CC BY
163
ШКОЛА МОЛОДОГО ИССЛЕДОВАТЕЛЯ
В. Р. ВЕДРУЧЕНКО В. В. КРАЙНОВ М. В. КОКШАРОВ Е. В. ГАЛИМСКИЙ
Омский государственный университет путей сообщения
УДК 658.562:007
О СИСТЕМНОМ ПОДХОДЕ В МЕТОДОЛОГИИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ_
НА ОСНОВАНИИ ВЫПОЛНЕННОГО ОБЗОРА И АНАЛИЗА ИССЛЕДОВАНИЙ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ МЕТОДОЛОГИЮ системного ПОДХОДА В ТЕХНИЧЕСКИХ НАУКАХ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО В СТАЦИОНАРНОЙ И ТРАНСПОРТНОЙ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ, СФОРМУЛИРОВАН ОБЩИЙ ПРИНЦИП РЕШЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ, БАЗИРУЮЩИЙСЯ НА СИСТЕМНОМ АНАЛИЗЕ. КОНЦЕПТУАЛЬНО ОБОСНОВАНА НА ЭТОЙ БАЗЕ СТРУКТУРА ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ТЕХНИЧЕСКИМ НАУКАМ.
С момента возникновения в 30-е годы прошлого столетия общей теории систем, которую обычно связывают с именем Л. Ф. Берталанфи, а позднее и С. Л. Оптнера, появилось большое количество определений понятий «система», «элемент систем», «внешняя среда системы», «структура систем» и т.п.
Под системными исследованиями (в самом широком смысле) в некоторых работах понимается вся совокупность современных научных и технических проблем и разработок, которые во всем их разнообразии сходны в том, что рассматривают исследуемые ими объекты как системы, т.е. множества взаимосвязанных элементов как единое целое [1-5]
Однако в большинстве работ точка зрения сводится к тому, что системный подход представляет собой обобщенную методологию решения задач и проблем, основанную на концепции системы [1,4,5].
Приведем простейшие определения этих и некоторых других понятий, в наибольшей мере соответствующих методам исследования технических систем. Система -существующая как единое целое совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, в которой функционирование каждого элемента подчинено необходимости сохранения целого. Подсистема - часть системы, для которой может быть сформулирована ее определенная роль в функционировании системы. Состояние системы - упорядоченная совокупность значений характеристик, определяющих ход процессов, происходящих в системе. Элемент системы - часть системы, рассматриваемая в каждом конкретном
исследовании как простейшая, имеющая связи с другими элементами, в том числе и с элементами того же вида. Структура - морфологически и функционально однородная часть системы, имеющая связи с другими структурами. Ее состояние характеризуется определенной совокупностью характеристик. Характеристика структуры - качественный или количественный показатель, определяющий состояние структуры и ход происходящих в ней процессов. Конечная структура -условное понятие, обозначающее структуру, изучаемую в данном конкретном исследовании на основе связей, направленных на нее со стороны других структур. Внешняя среда системы - совокупность факторов, действующих на систему извне и влияющих на характеристику ее структур.
Вполне естественно, что в зависимости от уровня, на котором рассматривается технический объект (изделие, машина, конструкция, агрегат, устройство и т.д.), он может быть и системой, и подсистемой, и структурой, и элементом системы. Примеры рассматриваемых нами понятий: тепловоз, автомобиль, самолет и др. (система), или как совокупность систем для обеспечения функционирования, например, дизеля или всего транспортного средства или устройства (подсистема, которая может быть названа вспомогательной системой машины, устройства), топливный насос (элемент системы); подшипник насоса (структура); совокупность таких факторов, как показатели качества топлива и моторного масла в дизеле (внешняя среда системы). Конечной структурой, например, может являться само топливо либо смазка. В различных
исследованиях в зависимости от их целей за конечные принимаются различные структуры. Очевидно, что в зависимости от целей исследования в каждой заранее оговоренной конечной структуре могут исследоваться различные ее характеристики на принятом уровне декомпозиции.
Таким образом, системный подход как наиболее общая методология исследования характеризуется представлением объектов различной природы в виде системы, состоящей из взаимодействующих и взаимовлияющих элементов, выбором и формированием математической модели и исследованием ее на ЭВМ. Инструментом системного подхода является, прежде всего, моделирование -логическое, математическое, машинное, организационное.
В литературе, посвященной исследованию и анализу систем, пока нет единого определения системы [4]. Разные авторы предлагают несколько различные логические представления (последовательность действий) при реализации системного решения проблемы (табл.) Выполнение полного перечня работ позволяет получить системное решение проблемы, т.к. основывается на базовых понятиях теории систем {по С. Л. Оптнеру).
