Основы формализации и моделирования

3.1. Цикличность преобразований

Преобразовательная деятельность человеческого общества непрерывно развива­ется благо­даря, во-первых, стремлению людей удовлетворить постоянно возрастающие потребности и, во-вторых, за счет внутренней генетически и социально обусловленной способности человека к дея­тельности, в т.ч. инновационного характера.

Технологическое преобразование обеспечивает получение пригодного для упот­ребления результата, удовлетворяющего некоторую потребность отдельного человека, группы людей или общества в целом. Потребности людей и темпы их возрастания от­ражают развитие общества и ос­новываются на результатах деятельности, полученных ранее.

Общая схема технологического преобразования представляет собой совокупность трех эта­пов (рис. 12): формирование результата преобразовательного процесса (этап А); построение соб­ственно процесса преобразования (этап Б); осуществление преобра­зования (этап С) с целью полу­чения требуемого результата.

Формирование образа результата действия преобразовательной системы осуще­ствляется по определенным правилам. Отличительной особенностью, выделяющей эту часть технологического преобразования, является поиск средства удовлетворения по­требности и построение его образа (облика) в виде какой-либо модели (текстовое опи­сание, графическое, звуковое и визуальное представление, натурная модель или макет и т.п.). Средство удовлетворения потребности может представлять собой либо некото­рый технический объект, либо способ. Объекты, удовлетворяю­щие непосредственные потребности людей, весьма разнообразны - колесо обозрения и качели, расческа и тю­бик губной помады, туфли, шляпа и пальто, салат и бифштекс, тепло и свет в жи­лище, автомобиль, книга, картина, скульптура, музыка и т.п. Способы удовлетворения по­требно­стей также отличаются большим разнообразием: туристическая поездка или по­ход, общение в оп­ределенной обстановке (ужин, дискотека, просмотр кино- и видео­фильма), оказание разного рода услуг и т.п. С помощью объектов и способов удовле­творяются не только непосредственные, но и все увеличивающиеся количественно технологические (преобразовательные) потребности людей в инструментах, оборудо­вании, производственных машинах, зданиях, сооружениях, а также, напри­мер, в сред­ствах приготовления пищи, ремонта одежды, хранения предметов потребления и ухода за ними и т.п.

Рис. 12. Последовательность циклов и этапов технологических преобразований:

А, Б, С - этапы; п-1, п, n+1 -циклы

Общим для этапа формирования образа результата преобразовательной системы является то, что в нем решается задача определения средства, отвечающего на вопрос: "Что требуется соз­дать в процессе преобразования?" Это средство отражает потреб­ность, которую требуется удовле­творять.

Построение преобразовательного процесса состоит в создании образа системы, включаю­щей действия и средства, которая в конкретной реальной среде обеспечивают превращение исход­ных ресурсов (материалы, энергия, интеллектуальные и физические способности персонала, деньги) в требуемый результат (продукт), образ которого по­лучен на этапе А. Построение преоб­разовательной системы также как и построение образа результата ее действия можно отнести к разряду информационных преобразо­ваний, поскольку они связаны с преобразованием исходной информации (информация о потребностях, информация о достигнутом уровне техносферы, ин­формация о дос­тигнутом уровне знаний о природе, обществе и человеке) в проект, который также представляет собой информацию (новое знание и новые представления) как некоторое прираще­ние к имеющемуся уровню ноосферы. Отличие этапа построения образа ре­зультата от этапа по­строения преобразовательной системы состоит в том, что первый ориентирован непосредственно на какую-либо потребность, а второй на образ резуль­тата, удовлетворяющего эту потребность. При проектировании преобразовательной системы потребность как таковая отходит на второй план.

Проектирование преобразовательной системы (этап Б) также как и осуществле­ние реаль­ного преобразования (этап С) связаны с одними и теми же объектами и сред­ствами. Однако при про­ектировании эти объекты и средства представлены в виде их образов и представлений, а в про­цессе преобразования объекты и средства применяют­ся в реальном виде.

Кроме того, существенным принципиальным отличием этапа формирования пре­образова­тельного процесса от реального преобразования является то, что построение преобразовательной системы начинается с анализа требуемого результата, а в реаль­ном процессе - с исходных ресур­сов.

Взаимосвязь этапов технологического преобразования состоит в следующем. В момент времени t1 (для цикла n) в обществе возникает решение некоторой проблемы, которая заключается в неспособности существующей техносистемы удовлетворить же­лания людей, их возросшую по­требность. Такую проблему можно отнести к социаль­но-техническому противоречию. Возникшее новое решение за период времени t1 – t2 усилиями специалистов соответствующей отрасли пре­вращается в некоторый образ реального объекта (средства или процесса), который способен удов­летворить потреб­ность на высоком уровне качества, т.е. способен устранить противоречие. Образ объ­екта может быть представлен в виде чертежей, алгоритмов, схем, текстового описания. Образ объекта представляет собой проект удовлетворения потребности, а процесс оты­скания образа и придания ему конкретного вида является проектированием средства удовлетворения потребности.

В период времени t2 – t3 осуществляется подготовка к созданию образа процесса преобра­зования в виде, например, описания технологических процессов, проектов ор­ганизации, программ для вычислительных машин и др. Одновременно продолжается выполнение этапа А - уточняется образ результата действия преобразовательной сис­темы в соответствие с ее реальными возможно­стями.

Период t3 -t4 соответствует формированию образа (проекта) преобразовательной системы, после чего начинается подготовка реального преобразовательного процесса в период t4– t5.

Реальный процесс преобразования (производство) продолжается некоторый пе­риод вре­мени t5 – t6 до появления нового заменяющего его процесса. Момент времени t5 относится одно­временно к окончанию этапа C_n-i и началу этапа С_n, а момент време­ни t6 - к окончанию этапа С_n и началу этапа С_n+1 При этом продолжается выполнение этапов А и Б - уточняются и совершенст­вуются проекты средства удовлетворения по­требности и процесса его получения.

Переход от цикла n-1 к циклу n и далее к циклу n+1 происходит либо в связи с отысканием способа устранения обострившегося противоречия между потребностью и качеством ее удовле­творения, либо в связи с появлением некоторого пионерного ре­шения, вызывающего к жизни но­вую, не существовавшую ранее потребность. Схема осуществления циклов технологических пре­образований аналогична: этапы А,Б,С сме­няют друг друга в указанной последовательности; между этапами А,Б,С существуют определенные переходные периоды в течение которых уточняется ре­зультат предыду­щего этапа и осуществляется подготовка к выполнению последующего; этап C_n-1 за­канчивается одновременно с началом этапа Сn, а этап С_n - с началом этапа C_n+1; этап А выпол­няется параллельно с выполнением этапов Б и С, а этап Б - с этапом С. Целью такого сопровожде­ния является непрерывное уточнение и дополнение проектов пре­образовательной системы и ее результата в направлении повышения их конкуренто­способности на основе вновь появляющихся научно-технических достижений (изобретений и открытий). Производство средства удовлетворе­ния потребности (этап С) продолжается некоторое время (t6-t7) "по инерции" несмотря на то, что уже нача­лось производство более высокого уровня; момент времени t1 нельзя указать или пред­ска­зать с приемлемой степенью точности, поскольку появление нового решения какой-либо про­блемы трудно планировать, хотя такие попытки делаются постоянно.

В дополнение к сказанному необходимо отметить, что между процессами проек­тирования А и Б отсутствует принципиальное отличие - они осуществляются по одним и тем же правилам. Разница состоит в объекте проектирования: в одном случае (этап А) это средство удовлетворения потребности, а в другом (этап Б) - процесс получения этого средства.

Цикличность преобразующей деятельности может быть проиллюстрирована так­же с помо­щью "S - диаграммы" (рис. 13).

Puc. 13. Диаграмма развития техносистемы: К- некоторый характерный показатель ка­чества; Кмах - предельно возможный уровень качества рассматриваемой техноси­стемы; К_исх -уровень качества удовлетворения потребности в момент t_ucx появления техносистемы; I, II, III-периоды "рождения", "бурного"развития и "угасания" техносистемы соответственно; а - точка перегиба (dk/dt=0).

На определенном этапе развития общества (ноосферы, техносферы) создаются предпо­сылки к появлению нового, неизвестного ранее решения или новой, не сущест­вовавшей ранее по­требности. В момент времени t_ИСХ это новое решение появляется (изобретается, например, паро­вая машина, токарный станок, радио, швейная игла, компьютер, соевые бифштексы, полимерная ткань, вакуумная и лазерная сварка и т.п.). При этом наиболее характерный параметр качества рассматриваемой техносистемы (мощность, скорость, калорийность, производительность, стои­мость, масса, термо­стойкость, электропроводность, прочность и т.п.), достигнутый к моменту времени t_исх. равен Кисх..

Появившееся новое решение (средство удовлетворения потребности и/или про­цесс получе­ния этого средства) проходит некоторый период "адаптации" в реальной социально-технической обстановке - люди к нему привыкают и совершенствуют его. Этот период можно условно назвать "рождением" техносистемы.

Этап интенсивного развития техносистемы, основанной на новом техническом решении, связан с тем, что в обществе появилось понимание его эффективности. По­требители результатов действия техносистемы "желают" их иметь, а специалисты, соз­дающие эту техносистему, спо­собны ее развивать. В ходе интенсивного развития тех­носистемы ее наиболее характерный пара­метр качества заметно увеличивается.

Однако любая техносистема имеет предел своего развития. Никакие усовершен­ствования, какими бы затратными и сложными они не были, не могут преодолеть это наибольшее из возмож­ных значение параметра качества рассматриваемой техносисте­мы. Применение в техносистеме иных материалов, автоматических и кибернетических устройств, изменение элементов надсис­темы асимптотически приближают качество к предельному значению, но преодолеть его не могут. Этот период существования и действия техносистемы, построенной на определенном принципе действия, можно также условно обозначить как период "угасания" техносистемы.

Прекращение развития техносистемы может происходить также по другой при­чине - со­вершенствование прекращают в том случае, если некоторый другой параметр качества недопус­тимо ухудшается, чрезмерно, например, растет негативное воздейст­вие техносистемы на природу и человека. При этом техносистема не достигает наибольшего значения своего характерного пара­метра качества. Такая остановка в разви­тии может произойти в любом периоде - при "рождении", "бурном" развитии и в пери­од "угасания".

Характерной особенностью диаграммы развития техносистемы является наличие точки пе­региба - точки а, в которой производная параметра качества по времени равна нулю (dK/dt=0). Эта точка совпадает с моментом развития, после которого вначале не­значительно, а затем все интен­сивнее происходит снижение темпов прироста качества - величина прироста качества за одинако­вый отрезок времени непрерывно уменьшает­ся.

Снижение темпов развития техносистемы и одновременное возрастание потреб­ностей вновь приводят общество к противоречию: "хочу больше, быстрее и лучше, но не имею возможно­сти". Это социально-техническое противоречие перерастает в тех­ническую проблему, которая устраняется с помощью очередного нового технического решения, основанного на ином принципе действия. Переход к новой техносистеме аналогичного назначения, как показывает история разви­тия техники, происходит в об­ласти точки "а" - чуть раньше или чуть позже (рис. 14). При этом система S2 заменяет систему S1, система Sз – систему S2 и т.д. Каждая следующая техносистема имеет пре­дел своего развития по характерному параметру качества - K_max1, Кмах2, К_мах3 и т.д. - а все они вместе создают некоторую общую линию развития (Sобщ) техносистем данного класса, удовлетворяющих определенную потребность. Можно предполагать, что гене­ральная линия раз­вития Sобщ имеет такой же вид, как и частные (S1, S2, Sn). В какой-то период времени рассматри­ваемый класс техносистем заменяется другим или потребно­сти, обслуживаемые этими техноси­стемами, становятся не актуальными - заменяются иными потребностями.

В качестве примера развития последовательной смены техносистем можно рас­смотреть эволюцию рельсового транспорта. Изобретение паровой машины и наличие гужевых транспорт­ных средств создало предпосылки для появления паровоза. Его по­явление вызвало в обществе не­однозначную, зачастую негативную, реакцию. В самом деле - много шума, дыма, а везет не больше, чем лошадь. Этот момент можно считать исходной отправной точкой класса механиче­ских рельсовых транспортных средств и паровоза, в частности. Однако упорство изобретателей и технические возможности XVIII столетия позволили создать приемлемую конструкцию паровоза во многих стра­нах, а также реальные и почти невероятные предложения по устройству железных до­рог, мостов, средств обслуживания, прицепного состава и т.д. Появляются новые про­фессии (стрелочник, машинист, обходчик), изменяется социальная жизнь - появляется возможность инте­ресных путешествий, ускоряется перевозка грузов и увеличиваются объемы перевозки. Паровоз не только признан в обществе, но и стал непременным ат­рибутом его жизни (как сегодня телевизор, автомобиль или ЭВМ).

Рис. 14. Последовательность циклов развития техносистем: S - диаграмма развития

техносистемы; К - некоторый характерный показатель качества; К_тах - предельно

возможный уровень качества техносистемы; t - время, t₁...t4- моменты времени,

соответствующие "рождению" техносистем; S2 ••• S5_: Sобщ- генеральная линия

развития техносистем одинакового назначения

Однако при возросших запросах общества к железнодорожному транспорту (хотелось еще быстрее, больше и лучше) паровоз уже перестал успевать за растущими потребностями. Развитие паровоза перевалило за точку "а". В этот период появляется новая техносистема - тепловоз, ско­рость движения которого, его мощность, коэффи­циент полезного действия превышали показатели паровоза.

Несмотря на это паровоз продолжали совершенствовать, пока окончательно не убедились в его низкой эффективности. А тепловоз прошел те же периоды своего раз­вития, что и паровоз - "рождение", "бурное" развитие и "угасание". Его заменила новая техносистема - электровоз, на смену которой уже подготовлена следующая техноси­стема - "магнитовоз" (рельсовое транспорт­ное средство на магнитной подушке). В дальнейшем возможны два сценария развития; либо на замену магнитовозу будет соз­дан "нечтовоз", либо железнодорожный транспорт будет вытеснен транспортными средствами другого класса (космический, автомобильный, авиационный, подзем­ный в трубопроводах и т.п.).

