Метод синтеза проектов функциональных организационно-технических систем

Л.Е. Мистров,

проф., д.т.н., доц., mistrov_le@mail.ru,

РАП, г. Воронеж,

В.А. Павлов,

проф., к.т.н., доц., pavlov_viktor@live.ru

ВУНЦ ВВС ВВА, г. Воронеж

Предлагается метод синтеза проектов функциональных организационно-технических систем, базирующийся на системе принципов и составных частей синтеза, развертываемых по времени и детальности рассмотрения по аспектам, уровням, стадиям и этапам

 

The method of synthesis of projects of functional organizational and technical systems which is based on system of the principles and components of synthesis developed on time and detail of consideration on aspects, levels, stages and stages is offered

Общие положения
Современный этап развития общественных отношений характеризуется возрастанием социально-экономической напряженности, связанной с возникновением и развитием различных типов конфликтов и требует познания сущности, содержания и особенностей развития различной сложности и целевой направленности систем, особенно функциональных организационно-технических систем (ОТС), предназначенных для выполнения важных народно-хозяйственных задач в различных предметных областях.

В общем случае, ОТС представляет организационную структуру объединенных общностью цели нескольких различного уровня и целевого предназначения организационно-технических и технических систем, обеспечивающих выполнение системой поставленных задач с заданным качеством. Ее функционирование осуществляется в различных условиях обстановки, характеризуемой наличием различных целей, критериев, ограничений и ресурсов и имеет целью разрешение различного типа конфликтов, от результатов которых зависит процесс развития, жизнедеятельности и гибели любой ОТС.

При создании ОТС одним из центральных является вопрос об ее облике (назначении, выполняемые задачи, состав и структура элементов, основные характеристики, функционирования). Исследования по формированию облика системы составляют содержание эскизного или технического проекта разрабатываемой ОТС. На начальной стадии жизненного цикла ОТС синтезом основывается на обосновании облика системы, достаточного для разработки проекта технического задания (ТЗ) на разработку. Характерным при решении задачи синтеза проекта ОТС является нечеткость и неопределенность исходных представлений о системе, ее задачах, составе и функционировании, что затрудняет возможность применения известных методов синтеза систем и выдвигает на первый план необходимость более широкого и последовательного применения методов анализа сложных систем, исследования операций и принятия решений.

Целью доклада является обобщение ранее проведенных исследований по синтезу систем и разработку с учетом их метода синтеза проектов ОТС, под которыми понимается взаимообусловленная совокупность категорий синтеза, раскрывающих общее содержание, состав и структуру процесса разработки проекта ОТС и определяющих общую постановку задачи синтеза системы и метод ее решения.

1. Общие представления о содержании и структуре синтеза проекта ОТС

В общих чертах содержание и структуру метода синтеза проекта ОТС можно представить следующим образом.

Первоначально, исходя из указаний органа, ответственного за создание будущей ОТС (далее – Заказчика), коллектив специалистов, проводящий исследования по обоснованию облика ОТС, обосновывает проект концепции (замысла) создания ОТС. Принятая Заказчиком концепция разработки ОТС в виде проекта тактико-технического задания (ТТЗ) содержит формулировку предполагаемого назначения и выполняемых задач системой, требуемую эффективность, описание возможных условий применения, состав и структуру элементов, основные характеристики, а также ограничения (финансовые, материальные, временные и др.) на ее создание.

Принятая Заказчиком в ТТЗ концепция создания ОТС служит отправной точкой для дальнейшей более детальной проработки ее облика на этапе эскизного и технического проектирования Исполнителем – организацией, ответственной за ее практическую разработку. Исходя из него, Исполнитель, рассматривая синтезируемую ОТС как некоторую функционирующую целостную систему, “погруженную в среду”, выявляет возможные ее внешние взаимосвязи и определяет соответствующие им основные свойства и технические характеристики системы. Основываясь на полученных результатах, Исполнитель направляет дальнейшие исследования вовнутрь ОТС, условно представляя ее в виде возможных составных частей. Каждая из этих составных частей исследуется отдельно как “черный ящик” в соответствующей среде, что позволяет выявить их внешние связи и определить основные свойств и технические характеристики. Дальнейшее рассмотрение составных частей ОТС во взаимодействии друг с другом дает возможность Исполнителю составить решение о структуре ОТС и уточнить ее внешние свойства и характеристики.

