Software & Systems

При анализе технических систем для определения свойств проектируемого объекта используется описание функциональной структуры (ФС) объекта. Под ФС понимается обобщение сходных признаков функциональных элементов объекта исследования и отношений между ними. ФС любой системы можно представить и в обобщенном, концептуальном, и в уточненном виде – как массивы конкретных функций с их параметрами действия.

Под концептуальной ФС (КФС) понимаются результат обобщения функциональной структуры объекта исследования или проектирования и одновременно способ ее истолкования [1]. КФС устанавливает соответствие между обобщенными понятиями, которые на данном этапе предметно не интерпретированы, и представляется в виде концептов, – понятий, характеризующих содержание функциональных элементов и отношений между этими понятиями. Вся информация, как и отношения между концептами, подается в обобщенном виде. Узлы КФС представляют собой концепты функциональных элементов либо подсистем объекта исследования или проектирования, а отношения между ними – обобщенные виды взаимосвязей.

КФС используется для обозначения ведущего замысла, конструктивного принципа функционирования системы объекта в виде набора основных смысловых элементов и отношений. Таким образом, КФС описывает всю совокупность свойств, проявляемых объектом при его использовании.

Важной актуальной задачей системного анализа является раскрытие основного свойства систем – целостности, показывающей результат структурных отношений и взаимодействия элементов, обеспечивающих непротиворечивость, внутреннее единство и гармонию существования и функционирования ее разнородных элементов и подсистем, необходимых для согласованного достижения генеральной цели.

В качестве теоретического обоснования решения поставленной задачи взяты положения всеобщего закона философии о единстве и борьбе противоположностей. Согласно ему, в каждой системе можно обнаружить противопоставленные функциональные блоки, подсистемы. Например, функциональная подсистема движения в автомобиле противопоставлена функциональной подсистеме торможения. Концептуально эти функциональные противопоставления не просто существуют и взаимодействуют, а управляются третьей сущностью, которая может быть реализована отдельным управляющим элементом, – регулятором противоречия. Такой регулятор управляет взаимодействием противопоставленных подсистем. Однако заметим, что по принципу идеальности возможно, что сам регулирующий элемент в системе отсутствует физически, а его функции выполняются, могут быть реализованы в самих противопоставленных подсистемах. Математический аппарат более подробно описан в работе [2].

Исходя из этого, концептуальная модель системы с учетом раскрытия свойства целостности будет иметь вид треугольника (рис. 1), где полюсами выделены противопоставленные свойства систем А и B и полюс R, управляющий их взаимодействием.

Для функционального состава концепцию целостности можно интерпретировать следующим образом: А и В – группы противодействующих функций системы, R – группа функций регулятора данного противоречия. То есть в системе обязательно присутствуют диада противонаправленных действий и функция управления этим противоречием.

В КФС наблюдаются пары концептов функциональных элементов, отражающих исполнение противоречия. Такие пары образуются противопоставленными структурными отношениями. Существует иерархия функций системы. Верхний уровень иерархии КФС отражает концепт, понятие главной полезной функции системы, нижележащие уровни – концепты противодействующих элементов и противопоставленных отношений между ними. Поскольку дуализм полярностей может быть обнаружен на любом иерархическом уровне описания системы, представляется необходимым рассмотреть дуальные операции, которые отражают противоположные структурные отношения между концептами функциональных элементов и подсистем.

Подтверждение всеобъемлющего философского закона борьбы и единства противоположностей исследователи находят и используют в различных областях знаний. Например, Ф. Джонстон [3] выявил около тысячи взаимно противоположных пар, бинарных оппозиций, отнесенных им к психологии управления и человеческих взаимоотношений. Применительно к техническим объектам и системам бинарные оппозиции были предложены в середине двадцатого века Р. Коллером и использованы в авторском методе конструирования [4]. Коллер интерпретировал подобные структурные отношения только на физическом уровне и назвал их физическими операциями. Описанием таких операций Коллер указал на существование в элементах технических систем дуалистической пары целевого свойства элемента и его противоположности. Он сформулировал 12 основных и 2 дополнительные пары инвариантных операций, которые, по его мнению, должны описывать физические операции любого технического объекта или его элемента независимо от физических принципов действия: излучение – поглощение, проводимость – изолирование, сбор – рассеяние, проведение – непроведение и др.