Переход от одной техносистемы к другой характеризует их циклическое развитие (S1, S2... S_n). В то же время это развитие является непрерывным (8₀бщ)- Процесс непре­рывно-циклического развития техносистем определенного класса отражает непрерыв­но-циклическое развитие техно­сферы в целом, а развитие общества и его мыслитель­ной сущности - ноосферы.

3.2. Морфология преобразования

Преобразование может быть осуществлено только при наличии определенной преобра­зующей системы, как целостной совокупности элементов. Выделение какого-либо процесса пре­образования из множества существующих можно осуществить путем анализа и сопоставления его элементов, т. е. тех необходимых атрибутов, которые и выделяют этот процесс из массы других. В качестве критериев классифицирования процессов могут рассматриваться следующие элементы: объект преобразования, пре­образуемый параметр (свойства) объекта, способ преобразования, про­цедура, уровень и результат преобразования, а также потребность, на которую ориентировано преобра­зование, (табл. 2).

Классификация преобразовательных систем и их элементов (табл. 2)

Преобразуемый объект и его параметр могут рассматриваться в качестве исход­ного ре­сурса. К исходным ресурсам принято относить три вида ресурсов: вещество (материал), энергию и информацию, а преобразуемым параметром объекта является его масса, форма, движение, состав и структура.

Примерами вещественных объектов преобразования могут служить естественные природые и искусственные, полученные в результате предыдущих этапов преобразо­вательной деятельности материалы. К первой группе относятся древесина, глина, гра­нит, руда, кварцевый песок, вода, ки­слород, нефть, каменный уголь и др. В группу ис­кусственных исходных объектов преобразования входят, например, льноволокно, про­дукты растениеводства, сталь, сплавы цветных металлов, пла­стмассы, ткани, а также изделия, подлежащие дальнейшему преобразованию (применению) в т. ч. в составе и совместо с другими изделиями - детали и узлы двигателя внутреннего сгорания, пу­го­вицы, черепица, оконные блоки, арматура, электролампы, пищевые полуфабрикаты и т. п. По мере развития техносферы количество исходных объектов, полученных в ре­зультате ранее выполнен­ных процессов, непрерывно возрастает по сравнению с есте­ственными (природными) материа­лами.

К энергетическим объектам относятся все виды энергии, которые изменяют свое состояние в процессе целенаправленного преобразования: механическая энергия теку­щей и падающей воды, движущегося воздуха (ветра), волн, приливов и отливов; теп­ловая энергия внутренних слоев земли, поверхностных слоев морей и океанов; хими­ческая энергия, содержащаяся в "законсерви­рованном" виде во всех видах топлива и в пище; энергия солнечного излучения; энергия радиоак­тивного распада; энергия грави­тации; электрическая энергия; энергия нагретых тел и сред; энер­гия биологическая, в т. ч. энергия действия мускульной силы и др. Некоторая трудность в выявле­нии энергии как объекта преобразования связана с тем, что все виды энергии существуют и прояв­ляются не сами по себе, а внутри вещества, при его посредстве или через его свойства.

Информационные объекты преобразования представляют собой знания, пред­ставления, суждения о мире, правила получения и пользования ими, а также правила и закономерности осу­ществления преобразований для получения требуемых результатов. К информационным объектам, как исходным ресурсам преобразования, могут быть от­несены явления и законы природы, обще­ства, техносферы, правила изучения их, алго­ритмы деятельности, модели объектов и систем, раз­говорные и компьютерные (синтетические, искусственные и др.) языки, математические правила и т. п. Информа­ционные объекты могут рассматриваться исходными ресурсами в том случае, если эти объекты изменяются в процессе преобразования, а само преобразование осуществляет­ся именно с целью изменения качественного и количественного состояния информа­ции. Например, некоторый ранее созданный алгоритм изучается, испытывается и из­меняется. Специально осуще­ствляемые процессы создания, уточнения и совершенст­вования правил, алгоритмов, расписаний, процессов преобразования материалов и энергии, знаний о законах и явлениях и т. п. можно отне­сти к процессам преобразова­ния информации. По аналогии с энергией информация может сущест­вовать и преобра­зовываться только при посредстве материалов, которые выполняют роль носите­лей информации - книга, аудио- и видеозапись, чертеж, рисунок и т. д. Процесс преобра­зования информации может рассматриваться как действие, направленное на совершен­ствование и развитие "мыслительной" оболочки земли - ноосферы.

Характерной особенностью любого преобразования является то, что независимо от вида процесса материалы, энергия и информация как исходные ресурсы и как объ­екты преобразования всегда участвуют совместно. Материальное преобразование со­провождается энергией и информа­цией. В энергетическом преобразовании одновре­менно участвуют материалы и информация, а преобразование информации невозмож­но без энергии и вещества. Тем не менее, в зависимости от целей преобразования одни из объектов являются основными (собственно объектами), а другие выполняют роль средства, среды или условия осуществления процесса. Иными словами преобра­зование материалов всегда сопровождается энергетическим и информационным преобразова­нием. Преобразование энергии также невозможно без наличия вещества, т. е. матери­ального носителя энергетического преобразования, и информации. Информация, как преобразуемый объект, также сопровождается энергетическими и вещественными пре­образованиями. Кроме того, отличитель­ной особенностью объектов преобразования является то, что часть вещества в процессе его изме­нения, транспортируясь в конеч­ный продукт, частично переходит в отходы, энергия в конечном счете превращается в тепло, а информация не теряется, она всегда накапливается.

В определенных случаях возникает ситуация, когда невозможно по каким-либо причинам провести преобразование системы, удовлетворяющей некоторую потреб­ность - или нет подходя­щих решений устранения проблемы (противоречия), или най­денное решение не может быть реа­лизовано на данном этапе технологического разви­тия, или преобразование требует больших затрат и т.п. Но необходимость удовлетво­рения потребности становится все более актуальной. Доста­точно часто преобразующее действие переносят в надсистему - изменяют состояние элементов надсистемы при со­хранении входящей в нее преобразовательной системы, непосредственно удов­летво­ряющей потребность. При этом объектами преобразования в надсистеме также явля­ются ма­териал, энергия и информация.

В процессе преобразования изменяется не весь объект преобразования, а один или не­сколько его параметров, свойств. Общими параметрами материальных, энерге­тических и инфор­мационных объектов преобразования являются их масса (объем, плотность, количество), форма, движение (вид, направление, скорость, ускорение), со­став (совокупность элементов и подсистем объекта) и структура (физическое и функ­циональное взаимодействие элементов объекта и после­довательность происходящих внутри объекта процессов).

В соответствующих преобразовательных процессах изменяется количество, плотность и объем вещества, энергии и информации, которые в целях ограничения критериев классифициро­вания могут быть объединены одним понятием - массой, как некоторой мерой. При этом под мас­сой информации как изменяемым параметром объ­екта понимается ее количество, выраженное в т. ч. и через объем и плотность. Под массой энергии также понимается ее количество, в т. ч. объем и количество в единице объема. Масса вещества, которая изменяется в преобразовательном про­цессе, также может быть измерена некоторым его количеством в т. ч. через объем и плотность. Здесь понятие "масса" несколько отличается от общепринятого в физике (масса - мера инерции). Масса в рассматриваемом морфологическом классифицировании рассматри­вается как параметр вещества, энергии и информации, который олицетворяет количе­ство, состояние этого количества и который подлежит изменению.

Значительное число преобразовательных процессов связано с изменением формы исходных ресурсов. Форма исходных заготовок и материалов преобразуется в готовые требуемые детали и изделие - кувшин, пуговица, гвоздь, выкройка, печенье, шестерня, автомобильная шина и др. Формы исходной энергии в энергетических процессах пре­образуется в другие формы - механиче­ская в электрическую, тепловую и наоборот, биоэнергия и химическая энергия в тепловую, элек­трическую, механическую и наобо­рот. Кроме того, электроэнергия может изменять частоту и на­пряжение, постоянный ток преобразоваться в переменный и т.п. Форма информации преобразу­ется из образ­ной в математическую, из текстового описания в графическое изображение, из откры­той в шифрованную, из текста на русском языке в текст на английском и т.п.

Преобразовательные процессы, целью которых является изменение параметров движения и положения в пространстве материалов, энергии и информации, изменяют направление, скорость, ускорение движения, а также вид движения - поступательное на вращательное, непрерывное на импульсное и вибрационное и др. - перевозка гру­зов, в т.ч. топлива, пищи, книг, газет, на авто-, авиа-, железнодорожном и речном транспорте; передача электроэнергии по проводам и с помо­щью аккумуляторов; изме­нение расположения информации в компьютере, на книжной полке, пе­редача инфор­мации по телефону, радиосвязи, компьютерным сетям и т.д. Исходным ресурсом здесь является вещество, энергия или информация, расположенные в одной точке простран­ства и имеющие определенные начальные параметры (направление, вид, скорость, ус­корение движения), в т.ч. нулевые, а результатом преобразовательного процесса - по­ложение этого исходного ресурса в некоторой другой точке и имеющего иные пара­метры движения.

Состав объекта преобразования как и сам процесс преобразования изменяется при включе­нии в него некоторых дополнительных элементов и подсистем или при их вынесении. Примерами изменения состава материальных объектов преобразования могут служить сборка и разборка дви­гателя автомобиля, приготовление теста из опре­деленных, установленных рецептом компонентов, строительство дома, сепарация мо­лока и др. С изменением состава энергетических объектов свя­заны, например, процес­сы очистки топлива, внесение добавок (присадок) в него. Преобразование состава ин­формации происходит в процессах создания и уточнения проектов и образцов всех эле­ментов техносферы.

Структура объекта преобразования (процесса или средства) характеризуется ви­дом и сово­купностью связей между его элементами, оказывающими определенное воз­действие друг на друга. Различают физические, химические и биологические, функ­циональные связи. Функциональная связь указывает на характер воздействия одного элемента объекта на другой, а физические - на то, как осуществляется это воздействие. Так функция пуговицы в одежде состоит в удержании (за­креплении) двух элементов друг относительно друга в определенном положении на некоторое время (образование разъемного соединения), а физически это удержание осуществляется именно с помо­щью пуговицы. Это же функция может осуществляться физически также с помощью кнопки, застежки-молнии, тесемок, булавки, "липучки" и др. Преобразовательные про­цессы, связанные с изменением структуры материального, энергетического или ин­формационного объекта, преобра­зуют либо функции его элементов, либо способы вы­полнения этих функций.

В реальных процессах осуществляется, как правило, одновременное преобразо­вание не­скольких параметров объекта. Однако отнесение процесса к тому или иному виду может быть вы­полнено по тому параметру, ради изменения которого создан и осуществляется весь процесс. Так целью процесса изготовления металлической детали из заготовки путем механической обработки является получение требуемой ее формы. Поэтому процесс механической обработки детали отно­сится к преобразовательным процессам изменения формы объекта, несмотря на то, что одновре­менно изменяется масса детали (часть материала заготовки превращается в стружку), ее состав (при об­работке поверхностные слои могут терять некоторые компоненты и насыщаться дру­гими), структура (изменяются химические и физические связи между элементами по­верхностного слоя за счет температуры и деформации), а также положение в простран­стве.

Исходные объекты преобразования подвергаются изменению с помощью каких-то опреде­ленных воздействий, методов. К ним относятся методы (способы): интуитив­но-логический (эври­стический, образный), логико-математический, физический, химический, биологический, фи­зико-химический, химико-биологический, физико-биологический и физико-химико-биологи­ческий.

Интуитивно-логическое и логико-математическое преобразования применимы к информа­ционным объектам. Они относятся к мыслительной деятельности человека и связаны с "мыслен­ным" (часто нереальным) изменением параметров и свойств мате­риалов, энергии и информации на уровне интуиции (подсознания) или путем осознан­ного применения известных правил мыслен­ного преобразования (логических, матема­тических) на основе естественнонаучного знания и опыта практической деятельности в т. ч. путем мысленного применения других методов преобра­зования (физических, кли­матических...). Интуитивно-логический и логико-математический ме­тоды преобразо­вания выполняются в процессе проектной деятельности (поиск новых решений), при составлении прогнозов развития, построении вариантов осуществления деятельности, при оп­ределении целей и т. п.

Другие методы преобразования реально применяются для материальных и энер­гетических объектов. В процессах преобразования неорганических материалов - физи­ческий, химический и физико-химический методы: механическое, электромагнитное, термическое воздействие, окисле­ние, восстановление, гальваническое (нанесение по­крытий), термохимическое ( получение спла­вов) и др. Для органических материалов применяются кроме указанных биологические методы преобразования биотехнологии и их комбинации с физическими и химическими. В сельскохозяй­ственных процессах применяются все методы преобразований: вспашка и рыхление почвы, удоб­рение ми­неральными и органическими веществами, термическая и электромагнитная обработка посевного материала и продукции и т. п. В кулинарии - механическое разделение пи­щевого сырья и полуфабрикатов, термохимическая обработка пищевых продуктов, сбраживание теста и приго­товление напитков (квас, пиво, вино), очистка механиче­ская, химическая и биологическая и т. п.

Энергия также преобразуется с помощью всех методов. В ветро- и гидроэлектро­станциях применяются физические методы, в теплоэлектростанциях - химические (горение) и физические, в атомных энергетических станциях - физические, в биогазо­генераторах - биологические, химиче­ские и физические и т. д. Энергообеспечение жи­лых и производственных помещений, производст­венных и бытовых процессов осуще­ствляется также с помощью физических, химических и биоло­гических методов.

Необходимо при этом отметить еще раз, реально методы преобразования мате­риалов и энергии применяются после их мысленного осознания и апробирования, т. е. предварительно пре­образование осуществлено интуитивно-логически и логико-математически. Не только собственно методы преобразования, но и все другие его ат­рибуты созданы, применены и получены в виде представлений, образов, схем, матема­тических расчетов и зависимостей, чертежей, описаний и др.