Постепенное нисходящее вовнутрь ОТС движение исследований Исполнитель продолжает до достижения необходимой степени детализации строения ОТС.

Наряду с углублением исследований в ходе синтеза проекта ОТС происходит обратное восходящее движение. Исследования возвращаются на “поверхность” ОТС, наполненные более конкретными представлениями об ее строении, характеристиках и функционировании. Выявленные в результате такого циклического движения исследований внешние и внутренние связи, свойства и характеристики ОТС Исполнитель объединяет в группы, соответствующие той или иной ее качественной стороне (назначению, задачам, функциям, составу, структуре и др.).

Переходя от одной качественной стороны ОТС к другой, исследования Исполнителя как бы “скользят” по ее “поверхности”. Каждая совокупность выявленных связей, свойств и характеристик ОТС служит основой для уточнения ранее выявленных ее связей, свойств и характеристик.

В результате такого поступательно-возвратного движения исследований ОТС как бы “поворачивается” перед Исполнителем последовательно каждой своей качественной стороной, вовлекая в это движение и среду. Процесс синтеза идет от одного проекта облика ОТС к другому, все более содержательному и конкретному. Анализ проекта облика ОТС сочетается с его построением.

Таким образом, в ходе синтеза ОТС осуществляется постепенное наращивание полноты представлений о строении, характеристиках и ее функционировании. Исполнитель рассматривает ОТС с различных качественных сторон. Поступательно-возвратный характер исследований дополняется циклическим нисходящим и восходящим движением. Конкурирующие проекты ОТС уступают место целесообразным, предпочтительным. На заключительной стадии синтеза, заканчивающимся разработкой Исполнителем технического проекта ОТС, принимается решение о наилучшем в принятом Заказчиком (соответствующий требованиям ТТЗ) проекте облика ОТС.

Для методического обеспечения исследований по формированию проекта облика синтезируемой ОТС актуальной является разработка метода, адекватного содержанию и структуре будущей ОТС, а также объему, конкретности и динамичности представлений об ее проекте. Построение такого метода базируется на системе категорий синтеза ОТС, выражающих наиболее общие свойства и связи исследований при ее разработке.

2. Категории синтеза ОТС

Категории синтеза ОТС представляются двумя группами. Первая из них характеризует развертывание процесса управления синтезом ОТС во времени и отражает узловые моменты в деятельности Исполнителя в ходе исследований – к ней относятся стадии и этапы синтеза ОТС. Вторая группа категорий характеризует содержание синтеза ОТС, связанное с качественными ее сторонами – ее составляют аспекты и уровни синтеза ОТС.

Стадия синтеза ОТС – условно выделяемая во времени часть синтеза, в пределах которой достигается объем представлений о свойствах, характеристиках и функционировании ОТС, достаточный для принятия решения об окончании разработки технического проекта или о путях его дальнейшего продолжения. Процесс разработки проекта ОТС включает стадии:

ü разработки концепции (замысла) создания системы;

ü синтеза ОТС при реализуемых в заданных ограничениях (“реальном“) достижимом облике основной подсистемы (подсистемы, осуществляющей главную функцию ОТС) и “идеальных“ (в принципе возможных) обликах подсистем, осуществляющих неосновные (обеспечивающие по отношению к главной) функции;

ü синтеза ОТС при реализуемом в заданных ограничениях облике подсистемы, осуществляющей следующую по важности после главной функцию (функции) системы и “идеальных” обликах подсистем, осуществляющих другие обеспечивающие функции. И так далее в порядке убывания важности функций подсистем;

ü синтеза ОТС при реализуемом в заданных ограничениях облике системы в целом.

Категория “стадия” синтеза ОТС выражает преимущественную направленность исследований как в целом на синтез ОТС, так и на ту или иную группу ее свойств и характеристик. Каждая из его стадий разделяется на этапы синтеза.

Этап синтеза ОТС – часть разработки технического (эскизного) проекта в целом или стадии синтеза, в границах которой достигается определенный уровень обоснованности фиксированной группы свойств и характеристик ОТС. К этапам синтеза относятся: постановка задачи разработки проекта; разработка альтернативных проектов облика ОТС или, далее, проектов ОТС (ее составных частей); оценка эффективности и выбор из альтернативных проектов ОТС (ее составных частей) предпочтительного; анализ устойчивости предпочтительного проекта ОТС (ее составных частей) при изменении слабо формализуемых (не формализуемых) факторов, дополнительно подлежащих учету по согласованию с Заказчиком.

