Основы системной инженерии наноиндустрии Бескровный И. М. Часть I - Системный анализ Лекция 1 2/6/2018 1
Вторая промышленная революция (1840 – 1900) Железные дороги, Индустрия стали Первая Промышленная революция (1780 – 1840) Паровые машины, Текстильная индустрия, Машиностроение Англия Европа, Россия Третья промышленная революция (1900 – 1950) Электродвигатели, Тяжёлая химпромышленность, Автомобили, Товары длительного пользования США Четвёртая промышленная революция (1950 – н/в) Синтетика, Органическая химия, Нефть, компьютеры США, Япония Пятая промышленная революция (2010 – ? ? ? ) Нанотехнологии, Наноиндустрия, Молекулярная индустрия Развивающийся мир
Что такое Нанотехнология? Нанотехнология — концептуальное понятие. Дать исчерпывающее определение понятию «Нанотехнология » , по-видимому, невозможно. Для понятия «Нанотехнология» предложены различные формулировки, различающихся в деталях, но, по существу, связанных между собой.
Одно из определений можно сформулировать так: Нанотехнология – Совокупность знаний, методов, технических и программных средств, обеспечивающих изучение, создание и контроль наноструктур, создание наносистем и манипулирование материей наноскопическом уровне.
С появлением и развитием нанотехнологий наука и производственные технологии вступают в новый этап развития благодаря осуществлению возможностей измерять, организовывать материальные объекты в наномасштабе (1 - 100 нанометров) и манипулировать ими. Внедрение нанотехнологий позволит контролироваться на наноуровне свойства макросистем, образованных из наноблоков.
Наномасштаб - не просто шаг в направлении миниатюризации. Поведение и свойства нанообъектов определяется квантовыми законами и силами взаимодействия. Стандартные теории становятся недостаточномы для описания явлений наномира А главное - Возможности регулирования свойств и целенаправленного создания наноструктур (атомы, молекулы и их агрегаты) создают уникальные перспективы для развития новых производственных технологий.
А что такое наноидустрия? На сегодняшний день её совершенствование и повышение эффективности функционирования является приоритетной целью любого цивилизованного государства (по крайней мере, так объявляется) В национальной нанотехнологической инициативе США принято такое определение: «Наноиндустрия – это технологическое, машиностроительное, производственное и научное обеспечение процессов, связанных с манипуляциями атомами и молекулами» . Однако, это определение, вероятно, слишком узко – очень мало удовлетворяющих ему технологий вышли или близки к выходу на производственный (индустриальный) уровень.
Более конструктивное определение можно сформулировать на базе общего понятия «Индустрия» : Индустри я (лат. industria — деятельность, усердие) — сфера деятельности, сектор экономики, включающий в себя производство (промышленность), сбыт товаров какого-то рода (в том числе и услуг как товара), сопряжённые секторы и потребительскую аудиторию. Тогда Наноиндустрия – сфера деятельности научноисследовательских, проектно-конструкторских, производственно-технических и иных организационных структур, ориентированная на разработку, производств, сбыт и утилизацию продукции, свойства которой, определяются наноразмерным уровнем организации соответствующих систем.