Таким образом, с одной стороны понятие «система» введено с целью выделения способа рассмотрения, основанного на учете всей присущей системе сложности. Отнесение объектов к системам носит условный характер и связано с тем, насколько существенную роль при его изучении играют комплексные общесистемные факторы. Это зависит как от свойств самой системы, так и от задач, ради которых ведется ее разработка. Обычно под системой понимается любая целостная совокупность [2-4].
Системный подход в исследованиях - не единственное современное общеметодологическое направление. Кроме него, существуют также кибернетическое, статистическое, вероятностно-информационное, системно-структурное и другие направления. С другой стороны, отличие системного подхода от других в методологическом отношении заключается в том, что он понимается не как совокупность методов, а как учение о методах, понятиях и принципах исследования систем [1,3-5].
В современной литературе фигурирует несколько терминов: системное исследование, системный подход, системный анализ Однако принято считать, что системный анализ - это инструмент системного подхода [1,4,5], Чет-
ких границ между ними провести нельзя. Они выражают, главным образом, точку зрения системно-ориентированных ученых на исследование.
В условиях системного подхода к исследованиям, когда каждое изделие или система рассматривается не изолированно от других, а во взаимосвязи и взаимообусловленности с ними, можно сформулировать основные положения теории и методов системного исследования изделий:
1) система (изделие) представляет собой совокупность связанных общностью существования (функционирования, поведения и т.д.) элементов (деталей, сборочных единиц);
2) элемент в системе оказывает влияние на систему в целом, в то же время сам он подвержен ее влиянию;
3) связи элементов в системах не являются равноценными, параметры - однозначными [4].
Поскольку структура исследований с применением системной методологии является достаточно сложной, ее применение может быть успешным на основе достаточно полно сформулированных (формализованных) правил исследования, анализа результатов и критериев адекватности [4,6-10].
При системном анализе система задается элементами, их свойствами и связями; всякая система состоит из подсистем и является сама подсистемой некоторой другой системы. Причем вся совокупность систем является для данной системы окружающей средой, если они не связаны с исследуемой функционально [4,6,7].
Относительно большое число факторов, включаемых в исследование при системном подходе, и точный количественный учет их влияния предполагают применение математических методов исследования. Таким образом, методология системного подхода с необходимостью включает в себя математические методы исследования и анализа результатов. Поскольку математические методы не связаны с физической природой исследуемых объектов, системный подход применим к широкому кругу явлений и задач; успехи его применения будут тем больше, чем более общими, абстрактными будут являться используемые им понятия.
Никакие свойства изолированного объекта не могут быть исследованы без учета свойств составляющих его элементов, характера их взаимосвязи и взаимодействия.
Таблица
Последовательность действий при решении проблемы на системном уровне [1-3]
11» С. JI. Оигиеру По С Янгу По Н. П Федоренко По С. П. Никанорову По Ю. И. Черняку
I. Идентификация I Определение цели I. Формулирование I. Обнаружение про- I. Анализ проблемы
СИМПТОМОВ 2 Выявление пробле- проблемы блемы 2. Определение систе-
2. Определение ак- мы 2. Определение целей 2. Оценка актуальности мы
туальности пробле- 3 Диагноз 3. Сбор информации проблемы 3. Анализ структуры
\11.C 4 Поиск решения 4. Разработка макси- 3. Анализ ограничений системы
! 3. Определение це- 5 Оценка и выбор мального количества проблемы 4. Формулирование
лей альтернативы альтернатив 4. Определение крите- общей цели и крите-
: 4. Определение 6 Согласование реше- 5. Отбор альтернатив риев рия
С I р) К I \ pi.i систем ы нии 6. Построение модели в 5. Анализ существую- 5. Декомпозиция цели,
и ее .дефектов 7 Утверждение реше- виде уравнений, про- щей системы выявление потребно-
5. Определение воз- ния грамм или сценария б. Поиск возможностей сти в ресурсах, ком-
можностей 8 Подготовка к вводу 7. Оценка затрат (альтернатив) позиция целей
ь. Нахождение в действие 8. Испытание чувстви- 7. Выбор альтернативы 6. Выявление ресур-
альтернатив 9 Управление приме- тельности решения 8. Обеспечение призна- сов, композиция це-
7. Оценка альтерна- нением решения (параметрическое ис- ния лей
тив I0. Проверка эффек- следование) 9. Принятие решения 7. Прогноз и анализ
8. Выработка реше- тнвности (принятие формальной будущих условий
ния ответственности) 8. Оценка целей к
У. Признание реше- Ю.Реализация решения средств
ния 11 Определение резуль- 9. Отбор вариантов
lo Запуск процесса татов решения 10. Диагноз сущест-
решения вующей системы
. !. )> правление при- 11. Построение ком-
несшим рсаликшнп плексной программы
решения развития
i 2 ( Ыснка реали ta- 12. Проектирование
iiiiM и ее iiuc.ie.iei • организации для дос-
кии тижения целей
Изучение не изолированного от внешней среды объекта требует исследования характера его взаимодействий с ее элементами с учетом их состояния и параметров. В первом случае объект рассматривается как совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, представляющих собой систему. Во втором случае часть внешней среды, непосредственно взаимодействующая с объектом, может рассматриваться как составляющая системы более высокого порядка, в которой другой составляющей является сам объект Она может рассматриваться и как совокупность внешних возмущающих факторов, воздействующих на объект, т.е. на систему [7,8].