Важнейшим из этих этапов синтеза является постановка задачи разработки технического проекта ОТС (ее составных частей), которая определяет весь ход последующих исследований и их результаты. Вследствие не до конца определенных целевых установок Заказчика, исходных данных, а также ряда других причин постановка задачи в процессе синтеза ОТС, как правило, подлежит уточнению.

Наиболее сложным в методологическом отношении является этап разработки альтернативных проектов ОТС (ее составных частей), поскольку исследования на данном этапе носят преимущественно творческий характер, сравнимый с изобретательской деятельностью и базирующийся, зачастую, на не строгих формальных методах.

На начальных стадиях синтеза на этапе выбора определяются несколько конкурирующих предпочтительных проектов ОТС (ее составных частей), поскольку преждевременный выбор только одного проекта закрывает путь другим и повышает риск создания не лучшей системы. Окончательный выбор предпочтительного проекта ОТС (ее составных частей) производится на заключительной стадии синтеза системы (ее составных частей), когда достигается максимально возможная степень обоснованности представлений об ее облике, соответствующая системе требований ТТЗ Заказчика на её разработку.

Разработка проекта ОТС всегда проводится в условиях неопределенности целей Заказчика, исходных данных синтеза, представлений об условиях применения ОТС и др. Кроме того, не всегда удается учесть в достаточной мере в постановке задачи синтеза и в математических моделях выбора и принятия решений все факторы, существенно влияющие на облик ОТС. Поэтому на завершающем этапе синтеза необходим анализ устойчивости предпочтительного проекта ОТС к изменяющимся слабо формализуемым факторам.

Последовательность этапов синтеза составляет цикл разработки проекта ОТС. В ходе синтеза ОТС может осуществляться несколько циклов. Кроме того, внутри отдельных циклов также могут быть циклы меньшего масштаба.

ОТС обладает многими качественными сторонами. Каждая из них включает набор свойств и характеристик ОТС, проявляющихся в соответствующей среде. Поэтому при синтезе ОТС рассматривается с различных точек зрения (аспектов). Каждому аспекту ОТС может быть поставлено в соответствие одноименный аспект синтеза, в рамках которого исследуется система связей, свойств и характеристик ОТС, выражающих данную ее качественную сторону.

Основными аспектами синтеза ОТС являются функциональный, структурный и параметрический аспекты. Это обусловлено тем, что сущность функционирования ОТС носит структурный характер, а ее строение функционально. В то же время функциональные и структурные свойства ОТС количественно выражаются в ее свойствах и характеристиках.

В рамках функционального аспекта синтеза проводится обоснование роли и места ОТС среди других систем, назначения и задач, способов решения задач, определяются функции и общий порядок (принципы) ее функционирования. Поскольку функции ОТС разделяются на внешние и внутренние, то и функциональный аспект синтеза ОТС разделяется на внешнесистемный и внутрисистемный. Внешнесистемный аспект синтеза ОТС по отношению к внутрисистемному играет целеполагающую и интегративную роль, поскольку определяет условия, применительно к которым должен обосновываться внутренний функциональный облик ОТС. Внутрисистемный аспект синтеза ОТС по отношению к внешнесистемному имеет целесообразное значение, поскольку обоснованные в его рамках внутренние функции ОТС обеспечивают осуществление ею внешних функций.

В ходе синтеза ОТС функциональный аспект синтеза выполняет преимущественно роль главного процесса. С него начинается и им заканчивается синтез ОТС.

Структурный аспект синтеза ОТС посвящен обоснованию состава системы, совокупности ее внешних и внутренних связей, порядка и содержания взаимодействия составных частей синтеза ОТС.

Определение характеристик ОТС, соответствующих выявленным в ходе функционального и структурного синтеза свойствам системы, осуществляется в рамках параметрического аспекта синтеза ОТС.

При необходимости в процессе разработки проекта ОТС возможно выделение и других аспектов. Например, определенная обособленность организационной и технических подсистем ОТС позволяет ввести организационный и технический аспекты синтеза, посвященные соответственно синтезу организационной структуры и совокупности техники, образующей ОТС. Кроме того, могут иметь место сочетание аспектов синтеза, как то: организационно-функциональный, структурно-параметрический и т.д.

ОТС включает совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих составных частей. Обосновать ее строение, определить характер и содержание взаимосвязей, свойства и характеристики составных частей и системы в целом сразу невозможно. Поэтому синтез ОТС подразделяется также на процессы, содержание которых раскрывает категория уровни синтеза.

