Кириллов Н.П. Признаки класса и определение понятия технические системы

Подождите немного. Документ загружается.

АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2009 г. № 8 1

ПРИЗНАКИ КЛАССА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ

“ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ”

Н.П. Кириллов

Учреждение Российской академии наук Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации РАН

Определены функциональные признаки объектов, относящихся к классу “технические системы”. Сформу-

лированы вербальные определения понятий “техническая система” (ТС), “техническая подсистема”,

“устройство” и “деталь”, которые не имели до настоящего времени обоснованных формулировок, позволя-

ющих корректно осуществить классификацию и разделение по этим категориям различных технических

объектов. Полученные результаты позволяют перейти к предметному исследованию общесистемных

свойств процессов функционирования технических систем в целях разработки прототипов и методов ква-

лиметрии моделей этого класса объектов.

SIGNS OF CLASS AND DETERMINATION OF CONCEPT “TECHNICAL SYSTEMS”

N.P. Kirillov

Establishment of the Russian Academy of Sciences the S.-Petersburg institute of computer science and automation

of the Russian Academy of Sciences

Functional signs of the objects which are belonging to the class “technical systems” are defined. Verbal definitions

of concepts “technical system”, “technical subsystem”, “device” and “detail” which had till now no the proved

formulations allowing correctly to carry out classification and division on these categories of various technical ob-

jects are formulated. The received results allows to pass to subject research of the general properties of processes

of functioning of technical systems for the purpose of working out of prototypes and methods qualimetry models of

this class of objects.

Ключевые слова: техническая система, формирование знаний, моделирование в пространстве состояний,

онтология

Keywords: technical system, creation of knowledge, modeling in the problem space, ontology.

Термин “ТС”, несмотря на его широкое исполь-

зование, до сих пор не имеет своего общепринятого

определения, представленного в виде онтологиче-

ской модели (онтологии) этого понятия. Под онто-

логией здесь понимается совокупность классифи-

кационных признаков ТС (концептов) и связей

(отношений) между ними, достаточных для одно-

значного сопоставления этому классу соответ-

ствующих ему объектов. Необходимость в нали-

чии такой онтологии представляется очевидной

для решения, по крайней мере, следующих акту-

альных прикладных задач:

 задачи совершенствования методов и методик

формирования структурированных знаний о пра-

вилах (моделях) функционирования технических

систем и принятия решений в нештатных ситуа-

циях по информации, содержащейся в их исходных

вербальных описаниях;

 задач разработки предметно-ориентированной

системы понятий, систем классификации и тео-

рии оценивания моделей ТС (теории и методов

квалиметрии моделей), предназначенных для

оценки трудоемкости процессов разработки

программного обеспечения АСУ ТС и требуемых

для этого затрат, а также для решения задач пла-

нирования и управления ходом соответствующих

работ.

Известно [1], что наиболее результативный ме-

тод решения творческих задач (к ним в полной ме-

ре относятся и упомянутые задачи), заключается в

предварительной разработке и последующем ис-

пользовании общесистемных прототипов моделей

соответствующих предметных областей. При этом

имеет место следующая особенность: чем больше

содержится в таких прототипах информации об

общесистемных свойствах и закономерностях

предметной области, тем проще решать задачи

связанные с необходимостью моделирования ее

конкретных представителей.

Очевидно, что в рассматриваемой предметной

области в качестве таких прототипов должны ис-

пользоваться модели процессов функционирова-

ния объектов класса “технические системы”. Но

для их построения требуется сначала предвари-

тельно определить общесистемные признаки

и свойства этого класса.

2 АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2009 г. № 8

Характеристика решаемой проблемы

В настоящее время понятие “ТС” чаще всего

отождествляют со ставшим де-факто общепринятым

определением понятия “система”: техническая си-

стема – это совокупность упорядоченно взаимо-

действующих элементов, обладающая свойствами,

не сводящимися к свойствам отдельных элементов

и предназначенная для выполнения определенных

полезных функций [2].