Более подробно сущность, содержание и примеры описания физических операций даны в [4]. Так как операции Коллера двойственны и полярны по своему строению, на физическом плане они опираются на один, пару или цепочку из нескольких реализующих их физических эффектов (ФЭ). Инвариантная интерпретация феномена бинарных оппозиций обобщенных операций, описанного Коллером на физическом уровне, может быть применена для описания как материальных, так и информационных потоков.

С учетом сказанного с позиций свойства целостности КФС объекта исследования может быть представлена в виде ориентированного графа сложного вида, где каждая вершина описывает концепт функционального элемента, а связи между вершинами являются дуальными концептуальными структурными отношениями. В основе такого графа лежит циклическая структура, состоящая из трех элементов. Вершины А и B содержат концепты противопоставленных структурных функциональных элементов, а вершина R – концепт элемента регулятора действий пары концептов элементов А и В и представляет собой оператор семантической конъюнкции, который объединяет противоположные структурные элементы А и B. Исходя из принципа целостности каждый концептуальный функциональный элемент может быть изображен в виде некоего треугольника, а граф КФС объекта проектирования или исследования в целом – как иерархичный многоуровневый фрактал, состоящий из треугольников (рис. 2).

В полученном орграфе концептуальные элементы организованы в определенную сеть, где протекают информационные процессы, описывающие функционирование системы объекта. Все элементы схемы воспринимаются как организованные концепты, взаимодействующие между собой посредством двойственных концептуальных операций по типу Коллера.

С точки зрения системогенеза концептуальная схема в виде фрактала является развивающейся информационной сетью, вершины графа которой стремятся к развитию новых свойств, а элементарные структурные образования в виде треугольников – к обретению большей устойчивости.

В подтверждение обнаруженного треугольного изоморфизма структур необходимо отметить, что из современной научной литературы по кристаллографии и биологии известно, что на субатомном и атомных уровнях строения вещества, где нагляднее проявляются структурные особенности и свойства вещества, значительна формообразующая роль платоновых тел как правильных симметричных геометрических тел, выражающих идею всеместного совершенства. В частности, в [5] сообщается, что все многогранники, которые соответствуют максимальным расстояниям между точками, построены из треугольников. Поэтому при рассмотрении конфигурации электронных пар из всех правильных многогранников представляют интерес только тела, составленные из треугольников, – тетраэдр, октаэдр, икосаэдр. В подтверждение этому сошлемся на установленный факт: ядро кислорода имеет форму тетраэдра, то есть тела, составленного из треугольников.

В данном случае такая сеть, состоящая из треугольников, очерчивает пределы целостности структуры объекта и на онтологическом, и на эпистемологическом уровнях. При помощи такого концептуального представления могут быть описаны процессы функционирования бинарных оппозиций элементов в системе и объяснено состояние устойчивости всей системы и такие режимы, при которых возможна неэффективная работа системы или даже ее разрушение.

Принципы бинарной оппозиции и иерархической подчиненности можно использовать применительно к построению уточненной ФС. Уточненная ФС, или просто ФС, описывает конкретные функции, их взаимосвязанность и подчиненность для конкретного технического объекта, системы.

Для анализа и отображения дуализма, присутствующего в ФС в концептуальном виде объекта, необходимо построить иерархическую диаграмму, которая отображает композицию подчинения функций системы. Для этого будем использовать диаграмму «рыбий скелет» японского исследователя Каору Исикава, но с некоторыми уточнениями. В случае анализа ФС систем в аспекте целостности принципиальное отличие от метода Исикава состоит в том, что горизонтальная линия на диаграмме разделяет функции системы на две инверсные группы, где каждой функции из верхней части схемы относительно горизонтали должна соответствовать противоположная функция или несколько подфункций. Целостная организация функций системы декомпозируется на главную полезную функцию системы, на соответствующие подчиненные ей полярные пары – подфункции и инверсные им антиподы функций.

На рисунке 3 симметричными диагональными линиями относительно горизонтали показаны пары противопоставленных функций. Все обозначенные функции в общем приводят к реализации потребности. Расположение функций справа налево от главной полезной функции можно интерпретировать как уровни их значимости в процессе функционирования системы.