Процедуры преобразований, характеризующие характер осуществляемых опера­ций, можно разделить на следующие виды: разделение, соединение, измерение, сохра­нение, размещение, на­копление, моделирование, сбор, восстановление, разрушение, замена, деформирование, т. е. это такие виды операций, которые свойственны как ве­щественному объекту преобразования, так и энергетическому, и информационному -это по существу типовые операции преобразования.

Под разделением понимается деление целого на части: отделение, расчленение, разграни­чение, распределение и т. п. Например, резка овощей, отпиливание доски, разделение потоков энергии и информации на части, фильтрование, очистка и сепара­ция, разборка двигателя при его ремонте и утилизации и др.

Операция соединения заключается в образовании целого из частей (объединение, смеши­вание): сборка двигателя, приготовление салата, сшивание платья, передача энергии от разных станций в единую энергетическую сеть, объединение информации.

Измерение состоит в сопоставлении некоторого объекта, его части или свойства с количе­ственной или качественной мерой: определение напряжения электрического тока, измерение рас­стояния, определение количества информации и ее характера (математическая, социальная, есте­ственнонаучная, экономическая), дегустация пищи, определение эстетических качеств одежды и др.

В преобразовательной деятельности достаточно часто выполняется операция со­хранения объекта преобразования и его свойств в течение определенного времени: со­хранение продуктов в холодильнике, сохранение отходов радиоактивного распада, ох­рана материальных, энергетиче­ских и информационных ценностей (объектов, ресур­сов, сведений) от внешнего умышленного по­сягательства или стихии.

Операция размещения включает, например, действия по установке мебели в ком­нате, обо­рудования в швейном цехе, книг на полке, продуктов на прилавке магазина, людей (персонала) на фирме, источников энергии и системы энергоснабжения, инфор­мации в газете, на телевидении, в книге, в компьютере и т. п.

Преобразовательный процесс и его отдельные части как правило не могут осуще­ствляться при недостаточном обеспечении ресурсами и средствами. Отсутствие ресур­сов и средств ведет к его невозможности или нестабильности. Поэтому операция нако­пления, присущая материальным, энергетическим и информационным преобразова­тельным системам, выполняется для создания достаточного запаса ресурсов и средств: накопление объектов (продукты, ткани, пиломатериалы), энергии, сведений, средств (инструментов, расходных материалов, топлива, другой энергии, ин­формации в виде знаний и проектов, денег) и результатов преобразований (предметов потребле­ния, де­нег, сведений, знаний).

Реальный преобразовательный процесс предваряется, как правило, процедурами оптимиза­ции, связанными с отысканием наиболее эффективного решения или дейст­вия, которые выполня­ются путем мысленного, математического, физического или тех­нического моделирования процес­сов, средств и результатов. Для этого создаются и ис­следуются познавательные и прагматические, статические и динамические, образные, системные и другие модели. Результаты изучения и иссле­дования моделей применяют­ся в реальной деятельности.

Процедуры сбора также присущи процессам преобразования. В отличие от опе­рации со­единения сбор предусматривает отбор определенных элементов из среды (надсистемы) с одинако­выми или сходными свойствами: сбор фруктов, сбор урожая, сбор определенной информации, от­бор энергии от потока воды или ветра.

Восстановление предусматривает придание объекту первоначальных свойств, ут­раченных им по каким-либо причинам: в результате изнашивания, стихийного бедст­вия, неправильной экс­плуатации и др. Восстановление изношенных деталей ( каблук ботинка, шина автомобиля), разре­шающей способности кинескопа, запаса топлива, дамбы, разрушенной потоком воды, информации в компьютере, уничтоженной виру­сом и т. п.).

Разрушение как операция процесса преобразования выполняется во многих про­цессах. Эту операцию можно рассматривать как процесс, приводящий к операции вос­становления. Однако операция разрушения не предполагает последующего восстанов­ления. Более того, операция раз­рушения применяется целенаправленно для достиже­ния требуемого позитивного результата. Раз­рушение горной породы, разбивание скор­лупы яйца, раскалывание льда ледоколом, тушение по­жара и т. п.

Деформирование - операция изменения параметров объекта преобразования при сохране­нии его целостности: растяжка обуви, изменение русла реки путем строитель­ства дамб и каналов, изменение алгоритма путем уменьшения или увеличения элемен­тов, изменение напряжения и вида электрического тока с помощью трансформатора и выпрямителя и др.

Процедура замены какого-либо элемента или всего объекта имеет целью повы­шение эф­фективности действия техносистемы, улучшение ее качественного состояния. Замена элементов и объектов происходит по мере развития ноосферы в результате воз­росших потребностей и получе­ния новых знаний о мире, о возможностях его измене­ния. Замена металлических материалов на пластмассы, замена поршневого двигателя самолета на реактивный, замена механической резки материалов на лазерную, приме­нение новых способов и средств в получении энергии, замена ус­таревшей информации (книг, учебников, географических карт) и др. Операция замены осуществ­ляется непре­рывно в процессе человеческой преобразующей деятельности. За последние 50 - 100 лет заменялись не только отдельные элементы процессов и средств, но и вся совокуп­ность техно­систем, вся техносфера.

Указанные процедуры (операции) преобразования выполняются в различных процессах в определенной комбинации друг с другом и в определенной последова­тельности. При этом часть операций в каком-либо процессе может отсутствовать, а другие выполняются несколько раз. Так приготовление овощного салата включает операции: разделения (мойка овощей и их резка), со­единения (смешивание измельчен­ных овощей и приправ), измерения (дегустация ингредиентов и салата), сохранения (охлаждение в холодильнике или консервирование), накопления (подготовка необхо­димого количества овощей и приправ), размещения (перемещение готового салата в холо­дильник, на стол и раскладка на порции), моделирования (разработка рецепта и последовательно­сти его приготовления), разрушения (открывание пакетов со специя­ми, законсервированных ком­понентов, разбивание скорлупы яйца, если оно входит в состав салата).

В то же время операции преобразования могут трансформироваться в отдельные элемен­тарные преобразовательные приемы (действия), образующие в совокупности с другими собст­венно операции, т. е. относительно завершенные части преобразова­тельного процесса. С другой стороны операции преобразования могут составлять ос­нову и сущность целого преобразователь­ного процесса и комплекса. Так, на основе операции соединения построены швейная мастерская и сборочный цех автозавода, на операции сбора - горнорудная, угольная, газовая и нефтяная отрасли промышленного производства, операция измерения составляет основу метрологических служб и отрас­лей, моделирование является основной операцией многих отраслей науки и проектной дея­тельности.

Преобразование характеризуется четырьмя уровнями - ручное, механизирован­ное, автома­тическое и автоматизированное (кибернетизированное). Ручное преобразо­вание составляло основу деятельности в период формирования человеческого общест­ва, его материальной и духовной культуры. Операции преобразования объектов, глав­ным образом, естественного (природного) происхождения выполнялись, регулирова­лись, контролировались и планировались только самим человеком.

По мере развития общества энергия человека (биоэнергия) заменялась другими источни­ками. Все больше применялась энергия воды и ветра (ветряные и водяные мельницы), энергия го­рения и солнечная энергия. Изобретение паровой машины при­вело к революционному перевороту в преобразовательной деятельности. Замена био­энергии человека, применяемой в преобразова­тельных процессах, на другие виды

энергии привела к механизации процессов и скачкообразному росту эффективности и каче­ства преобразовательной деятельности, возвышению потребностей. Однако кон­троль за действием механизмов и машин, их регулирование и управление по-прежнему осуществлялись человеком.

Расширение ноосферы, увеличение ее массы ("мощности") за счет расширения и углубле­ния научных исследований и накопления практического опыта привело к соз­данию устройств и систем контроля, регулирования и управления преобразовательны­ми процессами, которые выпол­няли свои функции быстрее и точнее человека. Этап развития преобразовательных техносистем, связанный с передачей функций контроля, регулирования и управления от человека самим техно­системам (датчики, устройства сравнения, исполнительные органы и др.) определяется как их ав­томатизация (автоматическое осуществление процесса).

Следующий этап повышения уровня техносистем связан с введением в процессы и средства кибернетических устройств, которые по разработанной человеком програм­ме также осуществляют контроль, регулирование и управление процессом и средства­ми преобразования. Различие между кибернетизированными и автоматическими сис­темами состоит в том, что вычислительная система в зависимости от результата дейст­вия преобразующей системы выбирает управляющее воздейст­вие из некоторого мно­жества возможных вариантов, предусмотренных программой, что приводит к дости­жению более точного совпадения действительного результата действия техносистемы с требуемым. Автоматическая преобразующая система также осуществляет управляю­щее - регули­рующее воздействие, но число вариантов воздействия существенно огра­ничено - чаще всего пре­дусмотрен только один вариант управляющего воздействия. При этом различают гибкую (кибер­нетизированная система управления) и жесткую (автоматическое управление) обратные связи. С определенными оговорками можно говорить, что кибернетизированная система "думает" и при­нимает решение из множе­ства возможных. При этом "думанье" обеспечивается разработанной че­ловеком вы­числительной программой.

Классифицирование преобразовательных систем будет неполным, если оно не учитывает результатов преобразования. Результат преобразования может быть пред­ставлен по крайней мере двумя параметрами - форма результата и его назначение.

Любой результат преобразования имеет или материальный (вещественный), или энергети­ческий, или информационный вид (форму). Исходные объекты (ресурсы), также представленные материалами, энергией и информацией, посредством преобра­зующей системы приобретают новые свойства, качество которых обеспечивает по­требности человека и общества. При этом информа­ция, энергия и материалы могут преобразовываться в материалы, энергию другого вида и новую информацию.

Назначение результата преобразования связано с удовлетворяемой потребностью. Матери­альные, энергетические и информационные результаты предназначены для удовлетворения ви­тальных (жизненно необходимых, биологических), интеллектуаль­ных (познавательно-преобра­зующих) и духовных (эмоционально-психических) по­требностей. Один и тот же результат (салат, автомобиль, тепло батареи центрального отопления, книга) могут удовлетворять (и удовлетво­ряют) указанные потребности ли­бо одного индивида, либо разных людей ( одному - одни, другому - другие).

Кроме перечисленных классификационных признаков могут рассматриваться также и дру­гие свойства преобразующей системы, к которым относятся средства пре­образования, формы ор­ганизации процессов, управляющая система, надсистема и др. К средствам преобразования могут быть отнесены любые вещественные, информацион­ные и энергетические объекты и системы - ин­струменты, приспособления, механизмы, машины, оборудование, трансформаторы, пускатели, выпрямители, стабилизаторы, средства контроля, документация, средства транспорта и связи, коммуникации и т. п. Любой преобразовательный процесс может быть дополнен параметрами ор­ганизации выполнения процесса (концентрация и дифференциация, специализация и универсали­зация), а также последовательностью выполнения определенных процедур, операций, приемов, степенью параллельности и последовательности выполнения, т. е. совмеще­нием во времени опре­деленных циклов и этапов преобразования.

К надсистеме могут быть отнесены все элементы, с которыми взаимодействует рассматри­ваемая преобразовательная система в процессе своего действия, а эта преоб­разовательная система в надсистеме является отдельным элементом вместе с другими преобразовательными системами.

В реальной действительности не все варианты морфологического комбинирова­ния имеют какое-то конкретное воплощение. Часть вариантов в настоящее время еще не реализована (воз­можна их реализация в будущем), а часть вариантов принципиаль­но не может быть реализована из-за несовместимости отдельных элементов преобра­зующей системы. В целом представленная морфологическая классификация процессов позволяет увидеть весь спектр возможных преобразо­вательных процессов, реализуе­мых в техносфере. Эти процессы преобразования пересекаются между собой, допол­няют друг друга или выполняются параллельно. Классификация преобразова­тельных систем и их элементов применима как к техносфере в целом, так и к преобразователь­ному комплексу, процессу, операции и приему. При этом в одном и том же цикле пре­образования могут присутствовать множество различных вариантов классифицирова­ния.

3.5. Проектирование преобразовательной системы

Проектирование преобразовательной системы представляет собой процесс пре­образования имеющейся информации в некоторое новое состояние - новый информа­ционный продукт, который называется проектом. В процессе проектирования также как и в процессах преобразования мате­риалов и энергии некоторая совокупность ис­ходных ресурсов (исходная информация) с помощью известных и вновь создающихся средств (методы, способы, процедуры проектирования) создается требуемый результат (новая информация - проект).

Любой процесс проектирования осуществляется в три этапа. Первый из них свя­зан с фор­мированием совокупности требований к результату проектирования и обо­значается как этап пред­проектных исследований. Второй этап имеет целью создание собственно проекта в виде описаний, схем, чертежей, алгоритмов, программ, расчетов и т.п. Третий заключительный этап проектирова­ния предполагает оценивание качества проекта путем проведения измерений, испытаний, экспер­тиз и сопоставление получен­ных результатов оценивания с требованиями к проекту, установлен­ными на этапе предпроектных исследований.

3.3.1. Предпроектные исследования

При проведении предпроектных исследований и формулировании требований к преобразо­вательной системе учитываются все ее внешние и внутренние связи с други­ми преобразователь­ными системами. Эти связи, иллюстрирующие, по существу, взаи­мозависимость всех элементов среды жизнедеятельности человека и общества, могут быть представлены в виде схемы (рис. 15). Требования к преобразовательной системе должны учитывать следующие особенности.