Подобные определения ТС почти не содержат

в себе информацию о признаках класса, которую

можно было бы использовать для построения

общесистемной модели-прототипа процессов их

функционирования. Концептуальные недостатки

такого рода определений “системы” относительно

возможностей их прикладного использования по-

дробно анализируются в [3]. В частности, в соот-

ветствии с ними любой многоэлементный искус-

ственный объект может рассматриваться в каче-

стве ТС. Кроме того, такие широкие возможности

в признании различных объектов в качестве ТС

противоречат обычному интуитивному восприя-

тию одних искусственных объектов в качестве

технических систем, а других (устройство, деталь

и т.п.) – только в качестве их элементов.

Проблема разработки онтологии технических

систем обусловлена разнообразием целей ее по-

следующего использования; многообразием воз-

можных позиций (точек зрения), с которых этот

анализ может осуществляться наблюдателями;

многомерностью и полисемией свойств и призна-

ков ТС; сложностью смысловых взаимоотношений

указанных факторов между собой. Разнообразие

этих факторов и зависимость от них онтологиче-

ской модели означает, что каждой технической

системе в общем случае может быть сопоставлено

множество отличных друг от друга вариантов

онтологий.

Цель данной работы состоит в формировании

онтологии, содержащей информацию об общеси-

стемных свойствах процессов функционирования

ТС, достаточную для определения понятия класса:

“технические системы”.

Онтологические признаки класса “ТС”

Для решения поставленной задачи наибольший

интерес представляет определение системы, сфор-

мулированное на основе использования функцио-

нальных свойств материальных объектов, относя-

щихся к классу “система”. Такое определение

предложено в работе [3]. Оно сформулировано

в развитие гипотезы академика П.К. Анохина

о концептуальной общности структурно-функ-

ционального состава моделей процессов функцио-

нирования объектов живой природы и искусственных

систем и представлено в следующей формулировке:

система есть функциональная совокупность мате-

риальных образований, известным образом вовле-

ченных в отношения содействия в создании неко-

торого устойчивого эффекта, определяющего дей-

ствительную возможность получения полезных

для субъектов действия результатов, достаточно

удовлетворяющих исходной (реальной) потребности.

Рассмотрим специфические свойства техниче-

ских объектов, относящихся к классу “система”

в контексте приведенного определения.

Предварительно договоримся разделять термины

“часть” и “компонент”. Термин “часть” будем ис-

пользовать применительно к элементам конструк-

ции технических систем, а термин “компонент” –

применительно к элементам, составляющих моде-

ли процессов функционирования этих объектов.

Если объект состоит из множества частей и вы-

полняемая им функция представлена в виде сово-

купности ее компонент, то, очевидно, что множе-

ству его частей всегда можно сопоставить в соот-

ветствие множество этих компонент. Подмноже-

ство частей объекта, реализующих в своей сово-

купности одну и ту же компоненту функции, бу-

дем называть функциональной частью этого объ-

екта.

В соответствии с этим определением, техниче-

ская система (объект действия) должна иметь спо-

собность обеспечивать необходимые, но не обяза-

тельно достаточные условия для получения субъ-

ектом действия (СД) ожидаемого “результата”.

Тогда уместно предположить, что сам этот “ре-

зультат” формируется некоторым третьим объек-

том – объектом воздействия (ОВ) [4]. Эти условия

(“устойчивый эффект”) обеспечиваются при

нахождении ТС в требуемом для этого целевом состо-

янии, в которое она способна переходить “извест-

ным образом”.

Взаимодействие СД, ТС и ОВ в этой концепту-

альной модели осуществляется следующим образом.

Субъект действия формирует “потребность”, в со-

ответствии с которой он ожидает получение “ре-

зультата” от взаимодействия ТС с ОВ. Параметры

“результата” зависят от состояния ОВ и от целевого

состояния технической системы, в котором она

должна находиться на заданном интервале време-

ни при допустимых для нее изменениях внешних

условий. Это требование обусловливает наличие у

системы достижимых равновесных устойчивых

целевых состояний.