Для создания и дальнейшего развития нанотехнологий и наноиндустрии необходимо постоянное решение следующих перманентных задач: 1. Фундаментальные исследования нанообъектов и наносистем, в том числе, исследования влияния нанотехнологий на социальные изменения в обществе. 2. Разработка наноматериалов 3. Разработка функциональных наносистем 4. Разработка нанотехнологий. 5. Производство нанотехнологической продукции. 6. Метрология и стандартизация 7. Создание и развитие инфраструктуры наноиндустрии
При этом должна быть обеспечена Регулярная проверка уровня выполнения намеченных задач и степени актуальности и остроты выявляемых проблем Методологической основой грамотного эффективного решения всех перечисленных задач является СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД А основным инструментом системного подхода является СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ
Системный подход - это методологическая концепция или способ организации мыслительной деятельности человека. Идея Системного подхода состоит в том, что все исследуемые (анализируемые) объекты, процессы, явления рассматриваются как системы. 2/6/2018 Опыт системного анализа 11
Это означает, что все причинноследственные связи выводятся (выявляются) как производные из свойств этой системы. Не было гвоздя… Основным инструментом реализации системного подхода является Системный анализ 2/6/2018 Опыт системного анализа 12
Исходные понятия системного анализа (как дисциплины) o Определим понятие системы на основе базовых понятий: o Объект, Свойство, Отношение o Объект - любая выделяемая часть рассматриваемой системы. В общем случае объекты - все то, из чего состоит система. Из чего состоит шариковая ручка? . . Мел? o 2/6/2018 Опыт системного анализа 13
Исходные понятия системного анализа Свойство (свойства) все то, что отличает (позволяет отличить) один объект от другого. 2/6/2018 Опыт системного анализа 14
Исходные понятия системного анализа Отношения - все то, что позволяет из совокупности простых объектов создавать новый объект. Скрепить механически четыре бруска и кусок широкой доски – создать новый объект - Табуретка 2/6/2018 Соединить через Роутер несколько компьютеров, установить соответствующую программу – создать новый объект – Локальная сеть Опыт системного анализа Заключить брачный договор – Создать новый объект - Семья
Составные объекты Несколько объектов могут быть поставлены в такие отношения, что образуется новый объект, обладающий свойством целостности. Это будет составной объект Отношения между элементами составного объекта могут быть установлены не на наблюдаемом, а на самом глубоком, например, генном уровне. Такой объект также можно считать составным
Исходные понятия системного подхода Не всякий составной объект является системой! o Система - совокупность объектов и свойств, связанных такими отно-шениями, что образуется новый объект, обладающий свойствами, не присущими ни одному из составляющих объект элементов в отдельности, ни любой их совокупности, взятых в иных отношениях.
Исходные понятия системного подхода Не всякий составной объект является системой! o Система - совокупность объектов и их свойств o связанных такими отношениями, что образуется новый составной объект
Исходные понятия системного подхода Не всякий составной объект является системой! o Составной объект обладает новыми свойствами, не присущими ни одному из составляющих объект элементов, взятых в отдельности, И неприсущи любой совокупности объектов, составляющих систему (элементов), взятых в иных отношениях
Взаимосвязь основных понятий системного подхода Категория (понятие) Целевое назначение Системный подход Методологическая концепция Системный анализ познания объектов и процессов Общая теория систем Используемые средства (Инструментарий)
Взаимосвязь основных понятий системного подхода Категория (понятие) Целевое назначение Системный подход Системный анализ Методологическая концепция Системный анализ познания объектов и процессов Общая теория систем Содержательный анализ процессов и систем на принципах системного подхода Используемые средства (Инструментарий) Эвристические процедуры, моделирование, методы общей теории систем и исследования операций
Взаимосвязь основных понятий системного подхода Категория (понятие) Целевое назначение Системный подход Системный анализ Методологическая концепция Системный анализ познания объектов и процессов Общая теория систем Содержательный анализ процессов и систем на принципах системного подхода Эвристические процедуры, моделирование, методы общей теории систем и исследования операций Системная инженерия Использование накопленных знаний для воспроизводства рукотворного мира Системный анализ, общая теория систем, исследование операций, эвристические методы Используемые средства (Инструментарий)
Взаимосвязь основных понятий системного подхода Категория (понятие) Целевое назначение Системный подход Системный анализ Методологическая концепция Системный анализ познания объектов и процессов Общая теория систем Содержательный анализ процессов и систем на принципах системного подхода Эвристические процедуры, моделирование, методы общей теории систем и исследования операций Системная инженерия Использование накопленных знаний для воспроизводства рукотворного мира Системный анализ, общая теория систем, исследование операций, эвристические методы Общая теория Изучение и обобщение основных свойств абстрактных систем Используемые средства (Инструментарий) Математическое моделирование
Взаимосвязь основных понятий системного подхода Категория (понятие) Целевое назначение Системный подход Системный анализ Методологическая концепция Системный анализ познания объектов и процессов Общая теория систем Содержательный анализ процессов и систем на принципах системного подхода Эвристические процедуры, моделирование, методы общей теории систем и исследования операций Системная инженерия Использование накопленных знаний для воспроизводства рукотворного мира Системный анализ, общая теория систем, исследование операций, эвристические методы Общая теория Изучение и обобщение основных свойств абстрактных систем Используемые средства (Инструментарий) Математическое моделирование систем Исследование операций Математическое моделиро. Совокупность математических вание и анализ процессов со методов и моделей со стохастическими параметрами
Пример системы – маятник Фуко 2/6/2018 Опыт системного анализа 25
Пример системы Данная система является минимальной Минимальной называется такая система, в которой удаление хотя бы одного из элементов или изменение некоторых его свойств, приводит к разрушению системы.