В терминах теории графов такую схему можно интерпретировать как ориентированный трехдольный граф, содержащий множество основных функций системы T, множество подфункций S и Q (рис. 4). В таком орграфе есть сепаратор, разделяющий этот граф на множество основных подфункций системы S и множество противоположных им подфункций системы Q. Смежные ребра соединяют элементы множеств подфункций с общей вершиной, которая находится во множестве основных функций.

Показанный орграф можно интерпретировать как иерархию функций исследуемого конкретного прототипа. Первый элемент множества функций отражает соответствие главной полезной функции системы. Нижестоящие элементы множества функций могут быть рассмотрены в упорядоченной важности относительно исполнения главной полезной функции.

Такая организация соответствует представлению декомпозиции главной функции на иерархическую совокупность множества вторичных функций и подфункций, исполняемых в системе, указывает на их согласованную связность и определяет структурное разнообразие исследуемой системы.

Построение графа функций облегчает задачу анализа. Однако термин теории графов «сепаратор» для задачи синтеза неадекватен, так как решается проблема соединения противостоящих подфункций. Для этого должен быть введен новый термин «юнитор» – оператор, объединяющий разделенные множества основных подфункций системы S и множество противоположных им подфункций системы Q. Таким образом, оператор юнитор соединяет смежные дуги графа в общей вершине, которая отображает одну из основных функций системы. Процесс стягивания такого графа отражает постановку задачи на синтез нового объекта.

Для задач анализа сущности «сепаратор графа» и для задач синтеза «юнитор графа» можно интерпретировать как «оператор центрально-осевой симметрии». То есть в процедуре целеполагания осевая симметрия выполняет важную методологическую функцию семантического разделения целевого множества на подмножества основных подфункций и противоположных им подфункций. Внешняя симметрия объекта является отражением внутренней структурной симметрии на функциональном и целевом уровнях.

На основе вышеизложенного разработана последовательность выполнения концептуального анализа технических объектов (ТО) в аспекте одного из базовых свойств систем с точки зрения системного анализа – свойства целостности. Анализ состоит из нескольких стадий [3, 6]. Первая стадия – конструктивно-функциональный анализ системы, где необходимо выделить функциональные элементы, описать для каждого элемента одну или несколько его функций как есть и построить иерархию функций исследуемого конкретного прототипа.

Вторая стадия метода заключается в том, что каждой найденной функции ТО необходимо сопоставить физическую операцию Коллера. Так как операция Коллера имеет две оппозиционные части, нужно обнаружить и сопоставить функциональные элементы ТО, соответствующие первой части физической операции, и для ее второй, противоположной части. Результаты оформляются в виде таблицы и схемы (рис. 3).

В случае отсутствия элементов, необходимых для создания оппозиционной пары, обнаруживается проектная пустота, то есть вакантное место для новой, еще не существующей функции. В этом случае необходимо описать отсутствующие функциональные операции и противопоставленные функциональные элементы, что будет служить формулировкой постановки задачи на проектирование нового объекта техники.

Разработанный метод облегчает процесс анализа ТО для выявления перспективных направлений совершенствования техники и информационных сиcтем. Описанный метод внедрен в учебный процесс и предназначен для использования в лабораторных занятиях по курсам «Концептуальное проектирование технических объектов», «Анализ и проектирование химико-технологических систем», «Методы анализа и синтеза технических решений» для выполнения исследовательских работ, а также в курсовом и дипломном проектировании в Волгоградском государственном техническом университете.

В результате проведенных исследований был разработан программный продукт, позволяющий поддерживать и сопровождать пользователя при анализе технических систем с позиции свойства целостности.

Первая стадия процедуры анализа реализована в модуле «Конструктивно-функциональный анализ», где пользователь фиксирует основные данные о проектируемой системе, такие как название системы, ее главная полезная функция, предназначение системы, цели функционирования и элементы, входящие в нее.

Конструктивно-функциональный анализ целостности систем проводится для получения информации о конструкции и действии объекта и нахождения контрарных функциональных пар. Анализ осуществляется в процессе изучения описаний объекта, например описания изобретения, его прототипа и аналогов и др.

