О Г А Х

Кафедра С А П Р

Конспект лекций по дисциплине:

«Основы автоматизированного проектирования сложных объектов и систем »

Не отрицай того, чего не знаешь, не сомневайся ни в чем, но исследуй и увидишь; все воистину, существует, не удивляйся перед новым, ибо ни что не ново; не ужасайся перед неизвестным, но сделай его себе известным; не пугайся перед трудностью и непостижимостью задачи, ибо ничего трудного и недостижимого не бывает…

Глава1. Анализ сложных объектов и систем

1.1 Общая характеристика проблем автоматизации проектирования. Сложные системы.

ВВЕДЕНИЕ

Человечество вступило в XXI век, в котором придётся решать ряд сложных проблем, связанных с экологией, поиском новых источников энергии, материалов и технологий. Определяющая роль в решении названных проблем отводится информационным технологиям.

Среди информационных технологий автоматизация проектирования занима­ет особое место. Во-первых, автоматизация проектирования - синтетическая дисциплина, ее составными частями являются многие другие современные информационные технологии. Так, техническое обеспечение систем автомати­зированного проектирования (САПР) основано на использовании вычислитель­ных сетей и телекоммуникационных технологий, в САПР используются персональные компьютеры и рабочие станции. Математическое обеспечение САПР отличается богатством и разнообразием используемых методов вычислительной математики, статис­тики, математического программирования, дискретной математики, искусст­венного интеллекта. Программные комплексы САПР относятся к числу наи­более сложных современных программных систем, основанных на операционных системах Unix, Windows-NT, языках программирования С, С++, Java и других, современных CASE-технологиях, реляционных и объектно-ориен-тированных системах управления базами данных (СУБД), стандартах открытых систем и обмена данными в компьютерных средах.

Во-вторых, знание основ автоматизации проектирования и умение работать со средствами САПР требуются практически любому инженеру-разработчику. Компьютерами насыщены проектные подразделения, конструкторские бюро и офисы. Предприятия, ведущие разработки без САПР или лишь с малой степенью их использования, оказываются неконкурентоспособными вследствие как больших материальных и временных затрат на проектирование, так и невысокого качества проектов.

Предпосылки появления системы автоматизированного проектирования (САПР).

Современный этап научно-технической революции характеризуется рядом объективно существующих закономерностей, оказывающих заметное влияние на темпы научно-технического прогресса. Эти закономерности можно проиллюстрировать следующими количественными показателями развития техники в ведущих отраслях промышленности:

- число различных классов технических систем удваивается в среднем через каждые 10 лет;

- сложность изделий по числу деталей и узлов возрастает в два раза через 15 лет;

- объём научно-технической информации, используемой в конструкторских разработках, удваивается за каждые 8 лет.

Орудиями труда конструкторов-проектировщиков на протяжении многих десятилетий оставались карандаш, бумага, резинка, кульман, лекала, справочники, логарифмическая линейка или в лучшем случае арифмометр. Так по усреднённым данным в технически развитых странах за период с 1900 по 1960 гг. производительность труда в сфере производства возросла примерно на 1000 % , а в конструировании лишь на 20 %.

По этой причине в 60-х годах отмечается «кризис» в проектировании. Стала очевидной настоятельная необходимость поиска путей и средств существенного повышения производительности труда конструкторов при одновременном увеличении качества проектно-конструк-торских работ.

Большие надежды в связи с этим были связаны с использованием в проектировании ЭВМ. С момента появления ЭВМ широко применялись для выполнения вычислений для научных и инженерно-технических задач.

Хотя попытки внедрения ЭВМ в процесс проектирования относится к концу 50-х годов, первые практические результаты были получены лишь во второй половине 60-х годов. К этому времени появились ЭВМ, имеющие средства ввода и вывода графической информации, а также развитые системы математического обеспечения. Стало возможным использовать ЭВМ в диалоговом режиме, что существенно повышало эффективность процесса автоматизированного проектирования. Уже при создании САПР первого поколения ставилась задача объединить в интегральную систему все имеющиеся в распоряжении программы. В полной мере эту задачу удалось решить лишь в 70-х года, когда появились САПР второго поколения.

