Сложные (большие) системы, их свойства

Очевидно, что такую общую формулировку задания на проектирование можно отнести к различным ЛА, в том числе и к самым современным самолетам, и к самолетам, созданным на заре развития авиации. Очевидно и то, что современные самолеты существенно отличаются не только от самых первых самолетов, но и от самолетов десяти-, двадцатилетней давности.
Изменились не только внешний облик и размеры самолетов, что весьма важно. Изменились силовая установка, система управления, электрооборудование и другие системы самолета. На борту появились принципиально новые системы, например бортовая ЭВМ, система автоматического пилотирования и т. д. Изменились и конструкция самолета, и технология его изготовления.
Усложнение решаемых задач и, как следствие, увеличение сложности и стоимости проектирования, изготовления и эксплуатации ЛА, насыщенность разнообразными сложными системами и оборудованием, широкое применение новых материалов, конструктивно-технологических решений, высокая трудоемкость изготовления, увеличение времени полного цикла создания – эти тенденции характерны для всех типов ЛА.
И хотя цель проектирования – создание проекта ЛА – осталась неизменной, изменился подход к проектированию, его методология. Разработка (синтез) проекта ведется в настоящее время методом моделирования.
Разрабатывается ряд частных моделей (логических, физических, математических, графических и др.), которые описывают (отражают) отдельные свойства ЛА (функциональные, аэродинамические, прочностные, весовые и др.). Достаточно большое количество таких взаимосвязанных и взаимозависимых моделей может весьма точно описать ЛА, отразить всю совокупность его свойств.
Одним из частных, но прогрессивных подходов к описанию свойств объекта является системный подход, когда объект исследования описывают как систему, описывают его системные свойства.
Система (греч. – целое, составленное из частей, соединение) или системный объект – это обладающий определенной завершенностью, целостностью объект (например, самолет), состоящий из взаимосвязанных элементов, отличающийся от окружающей его внешней среды и взаимодействующий с ней (взлетает и садится на взлетно -посадочную полосу аэродрома – взаимодействие с искусственной внешней средой, совершает полет в атмосфере – взаимодействие с естественной внешней средой).
Системный объект в наиболее общем виде обладает следующими свойствами.
1. Объект создается ради определенной цели и в процессе достижения этой цели функционирует и развивается (изменяется).
Так, для нового пассажирского самолета целью разработки и постройки может являться более комфортабельная, безопасная и экономически выгодная (по сравнению с существующими самолетами) перевозка пассажиров, в процессе функционирования (эксплуатации, например, в течение 60000 летных часов за 20 лет полетов) самолет устаревает, ремонтируется, оснащается новым оборудованием и системами.
2. В составе системного объекта имеется источник энергии и материалов для его функционирования и развития.
Двигатели и запас топлива на борту самолета обеспечивают возможность полета, наземные службы, например аэродромные службы, проводят наземное обслуживание и подготавливают самолет к полету, система управления воздушным движением обеспечивает навигацию, ремонтные службы обеспечивают ремонт и оснащение самолета новым оборудованием и системами.
3. Системный объект – управляемая система. Для управления системным объектом используется информация о его собственном состоянии и о состоянии внешней среды и моделируется поведение объекта во внешней среде.
В процессе полета летчик (или автоматическая система управления) изменяет траекторию движения самолета на основании информации о положении самолета в пространстве, о работе всех бортовых систем самолета и в соответствии с указаниями службы управления воздушным движением.
4. Объект состоит из взаимосвязанных компонентов, выполняющих определенные функции в его составе.
5. Свойства системного объекта не исчерпываются суммой свойств его компонентов.
Все компоненты ЛА при их совместном функционировании обеспечивают новое свойство, которым не обладает в отдельности каждый из компонентов, – возможность управляемого полета.
Системный подход предполагает, что компоненты ЛА также могут рассматриваться как системы. С другой стороны, сам ЛА является компонентом системы более высокого уровня. Например, пассажирский самолет является компонентом транспортной системы страны, включающей в себя авиационный, железнодорожный и другие виды транспорта.