Во-первых, будучи созданным внутри и при непосредственном воздействии пре­образова­тельной системы (ПCi) получаемый результат (Pi) выполняет свои функции (удовлетворяет неко­торые витальные, интеллектуальные, эмоционально-психические или технологические потребно­сти) внутри других преобразовательных систем (ПС j+1). Из объекта преобразования он превраща­ется в средство, которое в соответствующей системе выполняет определенное действие или сово­купность действий над другим объектом преобразования, обеспечивая тем самым получение дру­гого результата. В свою очередь, в рассматриваемой преобразовательной системе (ПСi) применя­ется множество результатов (предыдущих) преобразовательных систем в виде исходных ре­сурсов, средств осуществления преобразования (инструменты, машины, оборудование, средства связи, здания, дороги, транспорт и т.п.), а также в виде составных частей, входящих в собственный ре­зультат - комплектующие изделия, энергия (например, в батарейках) и информация (в виде инст­рукций, рецептов, расписаний и др.). По суще­ству любая преобразовательная система осуществ­ляет свое действие, используя резуль­таты действия предыдущих преобразовательных систем. Ее собственные результаты используются, в свою очередь, в последующих системах.

Pк Hi-1 ПCi-1 Pк Hi ПCi-1 Pк Hi+1 ПСi+1

Рис. 15. Взаимосвязь преобразовательных систем и их надсистем: ИР, ПП, Р, Н, ПС -ис­ходные ресурсы, преобразовательный процесс, результаты преобразования, надсистема, преоб­разовательная система, соответственно; i, i-1, i+1 -рассматриваемая, предыдущая и последую­щая преобразовательные системы, соответственно; Р_к -ре­зультаты действия других преобра­зовательных систем

В определенном смысле можно рассматривать любую преобразовательную сис­тему как со­вокупный результат действия других преобразовательных систем и, более того, как результат дей­ствия техносферы в целом и ноосферы, породившей техносферу.

Во-вторых, преобразовательная система выполняет свое действие в некоторой вполне определенной среде - в надсистеме (Hi). Элементы надсистемы, одним из кото­рых является и рассматриваемая преобразовательная система, не оказывают непосред­ственного воз­действия на объект, средства и способы преобразования. Они создают своеобразную природную социальную и материальную обстановку, в которой сущест­вует и осуществляет свое действие преобразовательная система. Общими элементами для всех преобразовательных систем являются, например, атмосфера и климатические особенности местности, земля и сила ее притяжения (гра­витации), флора и фауна в зо­не размещения преобразовательной системы, население с его образом жизни, уровнем культуры, социальными отношениями, а также другие преобразовательные сис­темы.

В-третьих, преобразовательная система выполняет свое функциональное назна­чение при непосредственном участии и под управлением людей (ее персонала). Дейст­вие преобразователь­ной системы зависит от квалификации и уровня образования ра­бочих, служащих, технических ра­ботников, управленческого состава и др. В то же время преобразовательная система влияет на раз­витие персонала, физическое, интел­лектуальное или эмоционально-психические состояние людей, участвующих в преоб­разовании.

Таким образом, совокупность требований к преобразовательной системе склады­вается из нескольких групп (блоков) требований, учитывающих внешние и внутренние взаимодействия сис­темы

Tnci= &(Тр_i Тпсi-1, Тн_i , Тп), где

Tпсi - совокупность требований к преобразовательной системе;

Трi - требования, связанные с результатом преобразования;

Тпсi-1- требования, связанные с результатами предыдущих преобразовательных систем;

Тн i- требования, связанные с надсистемой;

Тп - требования, связанные с персоналом преобразовательной системы.

Результат действия преобразовательной системы с одной стороны отражает за­просы потре­бителей этого результата, поскольку он является средством или объектом действия в последую­щей преобразовательной системе. А с другой - практически пол­ностью определяет состав и струк­туру преобразовательной системы поскольку он яв­ляется объектом ее преобразования. Поэтому требования Трi можно отнести одновре­менно к требованиям последующей преобразовательной системы к проектируемой, т.е.

Формирование образа результата в виде его проекта осуществляется в целом по тем же правилам и в той же последовательности, что и проектирование преобразова­тельной системы: изучается конъюнктура рынка (спрос - предложение), выполняется прогноз развития потребно­стей, выявляются недостатки аналогов, осуществляется по­иск новых решений и.т.д. При проекти­ровании преобразовательной системы результат ее действия принимается в качестве отправной точки в виде его проекта.

Параметры результата действия преобразовательной системы (ее продукта) де­лятся на три категории - функциональные, технологические и эксплутационные. Кроме того, существенное значение имеет необходимое количество продукта. К функцио­нальным параметрам относятся свойства продукта, связанные с выполнением им своей функции. Для автомобиля это грузоподъ­емность и скорость, для жилого помещения - теплопроводность стен и внутренний воздухообмен, для пищевых продуктов - кало­рийность, количество жиров, витаминов и минеральных веществ, для различных тка­ней - их воздухо- и влагопроницаемость, прочность, огнестойкость, теплопро­водность и др. Технологические параметры определяют технологичность продукта, т.е. возмож­ность продукта быть созданным (изготовленным) с наименьшими затратами при дос­тижении тре­буемого качества и в нужном количестве. Технологические параметры продукта являются основ­ными при проектировании преобразовательной системы. К ним относятся материалоемкость, тру­доемкость, энергоемкость, степень стандартиза­ции и унификации и др. К эксплуатационным па­раметрам относятся свойства продук­та, обеспечивающие выполнение своих функций в течение требуемого (заданного) пе­риода времени с наименьшими затратами в системе "человек (общество) - среда - про­дукт". Эксплуатационными показателями продукта являются надежность, долговеч­ность, ремонтопригодность, эстетичность, экологичность, травмобезопасность, эргономичность и др. Эти параметры продукта (и одновременно объекта преобразования) проектируемой преобразо­вательной системы (равно как и средства потребляющей преобразовательной системы) также ока­зывают прямое существенное влияние на ее состав и структуру.

Требования к преобразовательной системе, отражающие результат преобразова­ния (Трi), связаны с обеспечением точности исполнения указанных в проекте результа­тов параметров - точ­ность размеров и форм, физико-химических свойств материалов и покрытий, напряжения и час­тоты тока, температуры теплоносителя, теплотворной способности (калорийности) топлива, формы представления информации, ее состава, структуры и т.п.

Преобразовательные системы, результатом действия которых являются, соответ­ственно, подъемный кран, швейная игла, радиоприемник, электроэнергия, анализ ин­формации и тот же проект существенно отличаются друг от друга и составом средств преобразования, и его структу­рой, и персоналом - его специализацией и квалификаци­ей. Отличаются друг от друга и преобразо­вательные системы, выпускающие однотип­ную продукцию в разных странах. Так создание токар­ного станка особо высокой точ­ности значительно отличается от преобразовательной системы по созданию станка нормальной точности, а получение швейного изделия на фабрике России - от анало­гичного на фабрике Финляндии.

Такое отличие зависит не только от результата преобразования (его качества, стоимости, конкурентоспособности), но и от среды, в которой осуществляется преоб­разование - от надсис­темы (Нi) и отражает в конечном счете стремление общества, со­циальных групп и отдельных лю­дей к комфортной, безопасной, духовно и интеллекту­ально насыщенной жизни. И чем выше уро­вень культуры в обществе, тем выше требо­вания надсистемы. В последнее время все более акту­альным становится, например, требование общества к экологической безопасности преобразова­тельных систем. За­грязнение атмосферы, поверхности земли, рек и водоемов, радиоактивное, электро­магнитное, тепловое воздействие преобразовательных систем существенно изменили есте­ственную природу и среду жизнедеятельности человека в худшую сторону.

Преобразовательная система проектируется для реальных условий, отражающих уровень развития техносистем, достигнутый в обществе к началу проектирования. По­этому в проекте сис­темы могут применяться такие решения, которые либо существуют в техносфере, либо их осуще­ствление не связано с непреодолимыми научно-техническими и социальными препятствиями. В проекте системы преобразования мо­гут быть применены только такие исходные ресурсы, средства и способы, которые су­ществуют или могут существовать реально. Применение непроверенных решений, фантастических идей, недоступных средств и ресурсов делает невозможной практиче­скую реализацию всего проекта. Иными словами, совокупность результатов действия предыдущих преобразовательных систем (материальных, энергетических, информаци­онных) ограничивает воз­можности будущей преобразовательной системы. Это отра­жается на проектируемой системе через требования Тпс i-1, устанавливающие пределы возможностей создающейся системы, действие ко­торой будет осуществляться в реаль­ной среде. Так, для системы изготовления одежды могут при­меняться такие машины и устройства, которые выпускаются промышленностью или которые прошли испытания и подготовлены к выпуску в соответствующих преобразовательных системах. Для по­лучения и трансформации электроэнергии не могут быть применены установки термо­ядер­ного синтеза (например, типа ТОКАМАК), т.к. они еще не дают требуемого ре­зультата. В систе­мах преобразования информации нельзя применять несуществующие компьютерные программы или программы, являющиеся недоступными (например, секретными) и т.п.

К числу ограничивающих условий (требования Тпс i-1) могут быть отнесены так­же квали­фикация и количество людских ресурсов местности, в которой предполагается реализация проекта преобразовательной системы. Людские ресурсы (персонал) можно рассматривать как результат действия специфической преобразовательной системы - системы образования, которая осуществ­ляет профессиональную подготовку общества, преобразует людей из неграмотных в грамотных, из "неумеющих" в "умеющих". Сис­тема образования "делает" рабочих, служащих, врачей, инжене­ров... Отсутствие рабо­чих, служащих, управленческих кадров требуемой квалификации и соответ­ствующего спектра профессий создает существенные, часто непреодолимые трудности в осущест­влении проекта преобразовательной системы в некоторой конкретной местности или регионе.

Персонал преобразовательной системы - это живые люди, обладающие кроме профессио­нальных знаний и умений также и физическими, интеллектуальными и ду­ховными качествами, свойствами и потребностями. Поэтому в проектируемой системе, внутри которой люди выпол­няют свои функциональные действия, должны быть обес­печены соответствующие условия.

К преобразовательной системе с позиций ее персонала предъявляются требова­ния (Тп) по сохранению здоровья, а так же эргономические, эстетические и экономи­ческие требования. Вы­полнение этих требований должно обеспечить, по крайней мере, сохранение (не ухудшение) фи­зического и эмоционально-психического состояния уча­стников преобразовательной системы, а также их материальное обеспечение.

Безопасность преобразовательной системы по отношению к ее персоналу опре­деляется не только отсутствием возможности получения "случайных" травм, отравле­ний, стрессов, но также и отсутствием процедур, приемов и операций, связанных с поднятием и перемещением тяжестей, с монотонным характером деятельности, с раз­личного рода излучениями (тепловое, электромагнит­ное, радиационное), с выделением вредных газообразных, жидких и твердых веществ и т.п.

Преобразовательная система должна быть эргономичной и эстетичной, поскольку от этого зависит не только трудоспособность персонала и производительность труда, но также психологи­ческое состояние людей, которое может переноситься ими за пре­делы преобразовательной сис­темы (например, в семью) и влиять на других людей. Кроме того, благоприятная и удобная преоб­разовательная система способствует стремлению человека к собственному интеллектуальному и духовному развитию.

Экономические требования персонала к преобразовательной системе определя­ются уров­нем (размером) вознаграждения за собственную деятельность, возможно­стью его роста и стабиль­ностью преобразовательной системы в течение достаточно длительного времени. Иными словами преобразовательная система должна быть при­быльной, стабильной, способной к быстрой адапта­ции к изменению внешних и внут­ренних условий за счет непрерывного совершенствования средств и способов преобра­зования, повышения квалификации персонала и качества материаль­ных, энергетиче­ских и информационных ресурсов через повышение требований к ним, а также за счет непрерывного улучшения результатов действия системы (качества) и уменьшения за­трат (се­бестоимости).

Таким образом, предпроектные исследования являются чрезвычайно ответствен­ным и сложным этапом проектирования преобразовательной системы, от которого за­висит ее качество и конкурентоспособность. Все результаты предпроектных исследо­ваний представляются в виде ка­кого-либо документа. В зависимости от вида преобра­зования таким документом может быть мно­готомный труд или небольшое по объему сочинение. В любом случае обобщенные результаты предпроектных исследований представляют собой задание на выполнение проекта преобразова­тельной системы.

5.5.2. Выполнение проекта

На основании задания на выполнение проекта выполняются собственно процеду­ры проек­тирования. Проект преобразовательной системы представляет собой полное ее описание в виде текста, совокупности графических материалов, спецификаций, ве­домостей, инструкций, программ для ЭВМ и др.

Процесс проектирования состоит из пяти взаимосвязанных этапов. К ним отно­сятся:

-отработка (доработка) задания на проектирование преобразовательной системы с целью повыше­ния ее технологических свойств (технологическая отработка);

-разработка процесса преобразования;

-разработка проекта организации преобразовательного процесса и системы в це­лом;

-построение экономической структуры преобразовательной системы;

-формирование системы управления.

Каждый из этапов проектирования и результаты их выполнения представляют собой отно­сительно самостоятельные и взаимозависимые подсистемы. Последова­тельность проектирования может быть представлена схемой (рис. 16). Особенность создания проекта преобразовательной системы состоит в том, что при выполнении ка­ждого этапа учитываются возможности последую­щих, а при невозможности достиже­ния нужных результатов вносятся уточнения в предыдущие этапы.

В процессе технологической отработки задания на проектирование решается в конечном счете задача удешевления будущей преобразовательной системы, повыше­ния ее надежности, обеспечения возможности оперативной адаптации к изменению внешних условий и др. при усло­вии обеспечения результатов требуемого качества (уровня). Эта задача также решается с учетом возможности осуществления технологи­ческих, организационных, экономических и управленче­ских параметров проектируе­мой системы. По важности этап технологической отработки задания на проектирова­ние сопоставим с предпроектными исследованиями и разработкой собственно за­дания на проектирование преобразовательной системы. По существу технологическая отра­ботка задания на проектирование заключается в формировании требований будущей преобразователь­ной системы к совокупности требований к самой этой преобразова­тельной системе. Эти требова­ния формируются с учетом потребных результатов пре­образования (Тр), предыдущих преобразо­вательных систем (Тпсi-1) надсистемы (Тп) и потребностей персонала (Тп). Определяется допусти­мость (реальность) требований к преобразовательной системе (Тпс) с учетом возможности их осуществления.