Внешние свойства ОТС проявляются при ее взаимодействии с окружающими системами (в “среде”), сущность которых определяется внутренним строением системы. Свойства составных частей ОТС также проявляются в соответствующей им среде; их причина содержится в структуре более мелких составных частей. И так далее. Нарастающая степень детализации рассмотрения ОТС фиксируется в иерархических  уровнях ее описания. Этим уровням ставятся в соответствие уровни синтеза ОТС.

Самый верхний уровень является уровнем внешнесистемного синтеза. Остальные – уровни внутрисистемного синтеза. На уровне внешнесистемного синтеза ОТС рассматривается как целостная система без раскрытия ее строения. На уровнях внутрисистемного синтеза ОТС рассматривается как совокупность взаимодействующих составных частей. Количество уровней внутрисистемного синтеза определяется необходимой глубиной раскрытия строения ОТС. Уровень внешнесистемного синтеза обеспечивает обоснование свойств, характеристик и функционирования ОТС в целом, а также согласование свойств, характеристик и функционирования ее составных частей, обоснование которых проводится на уровнях внутрисистемного синтеза. С уровня внешнесистемного синтеза начинается разработка проекта ОТС, на этом уровне и завершается. В ходе синтеза в результате многократного перехода от уровня к уровню синтеза постепенно достигается необходимое соответствие между свойствами ОТС, ее строением и функционированием, между характеристиками составных частей и характеристиками системы в целом.

Аспекты и уровни синтеза “вкладываются“ друг в друга, поочередно выполняя роль главного процесса синтеза ОТС.

В ходе синтеза представление об облике ОТС изменяются. Охватывая эти подвижные представления, категории как формы синтеза упорядочивают содержание синтеза. Между категориями синтеза происходят взаимопереходы, проникновение друг в друга. Смена категорий синтеза вызывается исчерпанием возможностей количественного обоснования свойств, характеристик и функционирования ОТС в рамках данной формы синтеза и необходимостью их качественных изменений.

3. Постановка и метод решения задачи синтеза ОТС

С формальной точки зрения процесс управления разработкой технического (эскизного) проекта ОТС представляет собой процесс решения задачи синтеза. Задача разработки проекта ОТС может быть сформулирована в общем виде следующим образом.

Пусть определена директивно Заказчиком цель создания функциональной ОТС. Предполагается, что в ее состав могут быть включены полностью или частично существующие различного целевого предназначения организационно-технические и технические системы. При необходимости облик этих систем может изменяться (уточняться). Кроме того, для включения в состав ОТС возможно формирование новых организационно-технических и технических систем. Требуется определить облик такой ОТС, которая наилучшим образом соответствует поставленной цели в заданных ТТЗ ограничениях.

Математически задачу разработки проекта ОТС можно представить в виде:

                                                                                (1)

                      

где  – функция затрат (расходов в денежном выражении) на создание, содержание и применение синтезируемой ОТС, минимальное значение которой соответствует представлениям Заказчика о наилучшем проекте ОТС ;  – множество допустимых проектов ОТС ;  – показатель эффективности решения задач  проектом ОТС в условиях ;  – требуемая эффективность решения задач ОТС;  – ресурс, потребный для создания, содержания и применения  проекта ОТС в условиях ;  – заданные ограничения (энергетические, пространственные, временные и др.) ресурса , потребное для создания, содержания и применения  проекта ОТС.

Непосредственно решить задачу синтеза (1) вследствие ее структурной сложности и большой размерности практически невозможно. Основным методом ее решения, как показывает опыт разработки проектов различных систем, является метод иерархической декомпозиции задачи по аспектам, уровням и стадиям синтеза ОТС. Иерархическая декомпозиция задачи синтеза ОТС (1) позволяет не только разукрупнить задачу на основе отношения «целое-часть» на счетное количество задач «допустимой» сложности (поддающихся решению с использованием известных методов моделирования), но и реализовать «право вмешательства верхнего уровня» и «зависимость верхнего уровня от нижних уровней» [1].

Представим облик ОТС в виде совокупности  описаний функций , структуры  и множества характеристик  ОТС, то есть совокупности функционального, структурного и параметрических обликов ОТС.