Изучение изолированной связи между структурами основывается на допущении, что в некоторый момент времени на изменение характеристики одной структуры влияет только изменение характеристики некоторой, непосредственно с нею связанной, другой структуры, а характеристики других влияющих структур остаются неизменными. При этом основной вопрос ставится следующим образом: на сколько единиц изменяется характеристика изучаемой структуры при изменении характеристики влияющей структуры на одну единицу. Кроме того, предполагается, что при не очень значительных изменениях характеристики влияющей структуры характеристика конечной, т.е. изучаемой, структуры зависит от нее линейно [5,6,8].
В настоящее время принято подразделять системы на простые и сложные (иногда на простые, сложные и очень сложные). К последним относят некоторые технические системы - многопозиционные системы автоматического регулирования технологических процессов, автоматизированные системы управления, в структуру которых входят цифровые и аналоговые вычислительные машины; транспортные средства и управление ними, энергетические системы, системы теплоснабжения крупных городов и т.д.; экономические и социальные системы - ценообразование, спрос, миграция населения; биологические системы - многоклеточные организмы, популяции, биогеоценозы, биосфера. Деление систем на простые и сложные в определенной мере условно, поскольку между ними трудно установить какие-либо четко выраженные границы.
Для идентификации сложных систем обычно применяют не какой-либо количественный критерий, а некоторую совокупность свойств, которыми обладают сложные системы: уникальность - каждый экземпляр системы, отнесенный к определенному классу, будучи в одних и тех же условиях с другими подобными же экземплярами, в подавляющем большинстве случаев отличается от них своим состоянием; непредсказуемость - даже весьма точное знание состояния системы в некоторый момент времени не может гарантировать столь же точный прогноз ее состояния в последующие моменты; негэнтропийность - система (при наличии необходимых энергетических ресурсов) в состоянии устранять влияние на нее неблагоприятных внешних и внутренних случайных воздействий и сохранять присущую ей организованность.
Помимо деления систем по их сложности, они подразделяются также на детерминированные и вероятностные.
Для полностью детерминированной системы возможно только одно состояние, вероятность которого равна единице Сложность такой системы (выраженная через логарифм числа возможных состояний) равна нулю. Полностью детерминированная система вряд ли может существовать сколько-нибудь продолжительное время, т.к. она не обладает гибкостью и не может адаптировать свои свойства к окружающим условиям.
Таким образом, реальные системы являются вероятностно-детерминированными, а их разделение на вероятностные и детерминированные условно: к вероятностным относятся системы, у которых большинство возможных состояний имеет близкие значения вероятностей, причем сумма этих вероятностей достаточно велика; к детерминированным относятся системы, у которых веро-
ятность одного из возможных состояний заметно больше суммы вероятностей всех других состояний [2-4].
Методы, используемые для исследования вероятностных и детерминированных систем, в большинстве случаев различны. Например, для исследования детерминированных систем чаще всего применяют математический аппарат дифференциальных уравнений и теории автоматического регулирования [1,5]. В целом исследование всех видов систем основано главным образом на изучении связей между их элементами, структурами и подсистемами. Обычно рассматривают три вида связей: стохастическую (корреляционную) - между случайными событиями и случайными величинами; функциональную - между структурами, определяемую количественным влиянием изменения характеристики одной структуры на изменение характеристики другой; причинную - между событиями.