Общая характеристика проблем автоматизации проектирования

Под термином «проектирование» обычно по­нимается процесс создания проекта – прототипа, прообраза предполагаемого или возможного объекта. Проектирование, при котором происходит взаимодействие человека и ЭВМ называют автоматизированным. Объектами проектирования могут быть и технические системы, такие, как самолет, ракетный ком­плекс, корабль, и народнохозяйственные, экономические систе­мы и т. д.

Сложность проектируемых объектов. Сложность используемой и, главным образом, создающейся техники, сложность используемых технологий, транспортных и производственных связей непрерывно растет (принято говорить об экспоненциальном росте характеристик сложности). В этом и состоит главная особенность развития производственной деятельности на современном этапе.

Конструкции, которые создают инженеры, все в большей степени используют знания, добываемые в смежных науках. Объединение радиоэлектроники, тепловых процессов, газовой динамики и многого другого при создании одной конструкции является типичным для современного энергетического машино­строения, ракетостроения, самолетостроения. Резкое усложнение всевозможных производственных связей, технологий, переход к новым материалам качественно усложняют работу проекти­ровщика производственного комплекса, в результате чего его сегодняшняя деятельность качественно непохожа на проектную работу пятидесятилетней давности.

По оценкам специалистов сложность продукции машиностроения выросла в среднем в шесть раз за последние три де­сятилетия. А как изменился арсенал средств, используемых конструктором, и сами процедуры проектирования? Очень не­много. Вот почему усложнение проектируемых конструкций приходит в противоречие с традиционными принципами проектирования, которые всегда предполагали, что главный конструк­тор имеет возможность целостного представления о проекти­руемой конструкции.

Поскольку физиологические возможности человека ограни­чены, а сложность создаваемых конструкций непрерывно ра­стет, то очевидно, что однажды этот тезис перестает быть спра­ведливым. В последние десятилетия мы начинаем все чаще сталкиваться с ситуациями, когда главный конструктор или руководитель проекта уже не может эффективно вмешиваться в процесс проектирования. Из творца, создателя конструкции ; он превращается, в лучшем случае, в хорошего администра­тора.

Поэтому на повестку дня выдвигается проблема принципиального изменения всей технологии проектирования — проблема автоматизации проектирования. Ее особенность — широкое использование информационных технологий, т.е. современных способов обработки информации и представления ее в таком виде, который позволил бы конструктору, проектировщику до конца использовать свои твор­ческие возможности. В последние годы этой проблеме уделяется все большее и большее внимание, причем такое явление характерно для всех индустриально развитых стран, создающих сложные образцы техники и реализующих проекты сложнейших народнохозяйственных комплексов. Постепенно автома­тизация проектирования стала одной из областей наиболее перспективного использования вычислительной техники и методов междисциплинарных исследований процессов разной физической природы.

Анализ и синтез процесса проектирования. Для успешного решения всякой сложной проблемы необходимо её расчленить, на отдельные, более простые. Точно так же и сложный проект требует расчленения процесса проектирования на проектирование отдельных подсистем и агрегатов, разделения обязанностей между различными конструкторами, проектировщиками и исследователями-расчетчиками. Такое положение возникло уже давно: создание проекта самолета, крупной водохозяйственной или технологической системы — это всегда дифференцированный труд большого коллектива.

Но расчленение проблемы необходимо предполагает и обратный процесс — процесс объединения, согласования характеристик отдельных частей системы, синтеза, который дает возможность представить конструкцию в целом, оценить ее разно­образные качества и соответствие замыслу.

Расчленение процесса проектирования поначалу не вызыва­ла проблем. Возьмем, например, такую техническую систему, как самолет. Проектирование планера естественным образом отличается от выбора и проектирования двигателя. Аэродина­мические и прочностные расчеты делают представители раз­личных профессий и т. д. Такая неё ситуация наблюдалась всю­ду. И всюду постепенно возникали традиционные формы раз­деления труда.

Долгое время и процесс синтеза проекта также не вызывал особых проблем: по мере усложнения проектируемых конструкций совершенствовались и методы проектирования. Но с тече­нием времени все чаще эти традиционные методы проектиро­вания стали давать сбои.

Прежде всего, начали недопустимо удлиняться сроки проек­тирования. Но это было бы еще полбеды. Хуже то, что на испытания стали поступать конструкции, все менее и менее соответствующие замыслу, и у конструктора до начала испыта­ний не оказывалось возможности достаточно хорошо проверить, насколько созданные им машина или технологический комплекс соответствуют замыслу. В результате — неизбежные переделки, резкое удорожание конструкции и удлинение сроков реализации замысла до десятилетий. А это означает, что в строй вводится конструкция (или технология) уже устаревшая, отвечающая техническому уровню минимум десяти — двадцатилетней дав­ности.