Изменения параметров состояния “результата”

для его соответствия заданной “потребности” осу-

ществляется за счет управления ТС в пространстве

ее состояний. Для этого СД формирует системе

“задание” на ее переход в требуемое целевое со-

стояние. Под “состоянием” ТС понимается ее тех-

ническое состояние, которое характеризуется в

АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2009 г. № 8 3

определенный момент времени, при определенных

условиях внешней среды, значениями параметров,

установленных технической документацией на

объект [5].

Использованный здесь термин “задание” требу-

ет специального пояснения.

В моделях процессов управления принято раз-

делять функции формирования управленческих

решений и представления их в виде управляющих

воздействий (УВ) от функций восприятия этих

воздействий и реакции на них объекта управления

(ОУ) [6].

Из такого разделения функций косвенно опре-

деляется содержательная трактовка понятия

“объект управления”, из которой следует, что

объ ек т упра вления сам н е вып олняет

функций принятия решений . Это значит, что

он не формирует и не выбирает альтернативы сво-

его поведения, а только реагирует на внешние воз-

действия, предопределенным образом изменяя

свои состояния. Очевидно, что в любой ТС всегда

могут быть выделены части, выполняющие эти

функции, которые соответствуют понятию “объект

управления технической системы”.

Вместе с тем реальные ТС могут иметь в своем

составе также и части, которые выполняют все или

какие-то компоненты из первой группы перечис-

ленных выше функций. При этом воздействия,

оказываемые СД на ТС также можно трактовать

как управляющие. В результате, при использовании

понятия “управляющее воздействие” возникает

неопределенность в понимании различий между

воздействиями, оказываемыми субъектом действия

на систему извн е, и оказываемыми н еп оср ед-

ств енно на объект управления ТС. При этом по-

следние могут формироваться как извне, так

и в самой ТС. Указанное обстоятельство не позво-

ляет использовать один только этот признак,

характеризующий источник формирования управ-

ляющих воздействий, для их понятийного и тер-

минологического разделения.

Понятие “управляющее воздействие” в литера-

туре имеет две содержательных трактовки.

В теории автоматического управления – это

сигнал. Анализ особенностей таких

“сигнальных” управляющих воздей-

ствий показывает, что их смысловое

(информационное) содержание полно-

стью определяется параметрами мате-

риального носителя, представленного в

виде механического, химического,

электрического, электромагнитного и

т.п. воздействия на объект управления.

Такое воздействие непосредственно

оказывается на объект управления и

вызывает (при отсутствии возмущений)

однозначную реакцию в изменении значений пара-

метров, характеризующих состояние ОУ ТС. То

есть “сигнал” можно рассматривать в качестве

первопричины изменения состояния объекта

управления технической системы.

В теории систем, это понятие трактуется не

только как сигнал, но и как команда, приказ,

распоряжение, установка, инструкция, стимул

и т.п. [6]. При этом в отличие от “сигнальной”

трактовки управляющего воздействия, все другие

перечисленные выше варианты смыслового пред-

ставления УВ предполагают необходимость

в предварительном выполнении каких-то дополни-

тельных действий (функций) для представления

их, в конечном счете, в виде “сигнального” воздей-

ствия – непосредственной причины изменения со-

стояний ОУ ТС. Поэтому смысловое содержание

таких УВ вполне обоснованно можно интерпрети-

ровать как “задание” технической системе на вы-

полнение всех необходимых действий для осу-

ществления перевода ОУ ТС в соответствующее

ему состояние.

На рисунке показана концептуальная мо-

дель рассматриваемого акта действия “по-

требность”  “результат”, предполагающая для

его реализации последовательное выполнение сле-

дующих действий: субъект действия  потреб-

ность [задание  [техническая система  управляющие

воздействия  объект управления]  состояние

ОУ ТС]  объект воздействия  результат.

В дальнейшем под “управляющим воздействием”

будем понимать его трактовку в “узком смысле”,

принятую в теории автоматического управления,

а под “заданием” – трактовку УВ в “широком

смысле”, которая используется в теории систем.