Классификация жизнестойкости объектов по признаку наличия минимальности системы(Живое – Неживое) Неживой объект: Отделение любой части не приводит к утрате оставшимися частями присущих их свойств. l
Классификация жизнестойкости объектов l. Объект растительного мира: Отделение достаточно большой (в системном плане) части может привести к тому, что оставшаяся часть теряет жизнеспособность и постепенно отмирает. Мгновенное «точечное» поражение невозможно.
Классификация жизнестойкости объектов по признаку наличия минимальности системы(Живое – Неживое) l. Объект животного мира: Является минимальной системой в том смысле, что обладает такими органами, мгновенное «точечное» поражение которых приводит к мгновенной смерти всего организма. (Сердце, мозг и др. )
3. 2
Задачи и методы системного анализа Используя символьные обозначения математической логики определение системы можно записать в виде математического соотношения. где: P, Q - произвольное множество свойств; m, t - множество объектов, входящих в состав сложного объекта; (m)Q - сложный объект, состоящий из множества объектов m, обладающих множеством свойств Q. 2/6/2018 32
Из этого следует, что методы системного анализа в любой сфере человеческой деятельности, для любых объектов, расматриваемых в определённых отношениях. 2/6/2018 Опыт системного анализа 33
Методы системного анализа применимы Если в какой-то из областей материального или духовного мира выявляется некий объект, признаваемый сложным, но не удовлетворяющий приведенному утверждению, то исследование этого объекта не может явиться предметом системного анализа, а должно проводиться в рамках иной системы категорий и понятий. Так, например, не подлежат системному анализу все религиозные догматы и категории, а также такие феномены как телепатия, полтергейст, летающие тарелки и пр. 2/6/2018 34
Принимая одно или два из множеств объектов, свойств и отношений заданными и, применяя к остальным множествам квантор существования, получим из приведенного утверждения новые утверждения, которые являются истинными лишь при выполнении определенных дополнительных условий. Так, проверка истинности утверждения: Поиск условий, при которых является истинным утверждение 2/6/2018 35
Структурная классификация систем 1. Система общее понятие S *{Vi : i I} 2. Система «Вход – выход» S X *Y 3. Открытая система S (M * U)*Y 4. Временная Система X AT; Y BT 5. Функциональная Система S: X Y 6. Система с обратной связью Sос X** Y*
Система является функциональной если между входным и выходным объектами имеется функциональная связь, значение которой позволяет полностью определить выходной объект системы при заданном входном объекте и известном начальном состоянии. Система является функционально управляемой тогда, и только тогда, когда ( y Y)( x X)((x, y) S)
Система функциональна, если для любого значения y Y существует такое значение x X, что между x и y сохраняется функциональная связь, определяемая системой S. Иными словами, если система является функциональной, то любое наперед заданное значение y Y может быть получено путем подбора соответствующего значения x X.
Открытая система Если входной объект имеет две составляющие, то есть X = M U, тогда S (M * U)*Y , то такая система называется открытой. ►Здесь M представляет измеримое, непосредственно наблюдаемое воздействие, а U - те входные воздействия, о которых имеется только косвенная (если она вообще есть) информация. 2/6/2018 Опыт системного анализа 39
Открытая система ►Если система является открытой, то для любого заданного m M самое большое, что можно сказать о соответствующей выходной величине, - это то, что она должна принадлежать множеству Ym = S(m, Um). Любая организационная система относится именно к такому классу открытых функциональных систем. 2/6/2018 Опыт системного анализа 40
Системы с обратной связью Пусть система описывается соотношением то есть входной и выходной объекты разделены на два подмножества. Соединив системы так, чтобы как это показано на рисунке, получим систему с обратной связью
Если при замыкании обратной связи имеет место соотношение (x, y) S 2 (FZ)(((x, Z), (y, Z)) S 1) то есть система S 2 определена, то существует отображение F : S 1 S 2, такое, что F(S 1) = (S 2). Это отображение F называется операцией замыкания обратной связи.