Последующие стадии анализа реализуются в модуле «Построение схемы инверсной организации функций системы», где поэлементно составляется конструктивно-функциональная структура системы. При помощи операций Коллера функция элемента рассматривается как состоящая из контрарных функциональных пар, где пользователь формулирует прямую функцию и, если существует обратная ей, описывает и ее.

Описанная программа зарегистрирована в Роспатенте (Свид. № 2013613383, авторы: Р.С. Бугрий, Д.В. Бутенко, Л.Н. Бутенко) и используется в учебном процессе ВолгГТУ.

Подводя итоги, отметим, что на примере концептуальных структурных операций становится возможным непосредственное описание существа свойства целостности на уровне функциональных структур. Применение дуализма, отраженного в концептуальных структурных операциях по типу Коллера, необходимых для построения функциональной структуры в виде фрактального треугольника, будет существенно облегчать процесс анализа при проектировании систем.

Описанное представление позволяет оценить пределы целостности структуры объекта, на этой основе возможно описать решение задачи раскрытия механизмов образования целостности как основного свойства систем. При помощи такого концептуального представления могут быть описаны процессы функционирования бинарных оппозиций элементов в системе и объяснены состояние устойчивости всей системы и такие режимы, при которых возможна неэффективная работа системы или даже ее разрушение.

Предложенная схема инверсных пар противопоставленных функций позволяет показать их иерархическую подчиненность и одновременно дуальную взаимосвязанность в соответствии с законом о единстве и борьбе противоположностей и определением целостности.

На основе предложенных теоретических изысканий разработаны метод исследования функциональной структуры систем в аспекте свойства целостности и программная среда для поддержки процесса анализа исследования функциональных структур систем. Создан и внедрен в учебный процесс программный продукт, поддерживающий метод анализа исследования функциональных структур систем.

Литература

1.     Кононенко А.А., Кучкаров З.А., Никаноров С.П., Никитина Н.К. Технология концептуального проектирования; [под ред. С.П. Никанорова]. М.: Концепт, 2008. 508 с.

2.     Бутенко Д.В. Свойство целостности при построении функциональных структур технических систем // Инженерный вестник Дона. 2013. № 1. URL: http://www.ivdon.ru/magazine/ archive/n1y2013/1526 (дата обращения: 02.09.2013).

3.     Johnston F.S. The logic of relationship. NY, Philosophical Library, 1968.

4.     Koller R. Konstruktions method fur den Maschinen-, Gerate- und Apparatenbau. Springer. Berlin [West.], Heideberg, NY, 1976.

5.     Гиллеспи Р. Геометрия молекул. М.: Мир, 1975. 282 c.

6.     Бутенко Д.В., Попов К.В., Ананьев А.С. Методика концептуального проектирования программных информационных систем // Программные продукты и системы. 2012. № 2. С. 101–104.

7.     Половинкин А.И. Основы инженерного творчества: учеб. пособие для втузов. М.: Машиностроение, 1988. 368 с.

References

1.     Kononenko A.A., Kuchkarov Z.A., Nikanorov S.P., Niki­tina N.K. Tekhnologiya kontseptualnogo proektirovaniya [A con­ceptual design technology]. Moscow, Kontsept Publ., 2008, 508 p.

2.     Butenko D.V. System property of integrity with the formation of functional structures of the technical system. Inže­nerny vestnik Dona, 2013, no. 1 (in Russ.). Available at: http:// www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/1526 (accessed 2 Sep­tember 2013).

3.     Johnston F.S. The logic of relationship. NY, Philosophical Library, 1968.

4.     Koller R. Konstruktions method fur den Maschinen-, Gerate- und Apparatenbau [Design method for machine, device and apparatus construction], Springer, Berlin (West.), Heideberg, NY, 1976 (in German).

5.     Gillespi R. Geometriya molekul [Molecular geometry]. Moscow, Mir Publ., 1975, 282 p.

6.     Butenko D.V., Popov K.V., Ananyev A.S. Programmnye produkty i sistemy [Software & Systems]. 2012, no. 2, pp. 101–104.

7.     Polovinkin A.I. Basics of engineering creativity: Textbook. manual of technical institutions. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1988, 368 p. (in Russ.).