При наличии у ТС способности самостоятельно

принимать управленческие решения, субъект дей-

ствия представляет ей “задание”, которое содержит

указание на ее перевод в требуемое (целевое) со-

стояние. Решения, направленные на выполнение

этого задания и преобразование их в управляющие

воздействия, осуществляются предназначенными

для этого частями самой системой. Затем, управ-

ляющие воздействия в последовательности

Потребность

(ожидаемый результат)

ТЕХНИЧЕСКАЯ

СИСТЕМА

Субъект

действия

Задание

Объект

воздействия

Целевое

состояние

ОУТС

УВ Объект

управления

ТС

Результат

Концептуальная модель акта действия “потребность”



“результат”

4 АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2009 г. № 8

их формирования, инициируют соответствующие

изменения состояний ОУ ТС, заранее предусмот-

ренные ее конструкцией. В случае, когда у ТС от-

сутствуют способности принимать решения, ее

объект управления отождествляется с самой систе-

мой и субъект действия представляет свое “задание”

ТС непосредственно в виде управляющих воздей-

ствий.

Очевидно, что при такой трактовке причинно-

следственных закономерностей поведения техни-

ческой системы, ее целевые состояния вполне

естественно ассоциируются с целевыми состояни-

ями ее объекта управления.

Технические системы создаются для выполнения

строго определенных функций (целей использова-

ния), которые они могут выполнять в допустимых

их конструкцией условиях. Объекты, совокупность

состояний которых составляют эти условия, можно

разделить на три группы:

 материальные объекты, не являющиеся частями

конструкции технических систем, но наличие ко-

торых, предусмотрено в качестве необходимого

условия для обеспечения возможности их штат-

ного функционирования (например, энергоресурсы;

масла и смазки для машин; материалы, предна-

значенные для переработки системой в конечный

продукт и т.п.);

 внешняя среда, в которой находится система;

 временной интервал жизненного цикла ТС. При

выполнении условий, относящихся к первым

двум группам, предполагается, что способность

предопределенного поведения систем должна со-

храняться в течение всего их жизненного цикла.

Допустимую конструкцией ТС совокупность

состояний этих объектов будем называть штатными

условиями эксплуатации системы.

Характерным признаком технических систем

является их способность самостоятельно выпол-

нять свои потребительские функции [2, 3, 7]. Она

проявляется в штатных условиях, при нахождении

ТС в каждом из ее целевых состояний на интервалах

времени, допустимых для каждого из таких

состояний конструкцией системы, при фиксиро-

ванных управляющих воздействиях или при их

отсутствии. “Самостоятельность функционирования”

технической системы здесь понимается в том

смысле, что для того, чтобы она выполняла свои

потребительские функции, находясь в целевом со-

стоянии, субъекту действия уже нет необходимости

предпринимать какие-либо дополнительные

действия.

Учет такой закономерности у объектов класса

“технические системы” позволил детализировать

состав и свойства функциональных частей объекта

управления ТС. В частности, в работах [2, 3, 7]

сформулировано утверждение, в соответствии

с которым объект управления (техническая систе-

ма), имеющий способность самостоятельно функ-

ционировать, должен иметь, по крайней мере, две

последовательно взаимодействующие функцио-

нальные части:

 сенсорную часть ОУ, функции которой заклю-

чаются в восприятии управляющих воздействий

и преобразовании их в соответствующее этой ча-

сти состояние;

 исполнительную часть ОУ, функции которой

состоят в изменении своего состояния в соответ-

ствии с состоянием сенсорной части объекта

управления.

Функции сенсорной части (СЧ) ОУ в реальных

ТС выполняются устройствами управления и дат-

чиками (сенсорами), специально предназначенными

для восприятия управляющих воздействий различной

материальной природы. Сенсоры изменяют свои

состояния в соответствии с УВ вполне определен-

ным образом, предусмотренным их конструкцией.

К исполнительной части (ИЧ) объекта управления

относятся все остальные части ОУ ТС, которые не

являются сенсорами. При этом устойчивые и рав-

новесные состояния ИЧ ОУ рассматриваются как

целевые состояния объекта управления, а значит,

их можно рассматривать и в качестве целевых со-

стояний технической системы.