Анализируя эти явления, мы убеждаемся в том, что основ­ные трудности связаны с синтезом, с увязкой всего много­образия особенностей будущей конструкции. Эти трудности растут экспоненциально вместе с ростом размерности, т. е. коли­чества параметров, которые определяют конструкцию. Квали­фикация проектировщиков здесь мало чем может помочь: традиционная технология в принципе не может справиться с возрастающей сложностью проекта, и надо менять технологию проектирования.

Возникновение и формирование концепций автоматизиро­ванного проектирования происходило примерно по следующей схеме.

Сначала начали автоматизировать чертежные работы — эту очень трудоемкую часть любого процесса проектирования. По­явились чертежные автоматы. Они, конечно, оправдали затра­ченные средства. Однако ничего принципиально улучшающего проект или ускоряющего его Окончание они не внесли, да и не могли внести.

Одновременно шло широкое внедрение в практику инженерных расчетов (например, прочностных, гидравлических, аэро­динамических характеристик и т. д.) методов машинной ма­тематики. Эти методы существенно усовершенствовали разно­образные процедуры проектных расчетов, свели к минимуму возможные ошибки, повысили общую культуру проектирования, однако также не привели к какому-либо существенному сокра­щению сроков проектирования.

Надо заметить, что с использованием ЭВМ для проведения инженерных и плановых расчетов были связаны большие на­дежды. Но они во многом не оправдались. Конечно, в этом была вина не ЭВМ, а специалистов, которые еще не научились их использовать. Фактически долгое время ЭВМ играли роль больших арифмометров. С их помощью быстрее и точнее решались отдельные инженерные задачи, но серьезно повлиять на судьбу проекта, заметно ускорить окончание работы и улучшить ее качество они еще не могли.

Следующий этап — создание автоматизированных рабочих мест конструктора. Это — уже новый уровень мышления. Рабо­чие места оказывались непосредственно связанными с ЭВМ, которая заменила конструктору традиционную линейку или арифмометр, появились простейшие дисплеи, позволившие кон­структору реализовать обратную связь с ЭВМ. Идея автомати­зированных рабочих мест появилась в конце шестидесятых го­дов, одновременно с появлением систем разделения времени. С их внедрением также было связано немало надежд. И хотя эти надежды далеко не все оказались оправданными, затраты на создание автоматизированных рабочих мест, конечно, вполне окупились результатами. Одно то, что они потребовали зна­чительного повышения квалификации и общей эрудиции кон­структора, уже давало многое. Еще одним важным следствием появления автоматизированных рабочих мест было внедрение идей диалога-ЭВМ — конструктор. Это была важная характе­ристика определенного этапа развития идей автоматизирован­ного проектирования. До сих пор с ЭВМ работал математик — это он решал задачи, в которых нуждался конструктор. Теперь же сам конструктор получал возможность сидеть за терминалом электронной машины. Это не могло не сказаться на качестве проектов.

Однако и автоматизация рабочих мест конструктора, которая произошла в ряде стран в начале семидесятых годов, также не решила основной проблемы. Сроки между возникновением замысла конструкции и ее реализацией по-прежнему оставались значительными. Конструкции (или их опытные образцы), предъ­являемые к испытаниям, требовали в процессе испытаний мно­гочисленных и трудных доделок, а подчас и существенного из­менения.

Во всех тех ситуациях, когда проверочных испытаний не существует, например, при создании промышленных комплек­сов, дефекты проекта (которые просто невозможно обнаружить до тех пор, пока замысел не реализован) могли оборачиваться подчас трагедией. Да иначе и быть не могло, ибо рабочие ме­ста конструктора — это лишь часть общей системы проектиро­вания.

Стала очевидной необходимость создания взаимоувязанной системы проектирования, включающей и систему программ для инженерных расчетов, и автоматизированные рабочие места, и разнообразные диалоговые процедуры, и, конечно, автоматиза­цию всех графических работ. Сейчас во многих странах ведется интенсивная работа в области создания и ввода в строй подоб­ных автоматизированных систем проектирования.

