, обслуживающего
современную инженерную практику, приводит к тому, что принятие проектных решений проводится на основе эвристических процедур.
Понятия «механизм» и «конструкция» не могут быть использованы для характеристики изделия, соединяющего в себе механические, электрические, газодинамические, информационные и т.п. взаимодействия [6]. Активному использованию в роли такого понятия термина «система» мешала его неопределенность. Действительно, вместо развития положений Л. фон Берталанффи [7] о системе как целостной совокупности элементов, обеспечивающих эквифинальность достижения некоторой цели, возникла и быстро завоевала ведущие позиции традиция формально-множественного определения. Понятие «система» было фактически примитизировано до характеристики объединения элементов, хотя сам Л. фон Берталанффи настаивал на том, что не всякая совокупность элементов является системой.
Рост масштабов и сложности создаваемых промышленных изделий требует дальнейшего развития концептуальных идей и соответственно инструментария обеспечения начальных этапов разработки, которые в значительной мере определяют технический облик создаваемого изделия и объем затрат на его производство.
Целью данной работы является развитие и совершенствование методов построения моделей, которое заключается в создании методов построения широкого класса объектов проектирования (изделий, процессов), в разработке способов «стыковки» моделей, способов учета результатов исследования одних моделей при использовании других, а также согласование и оперативная смена (при необходимости) параметров моделей. Это позволяет решить проблему высокоэффективного управления сложными иерархическими распределенными производственными комплексами за счет развития единого функционально-целевого подхода и создания средств построения концептуальной модели предметной области.
Современные представления о системной организации основываются на идеях Л. фон Берталанффи, Н. Винера и других ученых. Систему можно рассматривать как организованный механизм - целостный механизм целесообразной организации обстоятельств. Эти обстоятельства возникают как результат хаотичного хода внешних событий. Оказывая на них воздействие, система формирует процесс достижения цели. Ее работа как организационного механизма заключается в синтезе процесса достижения цели из фрагментов разнородных процессов, составляющих внешние обстоятельства.
Необходимо создать некий подход, позволяющий интерпретировать закономерности построения (в первую очередь структуры целей и структуры действий) системы в отношении устройства искусственных (в частности, технических) систем и управления ими. Современный уровень теоретического описания гомеостаза достаточен для использования в инженерной практике. Он позволяет с высокой степенью конкретности и определенности использовать закономерности структурно-функционального построения организма при проектировании разнообразных технических объектов.
Процесс разработки сложной технической системы можно представить с помощью рисунка 2.
Рис. 2 Содержание процесса разработки технической системы
Комплекс причинно-следственных связей определяет структурированную совокупность действий, обеспечивающих целесообразность функционирования технической системы и ее целостность. Выполнение этих действий осуществляется с помощью соответствующих устройств, что позволяет разработать аппаратное и конструктивное устройство создаваемой технической системы.
Это позволяет определить технологию процесса разработки технической системы, общая схема
которой представлена на рисунке 3. Она включает два основных этапа: разработку концептуальной
модели и разработку количественной модели. Сложность интеграции указанных этапов, в особенности автоматизации синтеза концептуальной модели предметной области и обеспечения информационного согласования этого процесса с промышленными пакетами САПР и определяет актуальность данной
работы.
Строго говоря, в широко применяемых методологиях проектирования сложных наукоемких изделий есть этап построения концептуальной модели. Его сущность заключается в поиске аналогичного технического решения и переносе его устройства на создаваемый объект. Этап технического предложения содержательно представляет собой разработку концептуальной модели и начальные этапы количественного моделирования, позволяющие понять возможность реального исполения замысла. Этап эскизного проектирования связан с уточнением концептуальной модели и развитием количественных, обусловленном внесением достаточно подробных сведений о конкретном устройстве подсистем системы.
При этом наличие большого количества эвристически принимаемых проектных решений не позволяет считать такой подход совершенным. Необходимо автоматизировать процесс создания концептуальных моделей.
Концептуальное моделирование представляет собой формализацию мысленного образа до уровня понятийного описания. Определенность содержания концептуальной модели основано на том, что:
исходным мысленным образом является представление о разрабатываемой технической системе как средстве комплексного целесообразного воздействия на окружающие обстоятельства;
конкретизация исходного мысленного образа представляет собой строго определенную
последовательность (описание системных стратегий, комплекса целей, взаимосвязей между ними,
действий, обеспечивающих их достижение и т.д.), которая производится путем проблемноориентированной интерпретации общей схемы структурно-функционального построения гомеостаза.
Создание теоретически обоснованных процедур концептуального моделирования наравне с дальнейшим увеличением возможностей математического моделирования процессов создания сложных наукоемких технических систем позволит существенно развить теоретические аспекты автоматизации проектирования.
Построение концептуальной модели соответствует переходу от описательного представления знаний к их формальному представлению на декларативном языке, допускающем единственную интерпретацию. Концептуальная модель предметной области (КМПО) является декларативной, т.к. в ней описывается состав, структура и отношения между объектами и процессами, независимо от конкретного способа их реализации в компьютере.