Композиционные системы Класс соединяемых систем описывается в общем случае соотношением S (X*i + Zxi) * (Y*i + Zyi), Zxi - семейство компонентных множеств входного объекта, доступных для соединения; X*i - семейство компонентных множеств, не доступных (или не подлежащих) соединению
Композиционные системы Если имеется две системы, описываемые S 1 соотношениями То их можно соединять разными способами Например, так, как показано на рисунке X 1 * (Y 1 + Zy 1); S 2 (X 2 + Zx 2) * Y 2.
Композиционные системы При соединении этих систем указанным способом, образуется новая система S 3 (X 1 + X 2) * (Y*1 + Y*2), причем Zy 1 = Zx 2 = Z. Такое соединение называют последовательным соединением Обобщенная математическая модель такой композиционной системы имеет вид S 3 S 1 S 2 - оператор последовательного соединения
Композиционные системы Две системы, описываемые соотношениями S 1 (X 1 + Zxi) * Y 1; S 2 (X 2 + Zx 2) * Y 2, Можно соединить так, что Zx 1 = Zx 2 = Z, как это показано на рисунке Получим новую систему S 3 (X*1 + X*2 + Z) * (Y*1 + Y*2). Отображение математической модели имеет вид S 3 = - оператор параллельного соединения S 1 S 2
Композиционные системы С обратной связью Введенные определения последовательного и параллельного соединения систем позволяют обобщить понятие систем с обратной связью. Обобщенная математическая модель этой системы может быть получена с помощью соотношения, содержащего оператор последовательного соединения и оператор замыкания обратной связи F. В результате получаем соотношение S 3 = F(S 1 S 2).
Модельные отображения и модели Свойства, которые субъект соотносит с объектом при мысленном его восприятии, соотносятся не с самим объектом в целом, а с его мысленным образом, который по набору свойств беднее реального объекта Модель объекта есть любой иной объект (материальный, мысленный, математический), обладающий ограниченным набором существенных свойств, присущих оригиналу.
Уровни моделирования o Модель на уровне чёрного ящика Определяет только функциональные связи между элементами входного и выходного множеств Система S определяется в этом случае соотношением: S X*Y, Структурная модель Характер изменений, необходимых для достижения необходимых свойств системы, можно получить только на основе анализа структурной модели системы
Способы отображения модели o Вербальная модель Словесное описание с указанием основных элементов, их свойств, отношений между ними и общей характеристики системы Математическая модель: - Функциональные отношения между элементами системы, их свойствами, между элементами входных и выходных множеств задаются в виде математических формул
Математические модели композиционных систем Способ математического отображения операторов , , F, зависит от способа представления математических моделей соединяемых систем Обобщенной математической Y(t) моделью временной системы 1, 0 является соотношение, 0, 9 позволяющее определить переходную характеристику системы Переходная характеристика – t временная функция H(t), отображаtуст X(t) ющая поведение выходных параметров системы при подаче на ее вход t воздействия в виде единичной ступеньки 2/6/2018 51
Математические модели композиционных систем В качестве математических моделей, отображающих функциональные свойства таких систем, обычно используют так называемые передаточные функции h(t), С помощью передаточной функции описывают временной процесс, возникающий на выходе системы (отклик системы) при подаче на ее вход некоторого воздействия x(t). y(t) Во временной области связь между воздействием x(t) и откликом y(t) определяется соотношением, являющимся интегральной сверткой двух функций 2/6/2018 52
Математические модели композиционных систем Операцией отображения для передаточной функции композиционной системы, образованной последовательным соединением двух систем, будет также являться операция интегральной свертки, имеющая вид При использовании операционного исчисления, основанного на преобразовании Лапласа вместо временных передаточных функций h(t) используются их Лапласовы изображения h(p). В области изображений оператор последовательного соединения означает простое алгебраическое перемножения изображений hi(p) соединяемых систем. h 3(t) = h 1(t) h 2(t) h 3(p) = h 1(p)h 2(p), 2/6/2018 53