Пока еще рано подводить итоги, говорить о результатах эксплуатации таких систем и об их эффективности. С их вво­дом связывают большие надежды, поэтому автоматизирован­ное проектирование переживает определенный бум.

Математическое обеспечение проектных решений. Прежде всего, для автоматизированного проектирования необходима весьма совершенная вы­числительная техника совместно с развитой системой ее кол­лективного использования. Системы проектирования, как они задумываются сегодня, требуют коллективного использования банков данных, систем моделей и программ. Создание специализиро­ванного математического обеспечения потребует также многих и многих лет упорной работы многочисленных коллективов вы­сокой квалификации: по современному представлению, любая система автоматизации проектирования—это прежде всего сложнейшая имитационная система.

Поясним содержание некоторых трудностей, которые встают перед специалистами, которые занимаются проблемами ис­пользования ЭВМ в проектировании. Предположим, что в на­шем распоряжении есть совершенный вычислительный ком­плекс и с его помощью мы хотим определить (выбрать) ха­рактеристики создаваемой конструкции. Но эффективность лю­бой сложной конструкции, будь то промышленный комплекс, самолет или водохозяйственная система, определяется тысяча­ми различных параметров. Не будем же мы перебирать все возможные сочетания этих параметров в режиме слепого диа­лога! Любая ЭВМ, даже гипотетической мощности, для этого окажется чересчур слабой. Значит, прежде всего, должен быть экономный способ организации поиска наилучшего варианта.

По существу, сказанное и означает необходимость создания специальной системы правил и алгоритмов, которые составят основу новой технологии автоматизированного проектирования сложных объектов. Без создания новой технологии системы автоматизированного проектирования, подобно автоматизиро­ванным рабочим местам, будут полезным инструментом, кото­рый, конечно, усовершенствует процесс проектирования, но вряд ли внесет в него те изменения, которые его качественно улучшат.

Итак, центральная задача в создании систем автоматизиро­ванного проектирования — это разработка новой технологии проектирования. И, конечно, разработка такой технологии уже начата во многих КБ и проектных организациях, где создаются и начинают использоваться подобные системы. Приспособление конструкторов, проектировщиков к новой технике, использова­ние нового математического обеспечения — элементы этой ро­ждающейся технологии. Но ее создание носит в значительной степени интуитивный характер и не превратилось пока в целе­направленные совместные исследования инженеров-проктировщиков и математиков.

С чего должна начинаться подобная деятельность? Вот как отвечает на такой вопрос один из ве­дущих конструкторов самолетов, покойный ныне П. О. Су­хой. Ответ был совершенно однозначный: «Вы, машинные ма­тематики, должны помочь прежде всего мне — генеральному конструктору. Вместе со мной вы должны разработать такую методику проектирования, которая позволяла бы уже на самых ранних этапах проектирования достаточно правильно выбрать основные параметры конструкции и оценить различные харак­теристики ее эффективности и на протяжении всего процесса проектирования контролировать изменение этих характеристик так, чтобы в результате предъявить к испытаниям конструкцию, уже не требующую доводок. Ошибку, которую допустит кон­структор при «завязке» проекта, уже не исправить совершен­ством инженерных расчетов и чертежными автоматами».

По-видимому, эти принципы — основополагающие. И их реа­лизация может действительно решающим образом улучшить существующее положение с проектированием сложных объектов. В то же время надо отдавать себе отчет в том, что задача эта далеко не проста, работа над созданием САПР – это постоянная форма деятельности многих коллективов. Сегодня пока может идти речь лишь о некоторых упрощённых вариантах САПР в приоритетных областях современный техники (военная, аэрокосмическая, микропроцессорная, систем массового обслуживания и др.)