Рис. 16. Последовательность проектирования преобразовательной системы

Тпс<= [Тпс], где

[Тпс] - допустимый уровень требований к преобразовательной системе, учиты­вающий воз­можности ее осуществления на основе применения современных (известных) средств, процессов, систем.

Допустимые требования отражают современный уровень технологического раз­вития обще­ства - наиболее прогрессивные решения в организации преобразования, в области создания техно­логических средств и процессов, а также современные эконо­мические и управленческие достиже­ния.

В процессе проектирования возникают случаи невыполнения указанного условия - требо­вания к преобразовательной системе превышают ее возможности. При невоз­можности достижения требуемых результатов известными средствами по технологиче­ским, организационным, экономи­ческим или иным причинам и нежелательности вне­сения изменений в задание на проектирование (например, из-за снижения конкуренто­способности, невыполнении экономических требований и др.) возникает так называе­мая противоречивая (проблемная) ситуация (надо получить такой-то ре­зультат, а его получить невозможно). Эта ситуация разрешается тремя путями - либо от проекти­ро­вания преобразовательной системы отказываются, либо отыскиваются новые, не быв­шие ранее решения, позволяющие получить требуемые результаты, либо снижается уровень требований (Тпс) к преобразовательной системе. Чаще всего за счет мобили­зации материальных и интеллек­туальных ресурсов, применения эвристических методов поиска новых решений удается найти не­обходимые решения и преодолеть проблемную ситуацию.

Эффективность выполнения технологической отработки задания на проектиро­вание может быть оценена через количество возникающих на последующих этапах проблемных ситуаций. Чем их меньше, тем более качественно выполнен этап техноло­гической отработки.

При проектировании преобразовательной системы в зависимости от материаль­но-финансо­вых, кадровых или иных условий не всегда имеется возможность примене­ния современных наи­более прогрессивных и эффективных решений. Особенно это ка­сается небольших преобразова­тельных систем (например, малые предприятия, фирмы, кооперативы и др.). В связи с этим допус­тимый уровень требований существенно сни­жается, что делает невозможным осуществление про­ектирования преобразовательной системы и ее реализацию, т.к. при этом требования к преобразо­вательной системе (Тпс) превышают допустимые ([Тпс]).

Технологическая отработка - это своего рода экспертиза задания на проектирова­ние. Экс­пертной оценке подвергаются требования задания, связанные со следующими возможностями: обеспечения преобразовательной системы ресурсами соответствую­щего качества; получение тре­буемых результатов с помощью доступных процессов и средств преобразования; комплектования преобразовательной системы трудовыми ре­сурсами, осуществления наиболее простой организа­ционной структуры; достижения наилучших экономических показателей, формирования управ­ленческой структуры и др. Результаты экспертизы в виде рекомендаций вносятся в задание на проектирование при условии, что вносимые изменения не повлияют существенно на снижение уровня качества результата преобразования, В проведении технологической отработки могут при­нимать участие специалисты (профессионалы) высокого уровня из разных отраслей человеческой деятельности - инженеры, психологи, социологи, менеджеры, маркето­логи, экологи, дизайнеры, врачи, учителя и др., а в необходимых случаях - политики, представители общественности, воен­ные и т.п. Для малых преобразовательных систем из-за недостаточности их материально-финансо­вых ресурсов количество экспертов минимально, а качество экспертизы зачастую отличается не­высоким уровнем.

Результатом выполнения этапа технологической отработки является уточнение, дополнен­ное и доработанное задание на проектирование преобразовательной системы.

Центральным звеном цепочки построения собственно проекта преобразователь­ной сис­темы, определяющим последующие стадии проектирования, является этап раз­работки технологи­ческого проекта. Задача технологического проекта состоит в том, чтобы сформировать совокуп­ность необходимых воздействий (состав, структура, па­раметры) на объекты преобразования, обес­печивающих получение требуемых результатов; установить определенную последовательность (маршрут) осуществления этих воздействий; построить образ исходного состояния объектов пре­образования (заготовки, сырье, полуфабрикаты); определить и разработать средства преобразова­ния (инструменты, оснастка, оборудование и т.п.). Результат решения задач технологиче­ского проектирования представляет собой технологический процесс.

Технологическое проектирование начинается с анализа доработанного задания. При этом устанавливаются тип преобразовательной системы, количество создающего­ся продукта (продук­ции) за определенный период времени, характер (параметры каче­ства) продукции, ритм выпуска, а также ограничения на преобразовательную систему, накладываемые надсистемой, предыдущими преобразовательными системами и тре­буемыми условиями труда персонала.

Результат действия преобразовательной системы (характер продукции) анализи­руется по трем группам параметров качества - функциональным, технологическим и эксплутационным, ко­торые необходимо обеспечить при технологическом проектиро­вании (см. выше). Анализу подвер­гаются применяемые материалы, масса, габаритные, присоединительные, монтажные размеры и точность их выполнения, физико-химические свойства, энергетические параметры и параметры их носителей, форма представления и состав информационного продукта и др. Анализ продукции по­зволяет определить в общих чертах виды процессов и средств, пригодных для осуществления пре­образования; установить сходство и различие в сравнении с продукцией аналогич­ных преобразо­вательных систем; а также выбрать в качестве аналога (или прототипа) лучшую преобразователь­ную систему, если таковая существует.

Различают два типа преобразовательной системы - с полным (замкнутым) и не­полным тех­нологическим циклом. В системах с полным технологическим циклом все процедуры преобразо­вания (и их результаты) осуществляются внутри системы. В сис­темах с неполным циклом - вы­полняется только часть таких процедур. В качестве ис­ходных объектов преобразования в системах с неполным технологическим циклом применяются созданные в предыдущих системах заготовки, полуфабрикаты и готовые изделия как составная часть продукции проектируемой системы. Все преобразователь­ные системы принято делить в зависимости от количества выпускаемой продук­ции на единичные, серийные (мелко-, средне- и крупносерийные) и массовые. Преобразова­тель­ные системы, в которых создается единичная, не повторяющаяся в последующем продукция, от­носятся соответственно к единичным. Если в преобразовательной систе­ме создается некоторое множество единиц продукции, а выпуск этой продукции про­должается длительный период вре­мени, то такую систему относят к массовой. Система с серийным выпуском продукции связана с периодичным изменением вида продукции в течение определенных промежутков времени. На ос­новании анализа задания на про­ектирование предварительно устанавливается также состав и структура преобразова­тельной системы по приведенным выше морфологическим параметрам (см. п. 3.2.).

Производительность (мощность) преобразовательной системы определяются ритмом вы­пуска продукции. Ритм определяется количеством произведенной продук­ции в единицу времени (шт./мин., кг/мин., квт ч./мин., байт/мин и т.п.).

Ограничения, накладываемые на преобразовательную систему, указываются в за­дании на проектирование в виде требований к ней со стороны надсистемы, предыду­щих преобразователь­ных систем и персонала. В общем случае это экологические, со­циальные, экономические ограни­чения, ограничения, связанные с результатами дейст­вия предыдущих преобразовательных систем (поставщиков), а также требования к ус­ловиям труда персонала (безопасность, режим работы, сменность и др.).

Результаты анализа доработанного задания представляют собой исходные данные для тех­нологического проектирования преобразовательной системы.

Результат действия преобразовательной системы может представлять собой либо некото­рый неделимый продукт, либо продукт, состоящий из множества составных частей и элементов, объединенных определенным образом в единое целое, имеющее одно (или несколько) функцио­нальное назначение. В первом случае такими продукта­ми являются, например, пуговица, канце­лярская скрепка, батон хлеба, программа для ЭВМ и др. К продуктам, состоящим из составных частей и элементов, относятся часы, швейная машина, газовая плита, жилой дом, электростанция, овощной салат, брюки, а также, например, пакет прикладных программ для ЭВМ, имеющий еди­ную (общую) функцию, не присущую ни одной из относительно самостоятельных программ па­кета.

Поэтому технологический проект преобразовательной системы представляет со­бой сово­купность технологических процессов для всех элементов и частей продукта, создающихся в про­ектируемой преобразовательной системе, а также процессы их со­единения и испытания.

Для частей и элементов, создание которых предполагается в других преобразова­тельных системах, технологические процессы не разрабатываются. Это происходит по­тому, что подав­ляющее большинство современных преобразовательных систем отно­сится к специализированным системам с неполным технологическим циклом, имею­щим большое число внешних связей с сис­темами-поставщиками комплектующих час­тей и элементов. Так в состав технологического про­екта автомобиля (для сборочного автозавода) не входят технологические процессы изготовления электропроводов, шин, регуляторов напряжения, датчиков и др. Эти элементы и части предпола­гается приоб­ретать по кооперации от других преобразовательных систем (поставщиков). Анало­гично в проекте электростанции не разрабатывается технологический процесс изго­товления гене­ратора, в проект изготовления платья не входит процесс создания ткани и фурнитуры, в информа­ционный технологический процесс не включаются процессы разработки программ, компьютеров, множительной техники и т.п.

Какой бы большой по составу не была продукция преобразовательной системы, она фор­мируется путем создания каждого ее элемента с последующим их объединени­ем в составные части и в функционально целый продукт. При этом можно выделить три вида технологических преобразовательных процессов: процессы получения еди­ничного неделимого элемента, процесс соединения элементов друг с другом для обра­зования частей и целого продукта и процесс испыта­ния (контроля) продукта.

Технологические процессы создания элементов, соединения частей и испытания разраба­тывается в следующей последовательности:

- определение необходимого количества требуемых преобразовательных приемов и пере­ходов;

- построение последовательности (маршрута) выполнения преобразований;

- определение номенклатуры и проектирование средств преобразования;

- формирование технологического процесса.

Формирование состава (совокупности) минимально-необходимого числа элемен­тарных преобразований начинается, как правило, с определения приемов и переходов, обеспечивающих получение требуемых параметров результата. Таких приемов и пере­ходов, которые являются за­ключительными. При этом выявляется состояние объекта преобразования, необходимое для того, чтобы эти заключительные приемы и переходы позволили получить требуемые конечные пара­метры создающегося продукта. Затем, если это необходимо, устанавливаются поочередно все пре­дыдущие приемы и перехо­ды, позволяющие осуществлять последующие до тех пор, пока исход­ное состояние

объекта преобразования не совпадают с параметрами имеющегося исходного ресурса (ис­ходного состояния заготовки, полуфабриката, сырья, информационной базы). За­ключительный ре­зультат преобразовательного (технологического) процесса может быть представлен в виде

ПКj

P - заключи­тельный (требуемый) результат (продукт) технологического процесса;

ПКj - некоторый требуемый параметр качества - величина, состояние, точность (погреш­ность) и др. размеров, массы, скорости, мощности, частоты, напряжения, со­става, структуры и т.п., определяющий в совокупности с другими требуемый результат.

j - индекс соответствующего параметра, j=l...n

В свою очередь уровень качества каждого отдельного параметра продукта дости­гается че­рез совокупность последовательных приращений качества, достигаемых при выполнении элемен­тарных приемов и переходов

где ПK_иj - j-ый параметр качества, соответствующей исходному состоянию объек­та преоб­разования;

АПКji - величина приращения j-ro параметра качества, достигаемая при выполне­нии i-го элементарного преобразования (приема и перехода);

i - порядковый номер элементарного преобразования, i=l...m.

Очевидно, что исходное состояние объекта преобразования представляется в ви­де совокуп­ности параметров качества:

где ПКи - обобщенный (суммарный) показатель качества исходного ресурса (сырье, заго­товка, полуфабрикат, комплектующее изделие, составная часть).

При этом последовательность назначения элементарных преобразований осуще­ствляется в направлении от последнего (заключительного) преобразования до первого, для которого исход­ным является исходное состояние объекта

Особенность преобразовательного процесса заключается в том, что какое-либо элементар­ное преобразование, обеспечивающее приращение качества соответствую­щего параметра, в по­давляющем большинстве случаев неизбежно влияет на изменение состояния некоторого (или не­скольких) другого параметра. Величина приращения ка­чества какого-либо параметра или увели­чивается, или снижается при выполнении по­следующих элементарных преобразований, которые одновременно обеспечивают при­ращение качества другого параметра. Это существенно услож­няет процесс технологи­ческого проектирования.

Для выявления степени влияния элементарного преобразования на параметры ка­чества объекта и получения однозначного (определенного) результата выполнения элементарных прие­мов и переходов, по-разному влияющих одновременно на несколь­ко параметров, проводят много­факторный эксперимент, или основываются на преды­дущем опыте, полученном в других преобра­зовательных системах с аналогичными ус­ловиями. Из множества вариантов осуществления эле­ментарного преобразования вы­бирается такой вариант, который обеспечивает, во-первых, наи­большее приращение качества какого-либо одного (основного) параметра, во-вторых, повышение качества других параметров и, в-третьих, не снижение качества последних.

Однако такой вариант часто не отыскивается. Поэтому возникает проблемная си­туация, разрешение которой возможно, по крайней мере, двумя путями - введение до­полнительных (кор­ректирующих) элементарных преобразований, устраняющих отри­цательное влияние предыдущих преобразований, или совершенствование этих преды­дущих преобразований за счет создания но­вых технических решений.

Влияние элементарных преобразований на результаты предыдущих (искажение достигну­того уровня качества каждого параметра) и на условия выполнения после­дующих выявляется и устанавливается во время формирования последовательности выполнения переходов и операций при построении маршрута преобразования. После­довательность выполнения приемов и переходов схематически представляется в виде графа (рис. 17). Как правило, процесс преобразования исход­ного объекта в конечное состояние может осуществляться несколькими вариантами. Лучшим из них признается вариант, обеспечивающий, во-первых, достижение требуемого качества конечного продукта и, во-вторых, наименьшие затраты на преобразование. Первое условие явля­ется, по су­ществу, безусловным, не имеющим альтернатив, а второе связано с множе­ством факторов преоб­разовательной системы.