Так определяется иерархия (от греч. hieros – священный и – власть) систем, т. е. расположение частей или элементов целого в порядке от высшего к низшему («пирамида» систем).
Проект ЛА объединяет, таким образом, частные, взаимоувязанные, взаимообусловленные модели. Он отражает большое число параметров и связей между ними, весьма сложных для формализованного описания (т. е. описания с помощью последовательности взаимосвязанных формул). В этом смысле о проекте ЛА можно говорить как о большой, сложной модели, которая отражает все свойства будущего реального ЛА и, как правило, представляет собой ряд зависимостей между целями проектирования, возможными средствами их достижения, окружающей средой и ресурсами. Средства достижения целей проектирования – это возможные варианты проектных решений (альтернативы – от франц. alternative, от лат. alter – один из двух). Для выбора из ряда альтернативных вариантов некоторого проектного решения определяют критерий выбора – некоторый показатель, обобщенно характеризующий степень достижения поставленной цели тем или иным вариантом проекта.
В качестве такого обобщенного критерия для выбора рационального варианта и для оптимизации его параметров обычно используют показатель «эффективность -стоимость», отражающий соотношение между эффективностью решения поставленной задачи и суммарными затратами на ее решение (стоимостью данного варианта). При этом задача может быть сформулирована двояко:
1. Обеспечить максимальную эффективность системы при заданных затратах.
2. Обеспечить минимальную стоимость системы при заданном уровне эффективности.
Таким образом, на всех стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации ЛА можно рассматривать как систему, как совокупность взаимосвязанных управляемых компонентов (подсистем), объединенных общей целью функционирования для решения заданной проблемы в некотором диапазоне условий.
Именно с этих позиций мы должны рассматривать летательные аппараты и отдельные их компоненты.
Поскольку всякая система взаимодействует с внешней средой, то любые изменения внешней среды влияют на систему и в то же время свойства внешней среды изменяются в результате работы системы.
Внешняя среда (естественная и искусственная), в которой существует и функционирует ЛА, является динамической системой (ее параметры изменяются во времени).
Следовательно, проектируя ЛА на достаточно длительный период эксплуатации, мы должны не только учитывать сегодняшнее состояние внешней среды, но и уметь прогнозировать ее изменения. Прогноз должен учитывать изменения внешней среды, вызванные функционированием создаваемого ЛА и других систем, не только в техническом, но и в экологическом, социально-политическом и других аспектах.
Поскольку всякая система состоит из взаимосвязанных компонентов и представляет собой определенную целостность, то изменение параметров любого из компонентов системы вызывает изменение работы системы и ее выходных параметров.
Следовательно, при проектировании ЛА мы должны предусмотреть возможные отказы (нарушения работоспособности) систем и агрегатов ЛА и обеспечить либо возможность передачи функций отказавшей системы или агрегата другой системе или агрегату ЛА, либо резервирование (от лат. reservo – сберегаю, сохраняю) систем и агрегатов. Простейшим видом резервирования является дублирование (от франц. doubler – удваивать), при котором наряду с основной системой имеется еще одна (резервная), которая включается в работу при отказе основной системы.
Однако наши прогнозы на будущее не являются абсолютно точными. Поэтому при проектировании необходимо предусмотреть возможность различных модификаций (от позднелат. modifico – видоизменяю, меняю форму), т. е. принципиальных изменений систем и ЛА в целом, если происходят непредусмотренные изменения внешней среды.
Поскольку существует иерархия систем, при проектировании мы должны рассматривать ЛА как часть системы высшего уровня (авиационного или ракетно-космического комплекса) и выбирать параметры ЛА так, чтобы они обеспечивали оптимальное функционирование комплекса (системы высшего уровня). Таким образом, критерием оценки системы должен являться ее показатель, обеспечивающий оптимальность вышестоящей системы.
Можно считать, таким образом, что проектирование с системных позиций (системное проектирование) – это проектирование части целого как элемента целого.