Неформальные процедуры процесса проектирования. Теперь сделаем несколько замечаний о «теории» неформаль­ных процедур и ее применимости к проектированию сложных технических конструкций. Создание сложных технических кон­струкций, подобных производственному комплексу, самолету, электронной машине, — это прежде всего творческий акт, и он не может быть никогда до конца формализован. Этот факт мы будем считать аксиомой и из неё будем исходить. Следует заме­тить, что целый ряд специалистов, как за рубежом, так и у нас полагают, что акт творчества в проектировании в значительной степени может быть заменен специально организованной си­стемой обработки статистического материала. Статистическая обработка параметров существующих (или возможных) конструкций, конечно, очень важна, и ее ни в коем случае не сле­дует недооценивать. Но ее недостаточно в принципе. Исполь­зование только одного статистического материала позволяет создать конструкцию, лишь имеющую аналоги в отдельных технических решениях, т. е. подобную (или близкую) уже су­ществующим. Действительно оригинальные конструкции, тре­бующие качественно новых технических решений, конструкции завтрашнего дня всегда требуют нетрафаретного мышления, смелости и таланта. Получать их на основе статистики невоз­можно— это тоже постулат, который мы примем. Но, приняв в качестве постулата невозможность полной формализации, надо сделать и следующий шаг — понять место и значение формаль­ных методов, т. е. методов, использующих математическое опи­сание решаемых задач, понять, чем и как они могут быть по­лезны конструктору, как они должны быть объединены с не­формальными процедурами.

Сегодня проблемы изучения и организации эвристических процедур привлекают внимание широкого круга специалистов. Уже сегодня существует достаточно прочная основа в накопленных знаниях и понимании предмета, позволяющая строить эвристические процедуры не только интуитивно.

При проектировании сложных конструкций важнейшим яв­ляется принцип разделения, о котором мы подробно говорили в предыдущей главе. Заметим, что этот принцип — принцип де­композиции— лежит, по существу, в основе всех технологий проектирования, если речь идет, конечно, о достаточно сложных конструкциях. И это легко понять, так как конструктор, как бы талантлив он ни был, может оперировать только с относи­тельно небольшим объемом информации (параметров, критериев и т. д.). Поэтому вся технология проектирования должна быть такой, чтобы каждому отдельному субъекту — участнику процедуры — приходилось решать только относительно простые задачи. Весь успех, в конечном счете, зависит от этого. Здесь же необходимо отметить еще одну особенность. Это разделение — декомпозиция — должно быть приспособлено и к сборке — синтезу. К сожалению, никаких общих рекомендаций здесь нет. В каждом отдельном случае иерархическая структура задач, решаемых проектировщиками, и внутренние связи между задачами должны изучаться и проектироваться специ­альным образом.

Поясним сказанное на примере проектирования самолета, хотя многое из того, что будет говориться ниже, справедливо для любых сложных конструкций. На вершине рассматривае­мой иерархии находится главный конструктор машины, и перед ним стоит проблема такого выбора (назначения) параметров, который бы обеспечил решение задач, поставленных заказчи­ком. Если речь идет о пассажирском самолете, то заказчик — Министерство гражданской авиации (ГВФ). Он хочет, напри­мер, иметь самолет для грунтовых аэродромов, который был бы лучше тех, которые он сегодня эксплуатирует, — ЯК-40, АН-24 и т. д. Если речь идет об истребителе, то заказчик хочет иметь самолет, который был бы лучше, существующих истребителей (в частности, побеждал бы в бою существующие истребители). Задача так и должна ставиться — это естественная постановка на естественном языке. Сформировать же некоторый функцио­нал F(х), зависящий от всех параметров самолета x, максими­зация которого гарантировала бы решение задачи, никакой ма­тематик или конструктор не в состоянии. Более того, в реально­сти функционал F(х) зависит не только от конструктивных параметров самолета х, но и от большого количества неопреде­ленных факторов у  Y, характеризующих среду, в которой самолет будет функционировать (к факторам у относятся и конструктивные параметры объектов противодействия противника). Таким образом, F = F(х, у).

Тем не менее, объективно такой функционал существует до­статочно часто, во всяком случае, всегда, когда технический уровень промышленности и уровень знаний законов функцио­нирования конструкции позволяют в принципе создать подоб­ный самолет, т. е. если поставленная задача разрешима. В са­мом деле, если будут представлены две конструкции, то эксперт (заказчик, генеральный конструктор), проведя всесторонние испытания, сможет выбрать лучшую. Условия, когда это возможно, мы будем, называть условиями компетентности. Они означают, что у нас (точнее, у заказчика или конструктора) есть представление о том, что значит «лучше». Только в этих условиях имеет смысл решать задачу, и только в этих условиях мы можем выбрать лучшую конструкцию. Если заказчик или конструктор не могут из двух образцов выбрать лучший, то это означает, что либо эти конструкции равноценны, либо наш кон­структор не удовлетворяет требованиям компетентности, — в обоих случаях математик ничем не может помочь.