Математические модели композиционных систем Для параллельного соединения имеем h 3(t) = h 1(t) h 2(t) h 3(p) = h 1(p) + h 2(p). Операция охвата системы обратной связью, имеющей в своем контуре элемент обратной связи Sf в области Лапласовых изображений записывается в виде соотношения Лапласово изображение входного воздействия в виде единичной ступеньки имеет вид 1/p. Поэтому переходная характеристика и передаточная функция связаны соотношением 2/6/2018 54
При анализе сложных систем пользуются блок -схемами
Инструментарий системного анализа Одним из самых важных методологических приемов, использование которого следует считать обязательным, является определенная последовательность этапов системного анализа Анализ проблемной ситуации Формирование набора целей Определение функций системы Формирование структуры системы Проверка реализуемости (внедрение) На этом этапе ищут ответа на вопрос “Что случилось? ” Почему надо создавать (конструировать, совершенствовать) новую систему? или решать какую-то задачу? Ответ должен быть сформулирован в четких, конструктивных терминах, позволяющих наметить пути ликвидации проблемной ситуации. 2/6/2018 Опыт системного анализа 56
Анализ проблемной ситуации Выяснять необходимо истинную проблему, не довольствуясь первой предложенной версией (формальным описанием): Примеры: 1. Объединение предприятий; 4. Грабеж магазина (вешалки) Что случилось? 3. Нанобетон Да, вот, после твоего сладкого яблочка, потянуло на кислое 2/6/2018 При этом не забывать фундаментального положения: «После» не значит «Вследствие» Опыт системного анализа 57
Анализ проблемной ситуации Проводится вдумчивый анализ того, что сделано другими исследователями по изучению рассматриваемой проблемы. Эта часть является необходимой в любой научной работе. При этом, новые идеи могут возникать «от противного» . Это в случае, если описываемый подход представляется явно негодным. Но, когда появляется готовность серьезно раскритиковать описываемый подход, тогда и появляются новые идеи, а как, собственно надо действовать – как пойти верным путем! 2/6/2018 Опыт системного анализа 58
Анализ проблемной ситуации Крайне важным моментом анализа проблемной ситуации при создании нового изделия, разработке способа получения нового вещества, создании новой системы и т. п. является анализ возможных негативных последствий от этой новации. Хотя это крайне затруднительно, а порой и невозможно. Вряд ли супруги Кюри могли, хотя бы в малейшей мере, предвидеть те негативные последствия, которые повлекло за собой освоение методов использования ядерной энергии. Впрочем, то же самое можно отнести и к создателям автомобиля. Те тоже не могли предвидеть огромное количество жертв, погибших в результате автомобильных происшествий Однако по отношению к нанотехнологиям ученые прогнозируют возможные негативные последствия уже сегодня 2/6/2018 59
Анализ проблемной ситуации 2/6/2018 Опыт системного анализа 60
2/6/2018 Опыт системного анализа 61
Формирование набора целей Анализ проблемной ситуации Формирование набора целей Второй этап - формирование набора целей, достижение которых обеспечит ликвидацию (компенсацию последствий) или, хотя бы, снижение остроты возникшей (или выявленной) проблемной ситуации. Набор целей в своей совокупности должен определять состояние системы, достижение которого ликвидирует проблемную ситуацию. 2/6/2018 Опыт системного анализа 62
Формирование набора целей В любом случае цели должны задаваться в терминах, исключающих двусмысленное толкование, 2/6/2018 Опыт системного анализа 63
