Системный подход в моделировании

В своей деятельности современному инженеру приходится иметь дело с объектами различной природы и назначения. Их многообразие настолько велико, а взаимодействие настолько сложно и разнопланово, что на первый план выходит проблема даже не изучения этих объ­ектов, а их систематизации, поиска и применения универсального, общего подхода к их описанию и пониманию. Если еще недавно инженер буквально гонялся за фактами, кото­рые могли бы быть ему полезными при решении практических задач, то сейчас он часто не в силах справиться с их половодьем – огром­ным информационным потоком. В этой ситуации аналитические ме­тоды исследования, эффективные при изучении отдельных объектов, уже не работают так хорошо, как этого требует современный уровень развития техники и производства.

В качестве действенного и современного подхода к изучению объектов теория систем предлагает принцип системного движения,или системный подход. Его сущность сводится к тому, что любой объект или их совокупность рассматриваются как система – множество не­делимых элементов, находящихся в некоторых отношениях и связях друг с другом, образуя при этом целостность, единство. Относитель­ной автономностью в составе систем обладают подсистемы.

Для этого необходимо соблюдать требования системности, иерар­хичности, интегральности/дифференциальности и формализации в рассмотрении и описании объектов:

• системность –целостное предоставление об объекте, имею­щем как внутреннее единство, так и связи с окружающей средой;

• иерархичность– представление о структуре объекта как о мно­гоуровневой и блочно-модульной;

• интегральность/дифференциальность– представление о равно­значности исполь-зования методов анализа и синтеза при работе с объектом;

• формализация – возможность упрощенного, формального пред­ставления об объекте, замены оригинала объекта его моделью для описания объекта в терминах соответствующих отраслей науки.

В итоге, объект рассматривается как единство структуры и ее па­раметров. При этом сложность объекта оценивается по двум ее ком­понентам:

• структурной сложности– количеству уровней иерархии систе­мы и связей ее подсистем и элементов между собой;

• параметрической сложности– количеству параметров структу­ры, их виду (не-зависимые или зависимые; управляемые или не­управляемые и т. д.) и форме взаимосвязей (линейные или не­линейные; детерминированные или стохастические и т. д.).

Каждому из них в рамках системного подхода можно дать структурно-функциональную характеристику, т. е. четко и одно­значно описать структуру, перечислить её параметры, сформулиро­вать целевую функцию, обозначить границы области применения, оценить необходимые ресурсы и альтернативы.

Это позволит снизить трудоемкость и временные затраты на реше­ние так называемых касающихся данных объектов инженерных задач. Подобные задачи, как правило, ориентированы на проблемы дейст­вующего производства и имеют прикладной характер. Их специфика обусловлена относительно узкими интервалами изменений парамет­ров объекта, малыми возможностями корректировки структуры, не­достатком информации о природе явлений, необходимостью выбора наилучшего варианта на каждом этапе решения.

Инженерные задачи

Традиционно инженерные задачи классифицируют по видам ин­женерной деятельности:технологические, конструкторские, исследо­вательские и управленческие; по целевому назначению:задачи иссле­дования, проектирования, прогнозирования и оптимизации.

Технологические задачисвязаны с проблемами разработки и реали­зации в условиях конкретного производства различных технологий. При этом технология рассматривается как некоторый алгоритм дей­ствий, последовательность этапов, операций, переделов и переходов, характеризующихся индивидуальным содержанием и выполняемых с использованием конкретных оборудования, оснастки и необходимых ресурсов. Результат решения таких задач обычно оформляется в виде комплекта технологической документации, технологических карт, инструкций, руководящих материалов, позволяющих получить отве­ты на вопросы о структуре технологической цепочки и параметрах технологического режима; реже – в виде управляющих программ для автоматических модулей технологического назначения.