Таким образом, перед главным конструктором стоит, вообще говоря, непосильная задача выбора вектора параметров х, обеспечивающих максимум некоторой свертки Ф(х) функцио­нала F(х,у) по у, который мы не можем не только выписать в явном виде, но и описать на формальном языке.

Рассмотрев общие характеристики автоматизированного проектирования сложных объектов и систем, перейдём к изложению основ САПР, которые сформировались в науке о проектировании в настоящее время.

Сложные системы.

Понятие системы.

Впервые основные принципы динамического моделирования механических систем были рассмотрены в знаменитом труде И. Ньютона „Математические начала натуральной философии” (1687 г.). В современной формулировке под механической системой понимают совокупность механически взаимодействующих материальных точек, для которой положение и движение каждой из точек системы зависит от положения и движения всех остальных элементов данной системы. Причём движение механических систем определяется не только внешними и внутренними силами, но и распределением масс, т.е. интегральной инерцией системы. В аналитической теории механических систем, основателем которой является французский математик Жозеф Луи Лагранж, показано, что положение системы в пространстве определяется обобщёнными координатами (фазовыми переменными), а её движение описывается дифференциальными уравнениями Лагранжа II рода.

Развитие механики оказало существенное влияние на естественнонаучную методологию, философское мировоззрение и становление современной физической картины мира. Это влияние также сказалось и на общей теории систем. Данная теория в виде специальной концепции была впервые сформулирована в 30-е годы ХХ в. Л. Фон Берталанфи. Позднее методологические вопросы исследования систем разрабатывались В.М.Глушковым, Н.П.Бусленко, А.И.Уёмовым, Ланге, Месаровичем и др. В этой теории понятие системы является элементарным, т.е. оно не может быть определено с помощью ещё более простых понятий. Таким образом, понятие «система» относится к числу тех, для которого трудно дать корректное определение. Приведём, однако, достаточно установившееся в системном анализе, определение понятия системы, которое хорошо согласуется с естественнонаучной методологией.

Система – это множество объектов вместе с отношениями между объектами и между

их атрибутами (свойствами) ( А.Холл, Р.Фейджин , 1956 г.).

Объекты - суть просто части или компоненты системы.

Атрибуты – это свойства объектов.

Отношения – суть такие, с помощью которых система объединяется в одно целое.

При этом следует понимать, что всякая система представляет собой объект системы более высокого порядка, а объекты системы являются системами более низкого порядка.

Напротив, множество объектов, которые не связаны никакими свойствами и отношениями систему не образуют. Например, рассмотрим три независимых объекта – пружину, груз некоторой массы и кронштейн. Стоит только прикрепить пружину к кронштейну и привесить на ней груз, как между ними появятся особые отношения, которые определят механическую систему. Пружина удлинится, а груз будет находиться в покое под действием силы тяжести и силы упругости. Но стоит вывести груз из положения равновесия, либо раскачивать точку привеса пружины, как этот груз станет совершать колебательное движение.

Следует также отметить ещё одно, существенно, важное свойство (атрибут) систем – это их функционирование (движение), которое обусловлено внешними и внутренними отношениями (взаимодействиями). Ибо всякий объект без относительно к чему-либо внешнему является «вещью в себе», т.е. не существует. Таким образом, природа и сущность систем проявляется через её функционирование (движение).

«Движение, понимаемое как внутренне присущий материи атрибут, обнимает собою все происходящие во Вселенной процессы и явления, начиная от простого перемещения и кончая мышлением» («Диалектика природы», Ф.Энгельс). Следовательно, под движением материи понимается не только простое перемещение тел в пространстве, но и любые изменения, происходящие в системах при тепловых, электромагнитных, химических, биологических, информационных, общественных, экономических и других процессах и явлениях. В связи с этим система является «простой», если её функционирование характеризуется однородной (однотипной) формой взаимодействия её объектов.

Понятие сложных систем

Сложными системами являются также: живой организм, промышленное предприятие, отрасль промышленности, экономический регион, система социального обеспечения, операционная система ЭВМ.