В послевоенное время, и особенно в 60-е годы прошлого века, на основе концепции А. А. Богданова теория сложных технических систем получила бурное развитие в нашей стране (в социальных науках: В. Н. Садовский, Д. Б. Гвишиани и др.). В последнее десятилетие ряд отечественных ученых с успехом применяют и развивают методы системного анализа в теплотехнике, особенно после публикации цикла методологических работ Е. П. Голубкоеа [4]. Применительно к теплоэнергетическим установкам, в том числе дизельным, известны работы Ю. Э. Исерлиса (системные методы в проектировании ДВС), В. Н. Смирнова (системные методы при постройке, ремонте и эксплуатации ДВС), Ю. В. Селезнева (системные методы анализа термодинамических процессов и циклов тепловых двигателей), В. Н. Иванченко (системные методы в экологии ДВС) и др. [6-10].
Поскольку системный подход и его инструмент -системный анализ, с необходимостью требующий создания математических моделей сложных технических систем, разработки методов их решения и анализа, является универсальным средством решения проблем любого уровня сложности, то, очевидно, он применим и в методологии научных исследований вообще и в технических науках в частности [4,5,7-10].
На рис. 1 представлена наиболее общая, принятая в системотехнике, схема системного подхода для решения проблемы любой сложности и любой природы, когда проблемы решаются одновременно.
Если учесть, что по определению, например, законченное научное исследование в виде докторской диссертации
Рис. 1. Схема системного подхода для решения проблемы любого уровня сложности.
является научным решением проблемы, то структура такой диссертации должна содержать все подсистемы (структуры), определенные схемой системного подхода. На рис 2 приведена возможная структура решения на системном уровне научной проблемы в технике, например, в форме докторской диссертации, что соотносится со структурой системного подхода.
Таким образом, методологической базой для решения технических проблем являются основные положения, методы, средства и определения системного подхода в форме их реализации методами системного анализа [1,4].
ЛИТЕРАТУРА
1 Моисеев Н Н. Математические задачи системного анализа. М . Наука. 1981 488 с.
2. Горелова В. Л.. Мельникова Е. Н. Основы прогнозирования систем. М., Высшая школа, 1986. 287 с.
3 Перегудов Ф И., Тарасенко Ф. П. Введение в системный анализ. М., Высшая школа, 1989. 367 с.
4 Голубков Е П. Системный анализ как направление исследования//Системные исследования: Ежегодник 1976. М , Наука, 1977. С. 119-129.
5. Исерлис Ю. Э., Мирошников В. В. Системное проектирование двигателей внутреннего сгорания. Л., Машиностроение, 1981.255 с.
6 Ведрученко В. Р. Топливоиспользование в тепловозных дизелях. Системные методы исследований: Учеб. пособие; Омский ин-т инж. ж.-д. транспорта, 1990. 89 с
7. Ведрученко В. Р. Системные методы исследований топливоиспользования в дизелях // Двигателестроение, 1995. С. 30-35.
8. Ведрученко В. Р. Системный подход при разработке оптимальных проектных решений и создания дизельных систем топливоиспользования в условиях многокритериальности // Автомобильные и тракторные двигатели Вып. XV: Межвуз. сб. нуч. тр./М., МГТУ «МАМИ», 1999. С 127-135
9 Ведрученко В. Р, Крайнов В. В., Кокшаров М. В. О системном подходе в исследовании проблемы загрязнения окружающей среды вредными выбросами энергетических
Экспериментальные исследования
Разработка методов экспериментальные исследований подготовка стсндов и контрольно-нзмсритсльнои аппаратуры
Проведение экспериментальных исследований
ДШОМ1М1НЦИЯ
Обработка, аналш к синто экспериментальны* результатов
установление критериев оценки
Составление выводов, рекомендаций и заключения
компоэицйй
Рис. 2. Структура решения научной проблемы на системном уровне (структура докторской диссертации по техническим наукам).
установок железнодорожного транспорта // Промышленная энергетика, 2001, № 5. С. 55 - 60.
10. Ведрученко В. Р., Четвергов В. А. Системный анализ топливоиспользования в тепловозах // Повышение эффективности эксплуатации локомотивов и совершенствование их конструкций: Межвуз. сб. науч. тр: / Ростов, ин-т инж. ж.-д. транспорта. Ростов-на-Дону, 1988. С. 60-64.
ВЕДРУЧЕНКО Виктор Родионович, д-р технических наук, профессор кафедры «Теплоэнергетика». КРАЙНОВ Василий Васильевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика». КОКШАРОВ Максим Валерьевич, преподаватель кафедры «Теплоэнергетика».
ГАЛИМСКИЙ Евгений Викторович, аспирант кафедры «Теплоэнергетика».