Конструкторские задачисвязаны с проблемами поиска рацио­нальных геометрических форм, структуры, материала и режимов экс­плуатации изделий, оснастки, оборудования, реже – объемно-плани­ровочных решений при выполнении работ по проектированию новых или реконструкции действующих производственных подразделений. Результат решения таких задач обычно оформляется в виде комплек­та конструкторской документации, рабочих и сборочных чертежей, спецификаций, схем, планировок, эскизов, 2D- и 3D-визуализаций, компьютерных программ для изготовления деталей изделий, оснаст­ки, оборудования на станках с ЧПУ,

Исследовательские задачисвязаны главным образом с «узкими местами» производства, изучением причинно-следственных связей явлений, имеющих место в производственных процессах, проведени­ем технологического контроля материалов, изделий оснастки и обо­рудования; выявлением производственного брака, его профилакти­кой и устранением; реже – разработкой новых исследовательских ме­тодик и их освоением. Результаты решения таких задач обычно оформляются в виде заключений, актов, предложений, рекомендаций и технических отчетов, позволяющих не допускать, снижать или лик­видировать имеющиеся либо обнаруженные технические недостатки действующего или проектируемого производства.

Управленческие задачи(задачи менеджмента) связаны с проблема­ми организации производства и управления его подразделениями, согласованием режимов их работы, планированием ремонтов обору­дования и оснастки, распределением ресурсов, рационализацией гру­зопотоков, сопровождением и обеспечением производственных про­цессов. Результаты их решения – планы, графики, заявки, маршрут­ные листы, приказы, распоряжения.

Задачи исследованияориентированы на изучение природы явле­ний, происходящих внутри объекта, а также связывающих его с окру­жающей средой; выявление существенных характеристик и свойств объекта, форм и связей между ними, возможностей влияния на них извне и управления ими.

Задачи проектированиянацелены на создание новых или совер­шенствование имеющихся объектов на основе их структурно-функ­циональных характеристик и оценки недостатков и противоречий аналогов и прототипов.

Задачи прогнозированияимеют целью получить ответ на вопрос о том, что произойдет с объектом, его структурой и параметрами при изменении условий его существования (приложение дополнительных внешних воздействий, смена их характера, исключение из структуры объекта одной или нескольких составляющих, переход на альтерна­тивные виды материалов и ресурсов и т. п.).

Задачи оптимизацииориентированы на улучшение характеристик и свойств объекта, а также поиск наилучшего варианта решения из множества всех возможных в отношении данного объекта.

Следствием системного подхода к изучению объектов является возможность применения к решению инженерных задач общего ме­тода моделирования.

Моделирование – это универсальный метод изу­чения объектов, основанный на упрощении представлений о них. Именно упрощение составляет ядро, сущность и главную идею моде­лирования, позволяя делать процесс изучения объектов, даже самых сложных, менее трудоемким и затратным. Так, в соответствии с об­щепризнанной концепцией «жизненного цикла» теория систем опи­сывает существование любого объекта непрерывной замкнутой це­почкой-петлей: «проектирование – реализация – эксплуатация – моральное и физическое старение – переработка или утилизация – обновление». На каждом этапе (звене) этой цепочки удобно рассмат­ривать объект с определенной стороны, в определенном аспекте, при­нимая во внимание не все, а лишь некоторые, наиболее существен­ные, его качества и свойства, т. е. упрощая его.

В инженерной практике чаще всего используют две формы упро­щения объектов, основанные на принципах разукрупнения и идеали­зации.

Разукрупнение, или детализация, заключается в реальном или абст­рактном разделении объекта как системы на обладающие относитель­ной автономией части – подсистемы с последующим изучением каж­дой из частей по отдельности и обобщением, «склеиванием», резуль­татов.

Идеализация –замена реального объекта другим, идеализирован­ным, обладающим только теми чертами и свойствами, которые важ­ны для решения данной инженерной задачи и удобны для количест­венной и качественной оценки.

Примерами применения на практике принципа разукрупнения могут служить: поузловой метод проектирования машин; исследова­ние технологического процесса с выделением отдельных операций; методика послойного конструирования в среде графических пакетов типа AutoCAD.

В качестве примеров применения на практике принципа идеали­зации можно привести: введение целого ряда допущений при по­строении и использовании расчетных схем, проектных и провероч­ных методик; замену сложных геометрических форм стандартными техническими при конструировании изделий и оснастки; усреднение количественных значений свойств материалов по всему объему из­делий.

Особая роль моделирования в инженерной практике проявляется в создании благоприятных предпосылок к решению большинства ин­женерных задач; реализации системного подхода к изучению объек­тов; обеспечении возможностей для применения к изучению объек­тов других методов исследования, таких как аксиоматический, исто­рический, анализа-синтеза; в формировании четкого алгоритма решения не одной, а целого класса задач.