В зависимости от состояния проработки облика ОТС и целей в ходе исследований между ее аспектами синтеза могут устанавливаться различные отношения иерархии. Применительно к случаю, когда верхний уровень занимает функциональный аспект синтеза ОТС (т.е. главным процессом является функциональный синтез), а нижний уровень – параметрический аспект синтеза, декомпозиция общей задачи синтеза ОТС (1) будет иметь вид:

а) задача функционального синтеза

,                                                                         (2)

;

б) задача структурного синтеза

                                                            (3)

в) задача параметрического синтеза

                                                            (4)

где символ “~“ указывает на решения, полученные с предыдущего шага итерации.

Задачи функционального, структурного и параметрического синтеза облика ОТС (2), (3) и (4) решаются совместно. При невозможности получения приемлемого решения какой-либо одной из этих задач уточняются решения других задач, а также ограничения и условия. Возникающая в результате такого итерационного процесса последовательность решений будет сходиться к , являющемуся решением общей задачи синтеза ОТС (1).

Введем по аналогии с [2] функции агрегирования и дезагрегирования описания ОТС на уровне функционального , структурного  и параметрического  аспектов синтеза. Тогда иерархическая взаимосвязь обликов ОТС в соответствии с задачами (2), (3) и (4) будет иметь вид:

        

где  – функции обобщения описаний ОТС по аспектам синтеза.

Свяжем описания ОТС по уровням ее разукрупнения (уровням синтеза) следующими соотношениями:

        =           

где  – облик ОТС l -го уровня внутрисистемного синтеза;  – облик ОТС уровня внешнесистемного синтеза;  – функция обобщения описаний облика ОТС l -го уровня;  – функции агрегирования и дезагрегирования описаний ОТС l -го и (l -1) -го уровня синтеза, соответственно.

При фиксированном уровне синтеза разукрупнение ОТС осуществляется “по горизонтали”. Совокупность описаний (обликов) составных частей образует описание (облик) ОТС в целом на заданном уровне: 

      

где  – облик j -го элемента ОТС l -го уровня;  – общее количество элементов на l -ом уровне ОТС;  – функция обобщения описаний облика j -го элемента ОТС l -го уровня;  – функция агрегирования описаний j -го элемента ОТС l -го уровня;  – общее количество элементов (l+1)-го уровня ОТС, входящих в состав j -го элемента l -го уровня.

Декомпозиция задачи (1) по уровням разукрупнения ОТС образует семейство иерархически связанных задач внешнесистемного и внутрисистемного синтеза. Задача внешнесистемного синтеза имеет тот же вид, что и общая задача синтеза ОТС (1) при условии V=Vo.

Задачи внутрисистемного синтеза могут быть записаны следующим образом:

а) задача синтеза ОТС l -го уровня

       

б) задача синтеза элементов ОТС l -го уровня

        

Декомпозиция общей задачи синтеза ОТС (1) по стадиям представляется соотношениями:

 

     

где  – функция обобщения описаний облика ОТС на i -ой стадии синтеза;  – функции дезагрегирования и агрегирования описаний облика ОТС, соответствующих (i-1)-ой и i -ой стадиям синтеза;  – описание предпочтительного проекта ОТС (i+1)-ой стадии синтеза, полученное на предыдущем шаге итерации;  – общее количество стадий разработки проекта ОТС.

Декомпозиция по этапам разработки проекта ОТС выполняет роль основы, на которую как бы “нанизываются” другие виды декомпозиций (см. рис. 1). При этом в рамках этапа синтеза декомпозиции по стадиям, аспектам и уровням синтеза “вкладываются” друг в друга, попеременно выполняя иерархически главную роль. В то же время внутри каждого вида декомпозиции также может происходить смена иерархически главного аспекта (уровня, стадии, цикла, этапа). В результате такого поступательно-возвратного движения по видам и внутри каждого вида декомпозиции образуется циклический итерационный процесс с нестационарной иерархической структурой, обеспечивающий постепенное обоснование свойств, характеристик и порядка функционирования ОТС и достижение в итоге представлений о ее целесообразном облике.

рис. 1. Структура синтеза проекта ОТС (фрагмент)

Предложенный методический аппарат позволяет осуществит управление процессом эскизного или технического синтеза различного назначения функциональных ОТС. При этом решение частных задач синтеза ОТС, возникающих при решении общей задачи, может быть получено с использованием известных методов синтеза.

Литература

1.  Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. М.: Мир, 1973.

2.  Вязгин В.А., Федоров В.В. Математические методы автоматизированного проектирования. М.: Высшая школа, 1989.