Процесс проектирования сложных наукоемких изделий неразрывно связан, а во многом и определяется, процессами переработки информации, работой с информационными объектами (математическими, графическими и т.п. моделями). Поэтому синтез концептуальных моделей предметной области проектирования целесообразно провести на основе методологии создания концептуальных моделей информационных систем [8].
Концептуальная модель наряду с описанием структуры информационных объектов и процессов обработки информации, способов их взаимодействия отражает такие свойства, как принадлежность процесса или объекта к некоторому типу, количественные характеристики объектов и процессов. В связи с этим, помимо деления элементов модели на объекты и отношения между ними, выделяется класс атрибутов (или свойств), вступающих с собственно объектами модели (информационными объектами и процессами) в бинарные отношения, описываемые функционально.
Концептуальная модель предметной области включает: множества элементов модели (объектов и процессов); отношения, задаваемые над множествами элементов модели; множества атрибутов объектов и отношений;
множества функций (функциональных отношений между информационными объектами, процессами и их атрибутами).
Первые два из перечисленных выше компонентов образуют схему модели предметной области (далее везде, кроме специально оговоренных случаев, под моделью предметной области понимается концептуальная модель), а последние два - модели атрибутов и количественных характеристик, входящих в состав модели предметной области (ПО).
Схемой концептуальной модели предметной области называется кортеж:
^кмис = < Р, О, Нр, Но, 1п, Ои1, з > ,
где Р = {р^} - множество процессов обработки информации;
О = {о^} - множество информационных объектов КМПО (данных);
Нр, Но - отношения иерархии процессов и информационных объектов;
1п: Р ^ В(О) - отношения «входные информационные объекты процесса - процесс»;
Ои1: Р ^ В(О) - отношения «процесс - выходные информационные объекты»;
б - отношения следования процессов.
Количественные характеристики КМ задаются для отдельных процессов и объектов и позволяют определять показатели надежности, эффективности проектируемой системы в целом на основе значений, заданных для отдельных ее компонентов. К числу характеристик относятся надежностные, временные, емкостные показатели, интерпретируемые в зависимости от вида элемента модели, к которому они принадлежат (объект или процесс) и от положения, занимаемого этим элементом в иерархической структуре (лист дерева или промежуточный уровень иерархии).
Основой построения концептуальной модели может выступать проектная модель технической системы, представимая комплектом технической документации. Она позволяет накапливать и хранить сведения о создаваемой системе, появляющиеся по мере конкретизации представлений об ее устройстве, начиная с момента формулирования цели их создания.
Разработка концептуальной модели
Рисунок 3 Общая схема процесса разработки технической системы
Сформулированная системная цель определяет системные стратегии и схему структурной организации, которая в свою очередь определяется построением комплекса целей, включающих в себя цели системных стратегий. Для каждой цели определяется критерии и показатели, характеризующие их выполнение при заданных системных стратегиях. Затем формируется комплекс реакций, достигающих эти цели. Это позволит определить состав естественных процессов, из которых будет синтезирована схема
функционирования технической системы. Их свойства будут использоваться как ресурсы управления, которые могут выступать как пассивными (реализуемыми в конструкции), так и активными (реализуемыми в виде устройств) механизмами управления.
Выявленный состав процессов дает возможность формирования математического описания процесса функционирования технической системы.
На основе этого формулируется структурированный комплекс целей, характеризующий организацию технической системы, и действий, реализующих функции, обеспечивающие целесообразность и целостность работы концептуальной модели.
Количественной моделирование представляет собой формализацию понятийного описания до уровня получения количественных оценок. Тогда же осуществляется разработка математических, графических и т.п. моделей.
Таким образом, появляется возможность формировать более совершенные технические решения, повысить эффективность проектирования, снизить потери на исправление погрешностей проектирования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Абдеев Р.Ф. Философия информационной цивилизации. -М.: ВЛАДОС, 1994. -336 с.
2. Деруссо П., Рой Р., Клоуз М. Пространство состояний в теории управления. - М.: Наука, 1970.
- 620 с.
3. Месарович М., Такахара Я. Общая теория систем: математические основы. - М.: Мир, 1978. -
312 с.
4. Острем К.Й. Адаптивное управление с обратной связью. ТИИЭР, т. 75, «2, 1987, с. 4-40
5. Юрков Н.К. Модели и алгоритмы управления интегрированными производственными комплексами. Монография. Пенза, Изд-во ИИЦ Пенз. гос. ун-та, 2003, 198 с.
6. Бахур А.Б. Системные идеи в современной инженерной практике (интегративно-функциональный подход). _М.: Пров-пресс, 2000.
7. Bertalanffy L. von. General System Theory (Foundation, Development, Application). G.Brazillier, N.-Y., 1973.
8. Кузьмин И.А., Путилов В.А., Фильчаков В.В. Распределенная обработка информации в научных исследованиях. - Л.: Наука, 1991. - 304 с.