Учитывая это обстоятельство, самостоятельным

признаком класса “технические системы” следует

считать наличие в составе его объектов последова-

тельно взаимодействующих сенсорной и исполни-

тельной частей.

Отметим, что наличие тех или иных обратных

связей, потенциально возможных в конкретных

технических системах между рассматриваемыми

здесь и ранее объектами и функциональными ча-

стями ТС, нельзя учитывать в качестве общеси-

стемного признака этого класса. Обусловлено это

тем обстоятельством, что существуют также и тех-

нические объекты, не имеющие обратных связей,

но которые имеют все перечисленные признаки

объектов класса “технические системы” и на этом

основании могут рассматриваться в качестве ТС.

Необходимость в учете и спецификации свойств

таких связей потребуется на этапах дальнейшей

детализации признаков объектов рассматриваемо-

го класса. Это позволит в соответствии с такими

дополнительными специфическими свойствами

перейти от выявления общих признаков класса

“технические системы” к созданию системы клас-

сификации объектов, которые в нем содержатся, то

есть разделить объекты класса ТС на подклассы.

Параметры всех объектов-понятий (задания,

управляющие воздействия, состояния, интервалы

времени и т.п.), которые характеризуют процессы

функционирования ТС, имеют конечную мерность

АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2009 г. № 8 5

и вполне определенное семантическое содержание,

позволяющее представлять причинно-следственные

закономерности поведения технических систем в

виде вербальных описаний. При этом предполага-

ется, что использование ТС по целевому назначе-

нию должно осуществляться субъектом действия

только в соответствии с правилами эксплуатации

(моделями), предусматривающими предопреде-

ленность (однозначность) ее поведения в штатных

условиях. Информация об этих правилах представ-

лена в соответствующей эксплуатационно-тех-

нической и конструкторской документации [8].

Поэтому наличие таких моделей можно рассмат-

ривать как самостоятельный признак класса.

Техническим системам присуще свойство це-

лостности. Понятие “целостность” означает, что

удаление из состава ТС каких-либо ее частей при-

ведет к деградации потребительских и / или функ-

циональных свойств этой системы.

В результате решения поставленной задачи вы-

явлены следующие общесистемные свойства тех-

нических систем:

 они состоят из конечного множества совзаимо-

действующих материальных объектов;

 обладают свойством целостности;

 имеют предусмотренные их конструкцией усло-

вия штатной эксплуатации;

 содержат последовательно взаимодействующие

друг с другом сенсорные и исполнительные части;

 имеют способность, находясь в целевых состоя-

ниях, самостоятельно выполнять потребитель-

ские функции, предусмотренные их конструк-

цией;

 имеют модели предопределенного поведения

в пространстве достижимых равновесных

устойчивых состояний;

 имеют целевые состояния, соответствующие

состояниям исполнительной части объекта

управления ТС.

Перечисленные свойства ТС представляются

достаточными для описания признакового про-

странства класса “технические системы” и могут

быть представлены в виде следующего его опреде-

ления: техническая система – это целостная сово-

купность конечного числа взаимосвязанных мате-

риальных объектов, имеющая последовательно

взаимодействующие сенсорную и исполнительную

функциональные части, модель их предопределен-

ного поведения в пространстве равновесных

устойчивых состояний и способность, при нахож-

дении хотя бы в одном из них (целевом состоя-

нии), самостоятельно выполнять в штатных усло-

виях предусмотренные ее конструкцией потреби-

тельские функции.

Признаки класса “техническая система” могут

быть использованы и для определения понятий

“техническая подсистема”, “устройство” и “деталь”.

Техническая подсистема – это часть системы,

имеющая все признаки класса “технические системы”.

Из этого определения следует, что техническая

подсистема может быть частью некоторой системы,

которая сама может не относиться к классу ТС.

Устройство – это целостная совокупность ко-

нечного числа взаимосвязанных материальных

объектов, имеющая модель предопределенного

поведения и равновесные устойчивые состояния

в штатных условиях эксплуатации.

В определении понятия “устройство” учитыва-

ется, что оно как составная часть ТС также должно

иметь равновесные устойчивые состояния, опреде-

ляющие свойства целевых состояний системы

в целом, и модель своего поведения, которая явля-

ется компонентой модели поведения ТС.