Рис. 17. Варианты последовательности выполнения преобразований (маршрут преобразования: а, б, в - варианты, ЭП - результаты элементарного преобразования, t - преобразовательная процедура (прием, переход, операция)

Решение задачи снижения затрат на преобразование обеспечивается несколькими путями:

• выбором наиболее подходящих исходных ресурсов (материалов, заготовок,
сырья, полуфабрикатов, видов энергии и энергоносителей, продуктов преды-­
дущих информационных преобразований и т.п.);

• формированием наименьшей совокупности элементарных преобразований и
выбором наиболее короткого маршрута за счет исключения дополнительных и
корректирующих процедур;

• сокращением затрат живого труда персонала и передачей преобразовательных
функций (действий) от человека техносистемам и сокращением времени
(продолжительности) преобразований;

• выбором наиболее эффективных и одновременно простых и надежных средств преобразований (инструменты, приспособления, оборудование, оргоснастка, вспомогательные средства и т.п.);

• увеличением количества создающегося продукта (повышение серийности) и др.

Качество исходного состояния объектов преобразования и других ресурсов обес­печивается предыдущими преобразовательными системами. Оно определяется, с одной стороны, требова­ниями (потребностями) разрабатываемой преобразовательной систе­мы и, с другой - возможно­стями предыдущих систем. Основным критерием качества исходных ресурсов является степень их соответствия конечному результату по техни­ческим и экономическим параметрам. Чем меньше элементарных преобразований (по количеству и затратам) необходимо осуществить для превра­щения исходных ресурсов в конечный результат, тем более качественными они являются.

Снижение затрат на преобразование исходного объекта в конечный результат достигается также за счет выбора таких элементарных воздействий, которые обеспечи­вают прирост качества объекта одновременно по нескольким его параметрам и не тре­буют введения дополнительных и корректирующих приемов и переходов.

Сокращение продолжительности процесса преобразования достигается за счет:

• совмещения по времени отдельных элементарных преобразовательных проце­-
дур (параллельное преобразование);

• совмещения в пространстве (в одной операции) нескольких элементарных
преобразований (принцип концентрации);

• одновременного воздействия на несколько объектов преобразования несколь-­
кими средствами.

Затраты живого труда (трудоемкость) могут быть снижены путем применения в преобразо­вательных процедурах механизированных, автоматизированных и киберне­тизированных средств преобразования.

Увеличение количества (объема) продукта преобразовательной системы может быть дос­тигнуто несколькими путями. Во-первых, за счет расширения сфер и объемов потребления про­дукта в последующих преобразовательных системах (повышение функциональных, эргономиче­ских и эстетических свойств продукта, интенсивная рек­ламная деятельность, адаптация продукта к различным сферам потребления - создание множества функционально подобных вариантов и др.). Во-вторых, за счет применения в продукте преобразовательной системы наибольшего количества элементов, приме­няемых в продуктах других преобразовательных систем (унификация и стандар­тизация элементов и подсистем).

Средства, с помощью которых осуществляются элементарные преобразования и процесс в целом (инструменты, материалы, приспособления, оборудование, а также энергия и информация как средства преобразования в материальном, в энергетическом и информационном преобразова­тельных процессах), выбираются из числа создающих­ся в предыдущих преобразовательных сис­темах или разрабатываются специально в процессе проектирования рассматриваемой системы.

Средства преобразования представляют собой результат действия другой (иной) преобра­зовательной системы. Однако создаются они по той же схеме, что и процесс преобразования - от формирования совокупности требований к ним со стороны потре­бителя (проектируемая преобра­зовательная система); надсистемы и персонала систе­мы, создающей эти средства; а также с учетом возможностей предыдущих преобразо­вательных систем (поставщиков). Средства преобразования выбираются и разрабаты­ваются так, чтобы были обеспечены параметры и результаты элементар­ных преобразо-

ваний и одновременно удовлетворяли бы всем требованиям, установленным в задании на проектирование рассматриваемой преобразовательной системы.

Построение технологического процесса как целостной преобразовательной сис­темы (или подсистемы) заключается в соединении результатов предыдущих этапов разработки технологиче­ского проекта. Технологический процесс включает в себя:

• описание исходных ресурсов (их совокупность и состояние);

• перечень элементарных преобразований (приемы и переходы) и достигаемых
промежуточных результатов с указанием параметров воздействия и затрат жи­-
вого труда, последовательности их выполнения (маршрут) с указанием степени
и способов совмещения в времени и пространстве;

• перечень средств осуществления элементарных преобразований.

Качество технологического процесса, его способность обеспечить получение требуемого результата, могут быть установлены путем сопоставления совокупности внутренних требований к каждому элементарному преобразованию со стороны других, а так же и совокупности соответст­вующих достигаемых промежуточных результатов (рис. 18).

Рис. 18. Схема взаимозависимости результатов элементарных преобразований (ЭП),

составляющих технологический процесс: Т- требование; Р -результат; i, i-k, i+m,

п - порядковые номера элементарных преобразований; k, т - целые числа,

1 _<k <i, 1 _<т<(n-1)

Если совокупность результатов (Р) соответствует (удовлетворяет) совокупности предъяв­ляемых требований (Т) по всем элементарным преобразованиям, то техниче­ский процесс можно считать сбалансированным и пригодным для выполнения после­дующих этапов проектирования. Если какой - либо результат не удовлетворяет требо­ваниям, то возникает задача оптимизации или дальнейших изысканий по формирова­нию элементов и технологического процесса в целом. Реше­ние задачи согласования результатов и требований возможно, по крайней мере, тремя путями:

• изменением того или иного требования,

• изменением соответствующего результата за счет выбора других режимов,
средств или их параметров (оптимизация процессов);

• введением дополнительных корректирующих элементарных преобразований.
Технологический проект преобразовательной системы, основу которого составляет технологиче­ский процесс, представляет собой исходную информацию для разра­ботки организационного про­екта. Технологический проект включает:

· перечень и характеристики исходных ресурсов (основные и вспомогательные
материалы, виды энергии и энергоносители, виды информации - документы,
инструкции, стандарты и др.);

· технологический процесс;

· перечень средств преобразования и их характеристики, в т.ч. задания на разра­-
ботку и собственно проекты специальных средств преобразования;

· характеристику трудовых ресурсов - профессии, квалификация, количество
персонала, связанного с непосредственным преобразованием исходного объ-­
екта в требуемый результат (продукт).

Проект организации преобразовательной системы предусматривает разработку комплекса мероприятий, связанных с осуществлением процесса преобразования в про­странстве и времени. Организационный проект служит упорядочению, оптимальному расположению и наиболее эффек­тивному взаимодействию всех элементов системы. Главная цель проекта состоит в создании усло­вий действия преобразовательной систе­мы, обеспечивающих получение ею требуемого результата (качество, количество, ас­сортимент) в заданные сроки с минимальными затратами.

Проект организации преобразования включает:

· выбор метода организации преобразовательного процесса;

· дробление процесса преобразования на отдельные относительно самостоя­тельные функциональные элементы и выделение их в элементы организацион­ной структуры;

· построение схем размещения оборудования и рабочих мест во взаимосвязи с движением, хранением и расходованием материально-энергетических ресур­сов;

· формирование вспомогательных и обслуживающих преобразовательных под­систем;

· определение необходимого потенциала трудовых ресурсов, связанных с дея­тельностью по организации преобразовательной системы;

· построение организационной структуры.

Проект организации должен предусматривать также возможность постоянного совершен­ствования создающейся преобразовательной системы и возможность ее адап­тации к изменяю­щимся внешним факторам.

Различают три метода организации процесса преобразования - поточный, парти­онный и единичный. В основе поточного метода организации производства лежит расчленение преобразо­вательной системы на относительно короткие операции, вы­полняемые на специально оборудован­ных последовательно расположенных рабочих местах - поточных линиях. Для поточного метода организации характерно: располо­жение оборудования и рабочих мест по ходу технологического процесса; синхрониза­ция элементарных преобразований по времени; специальное и специализи­рованное оборудование; относительно низкая квалификация рабочих; ограниченная номенклату­ра однородной продукции и ее большой объем. Партионный метод организации харак­теризуется ши­рокий номенклатурой продукции, выпуск которой периодически повто­ряется в течение продолжи­тельного времени. Кроме того, при партионной организа­ции оборудование и рабочие места распо­лагаются по принципу группирования анало­гичных элементарных преобразований или по типам объектов преобразования. Специ­альное и специализированное оборудование применяется реже, а квалификация рабо­чих выше, чем при поточной организации. Единичный метод применяется при выпол­нении уникальных или иных неповторяющихся преобразований. Для него характерны уни­версальные средства преобразований, высокая квалификация рабочих, свободный ритм работы и др.

Дробление преобразовательного процесса осуществляется с целью повышения его эффек­тивности и заключается в создании отдельных взаимосвязанных преобразо­вательных подсистем. В зависимости от вида создающегося продукта и преобразова­тельной системы применяют разные формы деления целой системы на взаимосвязан­ные части - специализация (внутренняя и внеш­няя), кооперирование и концентрация. Специализация преобразовательных систем и подсистем заключается в их обособлении с целью повышения эффективности. Различают объектную (по типу объектов преобра­зования) и технологическую (по типу преобразовательного процесса) специали­зации. Кооперирование предусматривает организацию физических и функциональных связей ме­жду преобразовательными системами и подсистемами разного уровня, совместно создающими определенный продукт при сохранении их материально-финансовой са­мостоятельности. Под кон­центрацией понимается процесс сосредоточения средств преобразования и рабочей силы для осу­ществления аналогичных преобразовательных процессов и создания однотипной продукции.

Оборудование и рабочие места, как уже отмечалось, размещаются либо по ходу выполне­ния элементарных преобразований, предусмотренному технологическим про­цессом, либо по ви­дам выполняемых преобразований и средств их осуществления. В одной и той же преобразова­тельной системе могут применяться обе схемы размещения оборудования и рабочих мест.

Рабочее место как часть пространства, приспособленная для выполнения опреде­ленного элементарного преобразования (или нескольких преобразований) включает основные и вспомога­тельные средства - оборудование, инструменты, приспособления, защитные устройства, энергети­ческие установки, средства преобразования информа­ции, коммуникации, стеллажи, стулья и т.п. При формировании рабочих мест учиты­ваются антропометрические данные, рекомендации фи­зиологов, психологов, эргоно­мические, эстетические рекомендации и др. Для обеспечения наи­большей эффективно­сти рабочее место формируется с учетом наименьших затрат человеческой энергии, расходуемой работником на выполнение основных и вспомогательных приемов и пе­ре­ходов, и создания оптимальных санитарно-гигиенических и психологических усло­вий преобразо­вания.

Для осуществления преобразования объектов из исходного состояния в конечное в преоб­разовательной системе предусматривается вспомогательные и обслуживающие подсистемы - на­пример, для обеспечения инструментом, для ремонта и обслуживания техносистем, для обеспече­ния энергией, для поддержания санитарно-гигиенических условий и предотвращения травматизма, для нейтрализации и утилизации отходов и т.д.

Организационная структура преобразовательной системы представляет собой со­вокупность элементов и подсистем, взаимосвязанных между собой определенными от­ношениями. Наимень­шим элементом преобразовательной системы является рабочее место. Совокупность рабочих мест, объединенных одним целевым назначением (например, для выполнения всех операций какого-либо преобразовательного процес­са), составляет подсистему первого уровня. Аналогично при не­обходимости формиру­ются подсистемы второго и последующих уровней (иерархия элементов и подсистем), которые все вместе образуют преобразовательную систему в целом. Для крупных пре­образовательных систем в их иерархию входят рабочие места, участки, отделения, цехи и фи­лиалы. В структуру преобразовательной системы включаются также вспомога­тельные и обслужи­вающие подсистемы, схемы коммуникаций, схемы движения материальных, энергетических и информационных ресурсов, которые учитывают не только функциональные особенности и требо­вания, но также эргономические и эстетические параметры организации процесса преобразования.

Экономический проект преобразовательной системы решает задачу ее эффектив­ного дей­ствия. В отличие от технологического и организационного проектов, которые связаны с матери­альными, энергетическими и информационными элементами системы (сырье, основные и вспомо­гательные материалы и средства, энергия и энергоносители, информация и носители информации, а также их взаимодействие). Экономический проект связан с формированием системы преобразо­вания исходных ресурсов в их де­нежном выражении в конечный результат, также измеряемый деньгами. По существу экономический проект строится на измерении и обеспечении наиболее эффективных условий превращения некоторого исходного количества денежных средств (деньги как всеобщая эквивалентная форма стоимости всех товаров и рабочей силы) в некоторое большее количество этих денежных средств. В данном случае, деньги рассматриваются не как средство обогащения, а как универсальный измеритель качества преобразова­тельной системы. Уровень ка­чества в конечном счете измеряется через разность между количеством денег, полученных от реа­лизации результата действия преобразователь­ной системы (доход), и количеством денег, затра­ченных на получение этого результа­та.

В зависимости от культурно-исторических, демографических, социальных, поли­тических, природно-климатических и др. особенностей надсистемы формируется неко­торый определенный предел разницы между доходами и затратами. Он отличает эф­фективную систему от неэффектив­ной. Этот предел, как правило, бывает больше нуля. Однако из любого правила есть исключения. Часто затраты на преобразовательную систему превышают получаемые доходы. Может быть даже, что доходы в денежном выражении не образуются или их подсчет не представляется воз­можным. В этом слу­чае преобразовательная система создается и действует для получения резуль­тата, не поддающегося денежному измерению, но этот результат необходим для обеспечения, на­пример, безопасности людей, сохранения их здоровья, сохранения природы, повы­шения уровня образования, политических целей и др. В других случаях эффект дейст­вия преобразовательной системы проявляется в достаточно отдаленном будущем.

Экономический проект включает состав и структуру затрат на осуществление преобразова­тельной системы, структуру распределения прибыли и сопоставительный анализ экономических показателей в сравнении с аналогичными системами.

