Инновационная сложность
Шрифт:
Рис. 1. Элементарные пары механизмов по Рело: а) цилиндрическая пара С, b) призменная пара Р, с) винтовая пара S, d) е) f) жесткая кинематическая связь, g) h) i) k) I) m) n) o, p) q) – рис. слева. Элементарные пары механизмов по Рело: a) b) с) d) е) f) g) h) i) k) I) m) n) о) – рис. справ [344] .
Кинематический синтез – это подбор кинематических пар, звеньев, цепей и механизмов, из которых нужно составить машину, производящую требуемое движение. И хотя Рело не применял математику, развиваемые им представления были весьма «геометричны» (см. рис. 1). Рело пытается построить особую «кинематическую» геометрию, называя ее «чистой кинематикой», описывающую различные приемы решения задач. Если Герои Александрийский рассматривает «комбинации однородных «простых машин» – сочетания по нескольку блоков, воротов и рычагов» и «комбинации неоднородных «простых машин» – сочетания ворот-винт, блок-рычаг-ворот-винт» [345] , то у Рело, напротив, речь идет от расчленения сложных машин на составные элементы. То есть задача была сформулирована принципиально иначе, чем в античной механике и науке Нового времени: найти способы разложения сложных машин на части, которые составляют единое целое. В данном случае именно сложность выступает исходным пунктом исследования и проектирования, а не простые машины, из которых потом комбинируются в новые сложные. Такое сведение сложных машин к элементарным простым становится с развитием технической практики не только нецелесообразным, но и невозможным. Это диктует, с одной стороны, инженерная практика, которая, с другой стороны, стимулирует развитие новой технической теории.
344
(C. Weihe. Franz Reuleaux und die Grundlagen seiner Kinematik. // Deutsches Museum Abhandlungen und Berichte, Heft 4. Berlin: VDI–Verlag GmbH, 1942. S. 9899.)
345
Левина И. С, Романская М. М. У истоков механики машин // Исследования по истории механики. М.: Наука, 1983. С. 106, 107.
Развитие теории механизмов и машин задало образцы рассмотрения сложных технических систем и в других областях техники. Исходным в этом процессе движения к выработке общей теории технических систем были попытки обобщенного описания электрических цепей. Задача их теоретического описания была связана с усложнением инженерных задач по их расчету и проектированию, где оказалось недостаточно тех средств, которые были развиты в классической электродинамике и теории электричества.
Теория электрических цепей имеет дело не с огромным разнообразием конструктивных элементов электротехнической системы, отличающихся своими характеристиками, принципом действия, конструктивным оформлением и т. д., а со сравнительно небольшим количеством идеальных элементов и их соединений, представляющих эти идеальные элементы на теоретическом уровне. К таким элементам относятся, прежде всего, емкость, индуктивность, сопротивление, источники тока и напряжения. Следующим уровнем идеализации в теории электрических цепей стали схемы, отображающие электромагнитный процесс, протекающий в электротехническом устройстве при его функционировании. Сама цепь на них представляется совокупностью элементов и связей, образующих путь для электрического тока, основными параметры которого для синусоидального тока – напряжение, сила, мощность, амплитуда, фаза и частота. Элементы электрической цепи образуют ветви, которые соединяются в узлы и контуры при помощи идеальных электрических связей, т. е. связей, не обладающих сопротивлением, индуктивностью и емкостью, хотя реальные проводники ими, конечно, обладают. Это описание аналогично разложению механизма на элементарные пары. Любой элемент электротехнической цепи рассматривается как идеальный двухполюсник, действие которого на проходящий через него ток описывается линейным уравнением. К таким двухполюсникам относятся линейные пассивные элементы электрической цепи, могущие быть постоянными и переменными, – омическое, индуктивное и емкостное сопротивления, а также идеальный диод, ключевой элемент цепи, проводящий токтолько в одном направлении. Кроме того, в них включаются обязательно активные двухполюсники – идеальные источники тока и идеальные источники напряжения. Несколько сложнее обстоит дело с нелинейными элементами, которые сначала замещаются эквивалентными схемами, содержащими линейные элементы. В данном случае, фактически, продолжается линия, заданная Рело, разложения сложной технической системы на элементы, которая дополняется, также как и в теории механизмов и машин, развитием методов их теоретического синтеза.