Деталь – неразделимый на элементы матери-

альный и функциональный объект технической

системы или устройства.

В этом определении учитывается, в частности,

“функциональное” свойство детали, которое за-

ключается в ее способности выполнять отведен-

ную ей конструктором роль в ТС, то есть быть

исправной.

Заключение

В результате выполненных исследований выяв-

лены общие для технических объектов функцио-

нальные признаки, использование которых позво-

ляет соотносить их с классом “технические системы”.

Достаточность для этого перечисленных выше

признаков подтверждена экспертными оценками,

полученными в процессе опроса различных ре-

спондентов. С использованием этих признаков

сформулировано вербальное определение понятий

“техническая система”, “техническая подсистема”,

“устройство” и “деталь”, не имеющих до настоя-

щего времени обоснованных формулировок, поз-

воляющих корректно осуществить классификацию

и разделение по этим категориям различных тех-

нических объектов.

Полученные результаты позволяет перейти

к предметному исследованию общесистемных

свойств процессов функционирования ТС с целью

формирования их моделей-прототипов, необходи-

мых для разработки методов квалиметрии моделей

этого класса объектов и решения ряда других акту-

альных теоретических и прикладных задач.

Следует специально отметить, что примени-

тельно к классу “технические системы” до сих пор

отсутствовали общепринятые взгляды на их онто-

логию, не говоря уже о какой-либо аксиоматике

этого класса объектов. Поэтому предложенный

вариант определения понятия “техническая систе-

ма” можно рассматривать в качестве первого шага

на пути к решению этой концептуальной проблемы.

6 АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2009 г. № 8

Работа выполнена в рамках гранта РФФИ

№ 08-08-00346-а.

Контактная информация:

E-mail: knp@mail.ru.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Солсо Р. Когнитивная психология. СПб.: Питер,

2006.

2. Саламатов Ю. П. Система законов развития техни-

ки (Основы теории развития Технических систем)

[Электронный ресурс]. INSTITUTE OF INNOVA-

TIVE DESIGN. Красноярск: 1996 // <http: //

www.trizminsk.org/e/21101000.htm> (по состоянию на

20.03.2009).

3. Карташев В. А. Система систем. Очерки общей

теории и методологии. М.: Прогресс-Академия, 1995.

4. Буева Л. П. Человек: деятельность и общение. М.,

1978.

5. ГОСТ 20911-89 Техническая диагностика Термины

и определения.

6. Большой экономический словарь / Под ред.

А.Н. А з р и л и я н а . 7-е изд. М.: Институт новой

экономики, 2008.

7. Альтшуллер Г. С. Творчество как точная наука. Тео-

рия решения изобретательских задач. М.: Сов. радио,

1979.

8. Иловайский И. В. Инженерное дело: Маленькая

энциклопедия. Новосибирск. 2000. Деп.

LIST OF LITERATURE

1. Solso R. Kognitivnaja psychology. SPb.: Peter, 2006.

2. Salamatov J.P. System of laws of development of tech-

nics (the Basis of the theory of development of Tech-

nical systems) [the Electronic resource]. INSTITUTE

OF INNOVA-TIVE DESIGN. Krasnoyarsk:

1996//<http://www.trizminsk.org/e/21101000.htm> (as

of 20.03.2009).

3. Kartashev V. A. System of systems. Sketches of the

general theory and methodology. М: Progress-academy,

1995.

4. Bueva L.P. The Person: activity and dialogue. М, 1978.

5. GOST 20911-89 Technical diagnostics Terms And defi-

nitions.

6. The Big economic dictionary / Under the editorship of

A.N.Azrilijana. М: Institute of new economy, 2008.

7. Altshuller G. S. Creativity as the exact science. The the-

ory of the decision of creative problems. М: Owls. Ra-

dio, 1979.

8. Ilovajsky I.V. Engineering: Small The encyclopaedia.

Novosibirsk. 2000. Dep.

Статья поступила в редакцию 17.04.09 г.