Состав и структура затрат зависит от преобразовательной системы и требуемых результа­тов ее действия. Все затраты можно разделить на четыре части:

1. затраты на материальные, энергетические и информационные исходные ресур­-
сы, которые полностью и сразу включаются в себестоимость продукта;

2. затраты на осуществление процессов преобразования, которые расходуются в
течение достаточно длительного времени и включаются в себестоимость про-­
дукта небольшими частями (оборудование, здания и сооружения, коммуника-­
ции и др.);

3. затраты на трудовые ресурсы, их поддержание в работоспособном состоянии и
восстановление;

4. затраты на предотвращение или устранение последствий действия преобразо­-
вательной системы.

В экономическом проекте, кроме того, устанавливается соотношение затрат меж­ду собой и динамика (тенденция) их изменения. Доходы, получаемые в результате дей­ствия преобразова­тельной системы, распределяются по нескольким направлениям:

• компенсация издержек (затрат);

• уплата налогов и плата по договорным обязательствам;

• формирование фондов развития преобразовательной системы и экономическо­-
го стимулирования.

Разность между величиной дохода и величиной затрат представляет собой при­быль. Вели­чина и перечень налогов устанавливаются законодательными органами. Объем платы по договор­ным обязательствам за какие-либо услуги или товары опреде­ляется двух или многосторонними договорами. Часть прибыли расходуется на совер­шенствование действующей преобразовательной системы (разработка или приобрете­ние новых процессов, средств преобразования, методов и форм организации, совер­шенствование системы управления и др.) и результатов ее действия. Другая ее часть расходуется на экономическое стимулирование персонала. Остающаяся часть прибыли (если таковая образуется) может быть израсходована, например, на создание новых преобразовательных систем, на кредитование, на благотворительные и спонсорские пожертвования и на другие цели.

Преобразовательные системы независимо от их величины нуждаются в управле­нии. Под управлением понимается деятельность по сохранению структуры и режима некоторой организо­ванной системы в условиях действия внутренних и внешних воз­мущающих факторов.

Управление преобразовательной системой заключается в разработке и осуществ­лении ме­роприятий (управляющих воздействий) для тех или иных элементов системы в случае, если ре­зультат ее действия отличается от требуемого. Результат действия преобразовательной системы, как уже отмечалось, определяется воздействиями на нее предыдущих и последующих преобразо­вательных систем и надсистемы. С течением времени эти воздействия могут изменяться и изме­няются, что с неизбежностью ведет к необходимости соответствующих изменений преобразова­тельной системы за счет управляющего воздействия. Кроме того, внутренние элементы преобра­зовательной системы также подвержены изменениям во времени, что требует осуществления соот­ветствующих управляющих воздействий. Внешние и внутренние возмущения компен­сируются управляющими возмущениями (воздействиями).

Объектами управления являются все элементы и подсистемы преобразовательной системы - технологические, экономические, организационные и собственно управлен­ческие. Управленче­ские мероприятия разрабатываются и осуществляются персоналом преобразовательной системы с помощью средств управления. Различают оперативное (тактическое) и перспективное (стратегиче­ское) управление. Оперативное управление связано с принятием решений и осуществлением ме­роприятий в текущем времени ("сегодня"), а перспективное управление осуществляется на основе прогнозирования возможных изменений в будущем.

Обычно применяется следующая последовательность принятия и осуществления управ­ляющих воздействий: сбор (получение) действительных результатов (измерение, учет, контроль); сопоставление действительного и требуемого результатов, в т.ч. с уче­том прогнозируемых изме­нений; разработка (планирование) и реализация управляю­щих мероприятий (координация, распо­рядительство, стимулирование).

Структура системы управления представляет собой совокупность (иерархию) элементов (субъектов управления) и строится с учетом характера управляющих воздей­ствий (технологиче­ские, организационные, экономические, управленческие), типа (акт, норма, разовое или повто­ряющиеся) и способа воздействия (материальное, финансо­вое и моральное воздействие и стиму­лирование).

В состав персонала управления входят руководители всех рангов (директор, пре­зидент фирмы, управляющий) функциональные руководители (главный бухгалтер, главный технолог и др.), специалисты (экономисты, инженеры, юристы и др.) и вспо­могательный персонал (опера­торы, секретари, учетчики и др.).

Проект системы управления также как и технологический, организационный и экономиче­ский проекты строятся с целью решения основной задачи преобразователь­ной системы - получе­ние требуемого результата с наименьшими затратами. Преобра­зовательная система должна при этом обладать способностью быстрой адаптации к изменяющимся внешним и внутренним усло­виям.

Дробление процесса построения преобразовательной системы на технологиче­ский, органи­зационный, экономический и управленческий этапы достаточно условно, т.к. при выполнении ка­ждого этапа одновременно учитываются параметры других эта­пов. Более точно процесс проекти­рования можно определить как единый процесс, в котором последовательно решаются преимуще­ственно технологические, организаци­онные, экономические и управленческие задачи. В случаях, когда на каком-либо этапе не удается отыскать оптимальных решений, обеспечивающих достиже­ние требуемых параметров, делаются попытки внесения изменений в предыдущие этапы. Это дос­тига­ется путем создания новых, не бывших ранее решений. Такие попытки повторяются, как пра­вило, многократно до тех пор, пока по всем этапам проектирования не обеспе­чиваются требуемые параметры, а результаты общего проекта преобразовательной системы не будут соответствовать установленным в задании.

Объем проекта преобразовательной системы и глубина проработки его элементов сущест­венно зависят от ее вида и назначения. Производственные (промышленные, сельскохозяйствен­ные, транспортные, энергетические, строительные, химические, ме­таллургические и др.) преобра­зовательные системы разрабатываются достаточно под­робно в соответствии с действующими нормами, правилами, стандартами. Напротив, бытовые преобразования часто разрабатываются и осуществляются без всякого проек­та, оформленного в каком-либо виде. Однако во всех случаях технологические, орга­низационные, экономические и управленческие решения принимаются на основе имеющегося опыта или с применением новых решений и хранятся, например, в памяти од­ного человека (создатель и одновременно исполнитель проекта) или на бумаге, фо­тографиях, в электронных средствах хранения и преобразования информации и т.п.

3.3.3. Оценка результатов проектирования

Проект преобразовательной системы перед его осуществлением должен быть ка­ким-то об­разом оценен. В общем виде оценка осуществляется путем сопоставления ожидаемых результатов с требуемыми, которые установлены заданием на проектиро­вание. Также это производится путем определения достоверности ожидаемых резуль­татов, т.е. установления степени вероятности дос­тижения ожидаемых результатов по­сле практической реализации проекта.

В настоящее время имеется достаточно большой арсенал средств оценки резуль­татов про­ектирования. К ним относятся различные методы, виды и формы анализа, синтеза, сравнения, экс­периментальной проверки, моделирования, экспертизы, норма­тивного контроля, измерений, ис­пытаний и др. Выбор способа оценки проекта зависит от размеров и сложности преобразователь­ной системы, а также от уровня новизны.

Какой бы большой и сложной ни была преобразовательная система, ее оценка возможна. Для этого применяются способы, позволяющие перевести систему в разряд простых и малых: вы­полнить декомпозицию системы на совокупность связанных элементов меньшей размерности; уменьшить степень "незнания" о системе и ее элемен­тах.

Вновь создающаяся система (ее проект) состоит из некоторого множества не­больших по размеру элементов и подсистем, значительная часть которых имеет анало­ги или полностью иден­тична соответствующим элементам и подсистемам в действую­щих преобразовательных системах. Т.е. они известны, а их оценка не вызывает суще­ственных затруднений. Другая часть технических, организационных, экономических и управленческих решений, применяемых в проекте, является относительно новой или новой по существу. Декомпозиция преобразовательной системы (ее дроб­ление на не­большие подсистемы и элементы) позволяет выделить в проекте те его части, которые не позволяют в полной мере оценивать проект. Одним словом, это позволяет устра­нить неопреде­ленность (неуверенность) в достижении ожидаемого результата.

Для получения достоверного знания о результатах новых решений, впервые при­меняемых в проекте преобразовательной системы, но уже применяемых в других типах систем (относительная новизна), а также о результатах решений ранее не известных (новизна по существу), выполняются:

• физические и технические (технологические) эксперименты на натуральных
образцах и моделях;

• проводится математическое и функциональное моделирование;

• изучение новых элементов на моделях системного анализа и синтеза систем, на пространственно-временных, материальных, абстрактных, знаковых моде­лях и др.

В то же время результаты, полученные от сопоставления и экспертизы приме­няемых в про­екте известных решений и полученные в процессе изучения новых реше­ний, не могут гарантиро­вать объективную оценку проекта. Это связано с тем, что свойства элементов и подсистем, взятых по отдельности, не отражают совокупности свойств этих элементов и подсистем во взаимодейст­вии с другими, т.е. внутри целост­ной системы. Система в целом есть нечто иное, чем сумма свойств отдельных ее час­тей - свойства системы не совпадают со свойствами составляющих ее элементов и подсистем.

Решение задачи оценки свойств целостной системы возможно путем:

• выбора достаточного количества критериев оценки;

• установления соотношений между элементами (структурная и функциональная
взаимозависимость);

• изучения связей между ними(структуры) по всем выбранным критериям.

Оценка ожидаемых результатов и их достоверности в значительной степени за­висит от ка­чества проведения этапа предпроектных исследований, степени полноты требований к преобразо­вательной системе, составляющих основу задания на проекти­рование. Выявление свойств сово­купности взаимосвязанных элементов может осуще­ствляться теми же методами и средствами, ко­торые применяются при изучении от­дельных элементов: экспериментирование, мысленное, мате­матическое, физическое (химическое, биологическое, социальное, экологическое) моделирование, экспертиза (в т.ч. построение экспертных систем) и др.

Сопоставление итогов оценки ожидаемых результатов проекта с требуемыми ре­зультатами, установленными заданием на проектирование, позволяет принять решение о реализации проекта или его доработке. При этом процесс доработки проекта осуще­ствляется до тех пор, пока ожидае­мые результаты не будут соответствовать требуе­мым. Однако такое соответствие не гарантирует адекватности действительных и тре­буемых результатов преобразовательной системы после ее реализации. Это отражает объективную особенность проектировочного процесса - никакая сколь угодно подроб­ная проработка элементов системы и их связей не способна учесть все многообра­зие действующих факторов и возникающих свойств реальной системы.

На эту особенность накладывается, кроме того, фактор "запаздывания" - за пери­од времени, в течение которого создается проект преобразовательной системы, проис­ходят изменения реаль­ной среды (надсистема, предыдущие и последующие преобразо­вательные системы) и связанное с ними "отставание " требований, зафиксированных в задании. С определенной уверенностью можно утверждать, что вновь созданная пре­образовательная система уже в момент ее создания всегда отстает от требований к ней в новых условиях. То есть, уровень требований в момент за­вершения проекта превы­шает уровень требований к преобразовательной системе в момент начала проектиро­вания). И чем сложнее система, чем дольше создается ее проект, тем больше степень ее запаздывания.

Поэтому доработка и совершенствование проекта преобразовательной системы осуществ­ляются и после окончания процесса ее проектирования. Более того, совер­шенствование осуществ­ляется не только в течение периода освоения преобразователь­ной системы, но и в течении всего периода ее действия до тех пор, пока затраты на об­новление системы дают эффект (экономиче­ский, социальный, политический...). Сни­жение прироста эффекта служит своеобразным сигналом "старения " системы и необ­ходимости ее замены на принципиально новую.

Основы формализации и моделирования

Основные понятия

Объект, характеристики объекта, система, системный эффект, системный анализ, формализация, модель, моделирование, виды моделей, материальная модель, информационная модель, информационное моделирование, компьютерная модель, компьютерный эксперимент, компьютерное моделирование.

Методические рекомендации

1. Мотивация изучения процесса моделирования. Человек уже довольно давно оценил и использовал в практической деятельности метод аналогий, т.е. на интуитивном уровне создавал модели объектов и процессов. Причем древние философы считали невозможным моделирование естественных процессов. В процессе развития человеческой цивилизации моделирование прошло долгий путь от интуитивного метода до научного метода. В настоящее время стало понятно, что естественные и искусственные процессы подчиняются единым закономерностям, что знания человека возможно и необходимо представлять в виде моделей. Модель стала осознаваться как универсальный способ существования знаний об окружающем мире. В современном мире человек вынужден постоянно пополнять свои знания, понимая и создавая различные модели, инструментируя свою деятельность. Поэтому очень важно научиться рационально и целенаправленно осуществлять процесс моделирования, используя современные компьютерные средства.

2. Изучение понятия «объект». Человек познает окружающий мир, изучая отдельные объекты, получая об объектах информацию и выделяя наиболее существенную о них информацию. Приводим различные примеры объектов познания: предметы изучения (компьютер, программа, человек, кошка), процессы (установка ОС, учеба) и явления (звездопад, снегопад). Выделяем объекты: одушевленные (человек) и неодушевленные (звезда), естественные (озеро) и искусственные (компьютер), явление (радуга) и процесс (чтение). Говорим, что под объектом будем понимать некоторую часть окружающего мира, рассматриваемую человеком как единое целое.

Для того чтобы выделить объект из окружающего мира, описать этот объект необходимо указать его характеристики: имя, параметры (признак характеризует качественные свойства объекта, величина характеризует количественные свойства объекта), действия (самого объекта или совершаемые действия над объектом), среду (совокупность условий, в которых находится и действует объект). Целесообразно в виде таблицы представить характеристики различных объектов: предмета, процесса и явления. Установить взаимосвязь объекта и экземпляра объекта.

3. Изучение понятия «система». Для того чтобы познать объект, понять его сущность, необходимо выделить составные части объекта (элементы) и рассмотреть их взаимосвязь, т.е. рассмотреть объект как систему. Например, компьютер воспринимается как объект, когда человек за ним работает и как система, когда человек его изучает или ремонтирует. Приводим примеры систем (Солнечная система, система химических элементов, система счисления, операционная система, системный блок, система программирования и т.д.), обсуждаем, почему они называются системами, когда их можно рассматривать как объекты. Делаем вывод, что под системой будем понимать совокупность взаимосвязанных между собой элементов, объединенных в единое целое для реализации определенной цели.