В дальнейшем формируются еще более общие для всех видов цепей методы их представления в теории четырехполюсников, которая постепенно становится достаточно абстрактной и уже содержит в себе некоторые черты системных представлений. Эта теория стала основой представления о «черном ящике» в кибернетике, т. е. о системе, изучаемой извне, не интересуясь ее внутренней структурой. Четырехполюсник представляет собой обобщенную систему, имеющую два входа и два выхода, к которой приводятся многочисленные конструктивные идеальные блоки: фильтры, контуры, усилители и т. д. Представление о четырехполюснике вводится для перехода к математическим соотношениям, позволяющим уравнения, составленные на основе законов Кирхгофа (описывают движение тока в контуре с четырехполюсником) представить в матричной форме. Решая данные уравнения с помощью теории матриц можно определить искомые конструктивные параметры четырехполюсников: входное сопротивление, мощность на входе и выходе, вносимое затухание и т. д. В теории четырехполюсников доказывается ряд теорем (обратимости, об эквивалентном генераторе и т. д.), что позволяет не только упростить расчеты, но и синтезировать новые схемы путем дедуктивного эквивалентного преобразования четырехполюсников. Два четырехполюсника называются эквивалентными, если в электрической цепи они вызывают одинаковое действие, т. е. распределение токов и напряжений во внешней цепи, подключаемой к четырехполюснику, не изменяется при замене одного четырехполюсника другим. При анализе сложных электрических схем их предварительно преобразуют в соединение более простых четырехполюсников, параметры которых берутся из специальных таблиц. Затем по матрицам каждого из них производятся математические операции над ними в зависимости от типа соединения. Такое преобразование позволяет найти наиболее экономичные и эффективные инженерные решения.
Таким образом, уже в теории электрических цепей наметилось обобщение, приведшее к выработки системного представления сложных технических систем.
К середине двадцатого столетия в теории цепей формируется новый этап, связанный с междисциплинарным исследованием различных типов цепей не только электрических и кинематических, но и гидравлических, пневматических и т. п. В результате такого расширения области исследования происходит обмен методами и представлениями различных дисциплин, их изучающих, и обобщение этих технических теорий в теории автоматического регулирования (следящих систем). Первоначально все они исследовались и рассчитывались по-разному. Однако постепенно формируются общие методы расчета, анализа и синтеза следящих систем. Классическая теория цепей стала постепенно областью науки, которая отходит от анализа и синтеза лишь электрических цепей, содержащих стандартные элементы, превращаясь в специализированный раздел знания более широкой научной дисциплины – теории систем. Главным здесь является математические соотношения между переменными, описывающими поведение системы (см. рис. 2).
Рис. 2. Таблица соответствия, механических, электрических и гидравлических регуляторных цепей [346]
Развитие системного подхода и системных представлений в области технических наук происходило за счет обобщения теоретических описаний объекта их исследования и проектирования при переходе от относительно простых технических систем к сложным системных комплексам.
346
Pestei Е., Kolmann Е. Grundlagen der Regeltechnik. Braunschweig: Friedr. Vieweg & Sohn, 1968. S. 256–257.
Основное значение системотехники заключается в повышении эффективности инженерного труда, который реализуется большими коллективами специалистов различного профиля. Системотехника представляет собой особую деятельность по созданию сложных технических систем и в этом смысле является прежде всего современным видом инженерной, технической деятельности, но в то же время включает в себя и научную деятельность, поскольку является не только сферой приложения научных знаний. Над созданием проектов противовоздушной обороны, коммуникационных, энергетических, ирригационных систем, градостроительных и производственных комплексов, автоматизированных систем управления трудится целая сеть институтов, насчитывающих сотни высококвалифицированных специалистов. Особое значение в ней приобретает деятельность, направленная на организацию, научно-техническую координацию и руководство всеми видами системотехнической деятельности: с одной стороны, это – проектирование компонентов, конструирование, отладка, разработка технологии, а с другой – радиоэлектроника, химическая технология, инженерная экономика, разработка средств общения человека и машины и т. п. Системотехника возникла в результате усложнения процесса инженерного проектирования, необходимости его рациональной и научной организации. Но главная ее задача – стыковка и интеграция частей проектируемой системы в единое целое (рис. 3). Наряду с прогрессирующей дифференциацией инженерной деятельности по различным ее отраслям и видам, нарастает процесс ее интеграции. А для осуществления такой интеграции требуются особые специалисты – инженеры-системотехники. В системотехнике сама инженерная деятельность становится объектом планирования, организации и проектирования и должна поэтому также рассматриваться как особая система. Иначе говоря, большие системные проекты требуют организации и управления, а значит системного представления и описания самой системотехнической деятельности.
Рис. 3: Системотехника и социотехника: модель интеграции сложной системы
В системотехнике формируется новый тип технических систем, в которых произошло не только количественное увеличение числа компонентов и связей, но и сама эта система стала рассматриваться как целостная, хотя и состоящая из разнородных элементов, процессов, связей и отношений. Сложность технической системы обусловлена переходом от простой системы к составной и от акцента на анализе ее частей к рассмотрению целого. Сложность современных технических систем заключается в разнообразии и неоднородности их компонентов, связей между ними, их свойств. Использование в технической системе совместно даже только электрических и механических компонентов вызывает резкое усложнение связей между ними и нелегкие проблемы синтеза знаний в процессе моделирования и теоретического объяснения функционирования этих компонентов в системе. Объектом же современной инженерной деятельности становятся связи между человеком и машиной, экономические и в определенной степени социальные связи. Показателем сложности современных технических систем является также и то обстаятельство, что при их проектировании необходимо учитывать окружающую среду системы, рассматриваемую в качестве ее внешнего элемента. Вместо отдельного технического устройства, механизма, машины и т. д. объектом исследования и проектирования становится сложная человеко-машинная система.