Примеры сложных систем

Животные и растения Ботаник старается найти похожие и оличительные черты у разных растений, изучая их морфологию, т.е. их форму и структуру. Растения – это сложные многоклеточные организмы. В результате совместной деятельности различных систем и органов растения возникают сложные процессы, как фото синтез и обмен веществ с окружающей средой. Растения состоят из трех основных структур (корни, ствол, стебли и листья), и каждая из них имеет свое усройство. Корни, например, состят из ветвей, волос, вершины и шапки. Если же сделать напрмер, разрез листа, то мы увидим, что он состоит из эпидермия, мезофила и сосудистой ткани. Каждая их этих структур в свою очередб представляет собой набор клеток. Внутри каждой клетки существует следцющий уровень сложности. Который включает хлоропласты, митохондрию, ядро и т.д. По аналогии со структурой компбютера части растения формируют иерархию, и каждый уровень этой иерархии отражает свой уровень сложности

Материя. Иследования в таких разных областях, как астрономия и ядерная физика, дают нам много примеров очень сложных систем. Расмотрев эти две дисциплины, мы найдем дополнительные примеры структурной иерархии. Астрономы занимаются изучением галактик и их составляющих: звезд, планет и других небесных тел. Ядерные физики имеют дело со структурной иерархией физических тел сосвсем другого масштаба. Атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов; электроны. по-видимому. являются элементарными частицами, но протоны, нейтроны и другие частицы формируются из еще более мелких компонент, называемых кварками.

Однако эти две совершенно различные по масштабу и структуре физичкеские системы подчиняются одним и тем же законам взаимодействия. На самом деле оказывается, что во вселенной существуют всего четыре типа сил, гравитационная, электромагнитная, сильное взаимодействие и слабое взаимодействие. И многие законы физики, подразумевающие наличие этих элементарных сил, такие, как закон сохранения энергии и момента, можно применить и к галактикам, и к кваркам.

Общественные институты. Группы людей собираются вместе для решения задач, которые не могут быть решены отдельными личностями. Некоторые организации бвстро распадаются, а некоторым удается продержаться на протяжении нескольких человеческих жизней. Чем больше организация, тем отчетливее видна в ней иерархическая структура. Мультнациональные корпорации состоят из компаний, которые в свою очередь состоят из подразделений, содержащих различные филиала. Последним принадлежат уже отдельные офисы и т.д. На протяжении существования организации границы между этими частями могут изменяться, так что с течением времени старая иерархия путем эволюции трансформируется в новую, более стабильную.

Отношения между разными частями организации такие же, как и между компонентами компьютера, растения, галактики. Таким образом, степень взаимодействия между сотрудниками одного учреждения, несомненно, выше, чем между сотрудниками двух разных учреждений. На первый взгляд это не совсем так: почтовый клерк, например, обычно невзаимодействует с исполнительным директором компании, а в основном обслуживая посетителей. Однако клерка и директора, принадлежащих разным уровням иерархии, объединяет общий еханизм функционирования компании. Работа и клерка, и директора оплачивается одной финансовой организацией, и оба они пользуются общей аппратурой, в частности внутренней телефонной системой компании для решения своих задач.

Пять признаков сложной ситемы

Основываясь на работе Саймона и Эндо, Куртуа предлагает следующие пять признаков сложной системы.

1. «Сложность часто представляется в виде иерархии. Сложная система обычно состоит из взаимозависимых подсистем, которые в свою очередь также могут быть разделены на подсистемы, и т.д. вплоть до самых низших уровней абстракции» (6).

Тот факт, что многие сложные системы имеют разложимую на составляющие иерархическую структуру, является главным факторм, позволяющим нам понять, описать и даже «увидеть» такие системы и их подсистемы [7]. В самом деле, скоре всего мы сможем понять лишь те системы, которые имеют иерархическую структуру.

2. Выбор низшего уровня абстракции достаточно произволен и в большой степени определяется наблюдателем.

Низший уровень для одного наблюдателя может оказаться уровнем достаточно высокой абстракции для другого.

Саймон называет иерархические системы «разложимыми», если они млгут быть разделены на четко узнаваемые чати, и «почти разложимыми», если их составляющие не являются абсолютно независимыми.

3. «Внутриэлементные связи обычно сильнее межэлементных связей. Аоэтому высокочастотные взаимодействия внутри структуры оказываются естественным образом отделены от низкочастотных взаимодействий между структурами.[8].

Различие между внутри- и межэлементными взаимодействиями обуславливает разделение системы на абстрактные автономные части, которые можно изучать по отдельности.

Как мы уже говорили, многие сложные системы организованы достаточно экономно в смысле способов выражения. Отсюда – следующий признак сложных систем.