Обращаем внимание учащихся, что при описании системы недостаточно перечислить ее элементы, необходимо указать связи (отношение) между элементами, т.е. структуру. Структура – совокупность устойчивых связей между элементами, обеспечивающих целостность системы. Именно наличие устойчивых связей превращает набор элементов в систему, обеспечивает возникновение системных свойств (системный эффект или принцип эмерджентности). Необходимо привести примеры систем, выделить в них элементы и связи, цель функционирования системы и ее системное свойство, которым не обладал бы ни один из элементов в отдельности. Например, только объединение аппаратного и программного обеспечения компьютера (элементов) позволит использовать компьютер как систему, свойством которой является автоматическая работа с информацией.

Наиболее удобным и наглядным способом представления состава и структуры системы является граф. Граф состоит из вершин, связанных дугами (линия со стрелкой) или ребрами (линия без стрелки). Граф, в котором все линии направленные, называются ориентированным графом. Например, граф связанных населенных пунктов, граф связи устройств компьютера. Дерево – это граф, вершины которого имеют иерархию. Например, дерево родственных связей, дерево каталогов, дерево административной системы школы.

От цели изучения системы зависит, какие будут выделены элементы и какова будет степень дробления системы на составляющие. Например, в компьютере можно выделить, как системный блок и периферийные устройства (монитор, клавиатуру, принтер и т.д.), так процессор, память и устройства ввода-вывода. В тоже время каждый элемент системы можно рассматривать как систему (подсистему). Например, в процессоре можно выделить АЛУ и УУ.

В свою очередь элементы системы можно рассматривать как объекты. Поэтому множество объектов взаимосвязанных между собой для реализации определенной цели образуют систему. Процесс познания человеком окружающего мира основан на системном анализе объектов, т.е. на рассмотрении и описании объектов как систем с выделением их элементов и взаимосвязей этих элементов. Процесс создания из множества объектов системы называется систематизацией.

Выполняем задания по нахождению из списка элементов определенной системы, рассматриваемых с различных точек зрения.

4. Изучение понятия «модель». Люди очень часто создают модели реальных объектов для их изучения. Приводим различные примеры использования моделей:

· в детстве ребенок познает окружающий мир, общаясь не только с реальными объектами, но и с игрушечными машинками, самолетиками, животными, куклами, моделирующими внешний вид объекта;

· для объяснения расположения планет Солнечной системы или устройства микропроцессора необходимо создать модель, которая в уменьшенном или увеличенном размере воспроизводит взаимосвязь элементов системы, моделируя структуру.

· для измерения количества информации была выведена формула, которая является математической моделью, описывающей взаимосвязь количества возможных событий и количества информации в сообщении.

· для опасных и физически утомительных работ (в космосе, под водой, разминирование) используют роботов, моделирующих определенные действия человека;

· люди проверяют работу новых устройств для самолетов, кораблей и компьютеров, моделируя различные критические ситуации;

На основании приведенных примеров делаем вывод, что:

· во всех примерах имеется объект изучения (человек, микропроцессор, процесс разминирования, среда применения устройств, количество информации);

· модель создается для определенной цели;

· модель соответствует объекту (по внешнему виду, структуре, поведению) по определенным параметрам, существенным с точки зрения цели моделирования.

Вводим понятие «модель». Под моделью будем понимать новый объект, который отражает некоторые параметры изучаемого объекта, существенные с точки зрения цели создания. Процесс создания модели называется моделированием.

Обращаем внимание, что модель должна быть не только сходна с оригиналом, но и отличаться от него, так как модель отражает только существенные свойства с точки зрения цели создания модели. Поэтому копия картины не является моделью картины.

Выполняем задания на выделение в предложенных словосочетаниях объекта и модели.

5. Изучение видов моделей. Для того чтобы изучить понятие «модель» необходимо не только понять его сущность (содержание данного понятия, что такое модель, рассмотреть ее как систему, выделить элементы системы и их взаимосвязь), но и узнать, какие виды моделей бывают (дать их классификацию по определенному признаку, структурировать множество моделей, приведя их в систему).

В процессе обсуждения выделяем виды моделей по определенным признакам (основаниям классификации):

· по характеристике объекта моделирования (внешнего вида, структуры, поведения);

· по области человеческой деятельности (познавательные, коммуникативные, практические);

· по отрасли знаний (биологические, социологические, физические, кибернетические);

· по учету фактора времени (статические, динамические);

· по степени формализации (неформализованные, частично формализованные, формализованные);

· по области использования (учебные, опытные, научные, игровые, имитационные);

· по способу представления (материальные, воображаемые, информационные).

Для каждого вида моделей приводим различные примеры. Выполняем задания на определение видов моделей по предложенному признаку.

6. Изучение информационной модели. Для изучения объекта не обязательно создавать его физическое подобие, т.е. материальную модель. В зависимости от цели исследования можно представить информацию об объекте на каком-либо языке в определенной форме, т.е. формализовать в виде определенной информационной структуры. Например, компьютер можно представить в виде рисунков, фотографий, схемы, описав словами. Делаем вывод, что под информационной моделью будем понимать представление или описание модели объекта на одном из языков кодирования информации. Выполняем задание на выделение материальных и информационных моделей среди различных моделей.

Выделяем виды информационных моделей: знаковые (выражены на языке описания), наглядные (выражены на языке представления) и наглядно-знаковые. Приводим различные примеры. Показать на примерах, что информационные модели одного и того же объекта, предназначенные для разных целей, могут быть различными.

Среди наглядно-знаковых моделей большое внимание уделяем: иерархическим (элементы располагаются по уровням с фиксированными связями между уровнями), сетевым (произвольные связи между элементами) и табличным (элементы представлены в строках и столбцах прямоугольной таблицы). Данные виды информационных моделей используются при организации данных с помощью компьютера. Примером иерархической структуры является организация файловой системы; реляционной (табличной) – организация данных в электронной таблице, в массиве; сетевой – организация данных в глобальной сети.

Процесс замены реального объекта информационной моделью является информационным моделированием. Моделирование объекта по своей сути является исследованием этого объекта, т.е. рассмотрением его как системы. Выделяем этапы информационного моделирования:

· Определение цели моделирования. Выделение системы существенных свойств объекта.

· Системный анализ объекта. Рассмотрение объекта как системы с выделением составляющих элементов и связей между ними.

· Формализация полученной информации. Выбор формы представления модели. Процесс перевода полученной внутренней структуры системы в определенную информационную структуру – форму.

· Анализ полученной модели не непротиворечивость, на соответствие полученной информационной модели реальному объекту и цели моделирования.

Информационное моделирование связано с вопросами системного анализа и системологии. В зависимости от подготовки учащихся и количества учебных часов можно предложить задания на трех уровнях сложности:

1. Расположить предлагаемые этапы информационного моделирования в правильном порядке.

2. Определить, что в предлагаемых фразах будет являться объектом моделирования, целью моделирования, параметрами модели, информационной моделью.

3. Дана информационная модель объекта. Надо научиться ее понимать, делать выводы, использовать для решения задач.

1. Преобразовать табличный способ представления информационной модели сетевой (с помощью графа), и наоборот.

2. Дано множество несистематизированных данных о реальном объекте. Необходимо их систематизировать и получить информационную модель.

1. Дан реальный объект. Надо создать различные информационные модели с помощью словесного описания, таблицы, графа, дерева, гистограммы, формулы и т.д.

2. Реализовать информационную модель на компьютере различными средствами.

7. Изучение технологической цепочки решения задачи на компьютере. Основываясь на опыте работы учащихся с различными моделями, общения с компьютером, проанализировать какие этапы были необходимы для решения задач с помощью компьютера, дать название этим этапам, упорядочить и систематизировать знания учащихся и рассмотреть компьютерное моделирование как технологический процесс.

При обсуждении выделяем следующие этапы решения задач на компьютере:

1. Работа без применения компьютера

1. Постановка задачи.

1. Сбор информации о задаче (объекте исследования).

2. Формулировка условия задачи.

3. Определение исходных данных, планируемого результата, возможных ограничений.

4. Определение формы выдачи результатов.

2. Разработка информационной модели.

1. Определение цели моделирования.

2. Системный анализ объекта. Введение условных обозначений.

3. Разработка математической модели. Нахождение способа решения задачи, формулы.

4. Объединение исходных данных с помощью математических или логических операций для получения планируемого результата.

5. Формализация полученной информации. Разработка структур данных.

6. Анализ адекватности полученной информационной модели реальному объекту и цели моделирования.

3. Построение алгоритма.

1. Выбор метода проектирования алгоритма (сверху вниз или снизу вверх).

2. Выбор способа записи алгоритма (блок-схема, псевдокод).

3. Составление последовательности действий с определенной степенью формализации.

4. Подбор тестов с определением предполагаемых результатов.

2. Работа с применением компьютера.

1. Разработка компьютерной модели.

1. Запись действий алгоритма с помощью операторов какого-либо языка программирования и ввод программы.

2. Реализация алгоритма с помощью какой-либо прикладной программы.

3. Уточнение способов организации данных.

2. Проведение компьютерного эксперимента.

1. Тестирование (установление наличия ошибок) и отладка (выяснение причины ошибок и устранение их) программы.

2. Нахождение и исправление ошибок в написании операторов и в логике программы.

3. Создание пользовательского интерфейса, защита от некорректного ввода данных

3. Использование результатов моделирования для принятие решения.

1. Анализ полученных результатов.

2. Сравнение полученных результатов с вычислениями «в ручную» или экспериментальными данными.

3. Доработка информационной или компьютерной модели.

4. Составление сопроводительной документации.

8. Изучение компьютерного моделирования. Компьютерного моделирования направлено на практическое знакомство с данной областью человеческой деятельности. Разрабатываемые компьютерные модели должны быть несложными для учащихся, поскольку их внимание переносится с поиска решения задачи (например, при изучении основ алгоритмизации) на этапы моделирования: постановку задачи, создание информационной модели и т.д. Учащиеся на протяжении всего курса информатики решали задачи на моделирование (в графическом редакторе, в электронных таблицах и т.д.). Теперь необходимо обобщить их опыт, реализовать этапы моделирования, обратить их внимание на выбор адекватных (наиболее подходящих) средств для моделирования. Например, поиск наиболее удобного расположения мебели в комнате – графический редактор; расчет наибольшего объема коробки, которую можно получить из стандартного листа картона – электронные таблицы и т.д.

Моделирование может быть направлено, как на решение задач из других предметных областей (тело, брошенное под углом к горизонту для реализации межпредметных связей; расчет площади фигуры; определение роста биомассы), так и на моделирование объектов информатики (редакторов, исполнителей) для познания их устройства и принципов действия.

В старшей школе можно большее внимание уделить информационному моделированию с использованием табличного процессора и СУБД. Создание компьютерной математической модели, проведение численного эксперимента позволит исследовать моделируемую систему, прогнозировать ее поведение, подобрать оптимальные параметры. Признаками компьютерной математической модели является наличие реального объекта моделирования, количественных характеристик объекта (входных и выходных параметров), математической связи между входными и выходными параметрами, реализация модели с помощью компьютерных средств, возможность исследовать модель и активно ее использовать.

9*. Моделирование знаний. Информационное моделирование делится на моделирование объектов (предметов, процессов и явлений) и моделирование знаний. Например, в основе экспертной системы лежит модель знаний в определенной предметной области, представленная в формализованном виде и сохраненная в памяти компьютера, т.е. база знаний. Моделирование знаний, базы знаний рассматриваются в углубленном курсе информатики при изучении вопросов, связанных с искусственным интеллектом.

Можно рассмотреть следующие типы моделей знаний:

1. Продукционная модель. Модель построена на правилах (продукциях), представляемых в форме если <условие> то <действие>. На основании поступающих данных экспертная система, анализируя имеющиеся правила, принимает решения о необходимых действиях. Например, если температура ниже 15 градусов тепла, то включить отопление.

2. Семантическая сеть. Это система понятий и отношений между ними, представленная в форме ориентированного графа. Например, можно рассмотреть систему «компьютер», ответив на вопросы: для чего используется, что умеет делать, что содержит и чем является. В результате в вершинах графа будут ответы на вопросы, а рядом с каждой дугой будет соответствующий текст: используется, умеет, содержит и является.

3. Фрейм. Некоторый абстрактный образ, относящийся к определенному типу объектов, понятий. Фрейм объединяет в себе атрибуты (характеристики), свойственные данному объекту. Фрейм имеет имя и состоит из частей, которые называются слотами и изображаются в виде цепочки:

<имя фрейма> = <<слот_1>> <<слот_2>> … <<слот_N>>

Вначале составляется прототип фрейма, например:

Устройство ввода = <Название> <Кол-во клавиш> <Вид вводимой информации>

Подставляя конкретные значения, получаем экземпляр фрейма:

Устройство ввода = <Клавиатура> <101> <Символьная, управляющая>

Слоты могут содержать фреймы, поэтому возможна иерархия фреймов, сеть фреймов, а также наследование свойств. Для реализации моделей знаний с использованием фреймов применяют технологию объектно-ориентированного программирования.

4. Логическая модель. Модель знаний представляет собой совокупность утверждений, которые представлены в виде фактов и правил. Совокупность фактов образует базу данных, лежащую в основе базы знаний. Правила представлены в форме если А, то В. Механизм вывода основан на аппарате математической логики, который называется исчислением предикатов первого порядка. Логическая модель знаний лежит в основе языка логического программирования Пролог. Систему Пролог можно рассматривать как определенную систему управления базами знаний, т.к. она позволяет создавать базу знаний и обращаться к ней с запросами. Пролог можно использовать как средство практической работы при изучении вопросов, связанных с искусственным интеллектом и моделированием знаний.

Таким образом, целенаправленное формирование и развитие системного мышления учащихся при изучении основ формализации и моделирования позволит обеспечить системный подход при изучении различных вопросов курса информатики, других школьных предметов и окружающего мира.