Целостное описание сложной технической системы в системотехнике основывается на использовании методов и средств системного подхода. Таким образом здесь мы наблюдаем новый виток эволюции сложности, поскольку техническая система начинает рассматривать как социотехническая. Тогда фактически исследуются и проектируются системы деятельности с включенными в них машинными компонентами. Такой подход особенно рельефно выразился в разработках автоматизированных систем управления отраслями промышленности, особенно интенсивно развивашийся в нашей стране в 1970-е гг. в связи с задачей внедрения вычислительной техники в системы управления оборонных отраслей. В процессе внедрения такого рода автоматизированных систем (АСУ) стало очевидно, что прежде чем начать разработку АСУ предприятием или целой отраслью промышленности, необходимо провести анализ существующих организационных структур управления, т. е. проектировать систему управленческой деятельности. Причем управление не может быть полностью рудуцировано к его кибернетической модели, а должно рассматриваться как сложный динамический социально-экономический и организационно-технический процесс. Такая редукция была возможна лишь на первом этапе внедрения АСУ, когда направление автоматизации определялось не столько необходимостью и важностью выбранных задач, сколько их подготовленностью к автоматизации и возможностями реализации на существующей информационной и технической базе, т. е. так называемых «рутинных» процессов (типа бухгалтерского учета). Процесс создания АСУ становится сложной деятельностью, что стимулировало появление особых системотехнических групп и отделов, главная задача которых – стыковка деятельностей других инженерных групп, забота о создаваемой системе в целом. Поэтому именно в это время в различных российских вузах организуются кафедры системотехники, одной из главных задач которых является подготовка такого рода специалистов (точнее «универсалистов»), обладающих широким системным мышлением. Основными задачами таких инженеров-системотехников при разработке АСУ становятся интеграция системы в единое целое и системная организация процесса ее проектирования. Именно для решения такого рода системных задач и создавались в проектирующих эти системы организациях специальные подразделения – системного обеспечения АСУ. Главным образом системное обеспечение АСУ должно было быть сконцентрировано на научно-исследовательской деятельности, направленной на развитие и разработку системных проектных решений, обеспечивающих интеграцию системы, т. е. стыковка и обеспечение совместимости отдельных задач и подсистем, а также с системами верхнего и нижнего уровней управления.
Необходимость системного обеспечения АСУ стала очевидной на тех этапах развития, когда были уже созданы различные автоматизированные системы, появлялись все новые задачи, подлежащие автоматизации, и весь процесс становился трудно обозримым. Поэтому системное обеспечение разработки должно было быть направлено на решение тех задач, которые не могли быть предметом специального рассмотрения ни в одной из подсистем. Центральным звеном разработки АСУ становится именно системное проектирование, которое состоит из двух основных частей – создания системной модели АСУ и разработка системной модели деятельности по созданию АСУ. Следующий виток эволюции сложности в описании и проектировании технических систем связан с развитием наносистемотехники, наряду с макросистемотехникой.
Обычно системотехнику переводят как теорию сложных систем – large-scale systems (многоразмерные системы) – и этот термин сегодня часто применяют по отношению к наносистемам, рассматриваемым как сложные системы на наноуровне. В наносистемотехнике проблематика соотношения простоты и сложности нашла наиболее яркое выражение в концепции квантовых точек, которые являются такими крошечными частицами, как будто они – отдельные атомы, но в то же самое время «состоят из массива атомных кластеров», имеют сложную структуру, хотя и «представляют собой предельный случай систем с пониженной размерностью», т. е. являются «нульмерными системами». «Хотя кластеры, или островки, обладают определенной формой и конечными размерами (единицы или десятки нанометров), для данного типа структур принят термин «наноточки»» [347] . Например, один из видов наноточек, так называемые «корнельские наноточки» (см. рис. 4), являются «наночастицами, состоящими их ядра примерно в 2,2 нанометра в диаметре, в свою очередь содержащего несколько цветных молекул, которые окружены защитной кремниевой оболочкой, делающей целую частицу размером около 25 nm в диаметре. Исследователи назвали ее «ядерно-оболочковой архитектурой» [348] . Центральным понятием здесь является понятие элемента, который в общем виде лишь относительно неделим, но для данной системы он может рассматриваться как абсолютно неделимый. Если же элементы в свою очередь рассматриваются как системы, то это уже будут системы другого уровня, чем данная исследуемая система. Точно также и в нанотехнологии нанотрубки, с одной стороны, являются простейшими единицами более сложных наноструктур («при синтезе получается смесь нанторубок разных типов с различным характером и величиной электропроводности»), с другой – «нанотрубки могут иметь различную атомную структуру, причем трубки разной структуры имеют разные свойства», например, с точки электропроводности в зависимости от их структуры «они могут быть металлическими или полупроводящими». [349]
347
Асеев А. Л. Нанотехнологи в полуповодниковой электронике// Вестник РАН, т. 76, № 6, 2006. С. 606.
348
Steele В. Cornell dots.ws.html
349
Пул – мл. Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. М.: Техносфера, 2006. С. 113–115.