4. «Иерархические системы обычно состоят из нескольких подсистем разного типа, реализованных в различном порядке и в разнообразных комбинациях»[9].

Иногда, (например, клетки растений и животных) можно обнаружить подсистемы, общие для различных сфер функционирования всей системы.

Выше мы говорили, что сложные системы имеют тенденцию к развитию во времени. Саймон считает, что сложные системы будут развиваться из простых гораздо быстрее, если для них существуют устойчивые промежуточные формы[10].

5. «Работающая сложная система неизбежно оказывается результатом развития работающей простой системы… Сложная система, разработанная от начала до конца на бумаге, никогда не работает и нельзя заставить ее заработать. Вы должны начать с работающей простой системы[11].

В процесе развития системы объекты. Которые сначала считаются сложными, начинают расматриваться как элементы низших уровней абстракции, из которых затем строятся более сложные системы.

Организованная и неорганизованная сложность

Каноническая форма сложной системы.

Наиболееинтересные системы содержат много разных иерархий. В самолете, напрмер, можно выделить системы силовой установки, управления полетом и т.д. такое разбиение дает структурную иерархию типа «это – часть того». Но одновременно эту же систему можно расмотреть по-другому. Например, турбореактивный двигатель – особый тип реактивного двигателя, а «Pratt and Whithey TF30» – особый тип турбореактивного двигателя. Определенный другим путем «реактивный двигатель» представляет обобщение свойств. Присущих любому типу реактивного двигателя; турбореактивный двигатель – это просто особый тип реактивного двигателя со свойствами, которые отличают его, например, от прямоточного двигателя. Эта вторая иерархия представляет собой «типовую» иерархию. Мы выделяем соответственно типовую и структурную иерархии, называя их соответственно структурой класов и структурой объектов.

Все сложные системы можно представить одной и той же (канонической) формой, представленной на рис 1-1. Здесь мы видим две разные иерархии принадлежащих одной системе: структуру класов и структуру объектов. Каждая иерархия является многоуровневой. В которой более абстрак ные классы и объекты построены на базе примитивных. Выбор класса или объекта, соответствующего низшему уровню абстракции, зависит от конкретной задачи. Среди объектов одного уровня существуют четко выраженные связи, особенно это каается компонентов структуры объектов. Любому расматриваемому уровню абстракции соответствует свой уровень сложности. Структуры класов и объектов не являются независимыми: каждый объект в структуре объектов представляет определенный клас. Объектов в сложной системе обычно гораздо больше чем класов.

Обычно наиболее успешными программными системами являются те, в которых заложены хорошо продуманные структуры класов и объектов и которые обладают пятью признаками сложных систем.

Человеческие возможности и сложные системы.

Когда мы начинаем анализировать сложную систему, в ней обнаруживается много составных частей, которые взаимодействуют друг с другом различными сложными способами, причем ни сами части системы, ни пути их взаимодействия не обнаруживают никакого сходстваю Когда мы начинаем в процессе проектирования вносить в систему элементы организованности, мы должны думать сразу о многих вещах. При анализе дискретных систем необходимо рассматривать большие, сложные и не всегда детерминированные пространства состояний. К сожалению, один человек не может отслеживать все это одновременно. Психологи, (например, Миллер) считают, что максимальное количество единиц информации. Которое человеческий мозг может одновременно обработать, не превышает 7 . Этот объем связан, по-видимому, с объемом кратковременной памяти у человека. Саймон отмечает также, что дополнительным ограничивающим фактором является скорость обработки мозгом поступающей информации: ему требуется примерно 5 с. На каждое новое событие . Таким образом, мы столкнулись с серъезным препятствием: требуемая сложность программных систем возрастает, а способности нашего мозга контролировать эту сложность остаются на прежнем уровне.

Обеспечение целостности описания сложной системы.

Понятие целостного описания системы является центральным в системотехнической деятельности.

На его базе строится понятийный аппарат. Целостное описание системы должно давать представление о система как едином целом состоящем из взаимодействующих в интересах достижения поставленной цели частей.

Причинами затрудняющими получение целостного описания является многоаспектность и полидекомпозируемость систем.

Для обеспечения целостного описания системы необходимо решить следующие задачи:

• сформулировать совокупность представлений системы и проанализировать их взаимосвязи;

• выделить формы представления сложной системы;

• провести классификацию моделей, как форм представления сложной системы.