Формирование набора функций Анализ проблемной ситуации Формирование набора целей Определение функций системы На третьем этапе осуществляется формирование набора функции или действий, которые надо осуществить (осуществлять) для достижения сформулированных на втором этапе целей. То есть формируется ответ на вопрос: “Что надо делать (сделать) для того, чтобы намеченные цели были достигнуты? ” или на вопрос: “Как должна функционировать система, способная постоянно отслеживать сформулированную цель? ” 2/6/2018 Опыт системного анализа 64
Формирование набора целей Анализ проблемной ситуации Формирование набора целей Определение функций системы Формирование структуры системы Четвертый этап - проектирование системы (или комплекса средств). Подбирается элементная база системы, разрабатывается ее структура, на основе которой возможна реализация набора функции, сформированного на третьем этапе. 2/6/2018 Опыт системного анализа 65
Формирование структуры системы Итогом четвертого этапа является ответ на вопрос: “На базе каких средств и методов может быть эффективно реализован необходимый набор функций? ” Применительно к существующей системе, для которой элементная база задана, исходной предпосылкой четвертого этапа анализа является утверждение ( (m))[(m)Q& (m) ( P)(P Q = )] 2/6/2018 66
Формирование структуры системы Для принципиально новых создаваемых систем, для которых ни элементная база, ни структура отношений между элементами не заданы, исходной предпосылкой для четвертого этапа анализа является утверждение ( (m)Q)( (m))[(m)Q& (m) ( P)(P Q = )] К таковым системам будут относится приборы и средства анализа свойств наночастиц и нанообъектов, оборудования для производства наночастиц и нанообъектов и т. п. 2/6/2018 67
Проверка тривиальности Утверждения, истинность которых доказывается на четвертом этапе, не тривиальны, поскольку не обладают всеобщностью. То есть следующее утверждение ( P)( (m)Q)( (m))[(m)Q& (m) ( P)(P Q = )] 2/6/2018 Не является истинным! 68
Проверка реализуемости Анализ проблемной ситуации Формирование набора целей Определение функций системы Формирование структуры системы Проверка реализуемости (внедрение) Пятый этап - проверка реализуемости спроектированной системы при заданных внешних условиях. Итогом проверки является ответ на вопрос: “Так ли хороша система на практике, как она была задумана в проекте и в какой мере ликвидирована проблемная ситуация? ” 2/6/2018 Хотели как лучше – а получилось как всегда…
Нормативная карта целей 2/6/2018 70
Объединение подцелей по схеме «И» 71
Объединение подцелей по схеме «И» Минимальные затраты Максимальный срок выполнения Вероятность реализации 2/6/2018 72
Объединение подцелей по схеме «ИЛИ/НЕТ» 2/6/2018 73
Объединение подцелей по схеме «ИЛИ/НЕТ» Минимальные затраты Максимальная вероятность достижения цели Минимальный срок выполнения 2/6/2018 74
Соединение подцелей по схеме «ИЛИ» Минимальные затраты 2/6/2018 75
Процесс формирования НКЦ Мозговой штурм Декомпозиция Синтез НКЦ Граф целей Дерево целей 2/6/2018 Опыт системного анализа 76
Формирование дерева целей Дерево целей - это специальный вид графа целей, в том случае, когда он имеет древовидную структуру По определению, деревом называется связный граф без контуров, удовлетворяющий определенным требованиям: 2/6/2018 Опыт системного анализа 77
Формирование дерева целей 1. Каждая дуга соединяет только таких два узла, которые находятся на соседних уровнях; 2. То есть, не должно быть дуг, соединяющих узлы, разделенные двумя, тремя и более уровнями. 1 2 2/6/2018 78
Формирование дерева целей 3. Каждый узел является терминальной точкой одной дуги, за исключением единственного узла, находящегося на самом верхнем уровне и являющегося вершиной дерева; 4. Каждый узел на всех уровнях кроме самого нижнего является исходной точкой для нескольких дуг. Не должно быть узлов с одной исходящей дугой 3 5. Не должно быть узлов, имеющих более одной входящей дуги. 6. Все узлы самого нижнего уровня являются только терминальными точками. 2/6/2018 5 4 6 79
Эволюция систем Эмерджентность Редукционизм Страдивари Вертолеты МИ 6, МИ 26 Закон перехода количества в качество Гремучий газ (метан 9, 5%) Припой 2/6/2018 80
Скачать презентацию Основы системной инженерии наноиндустрии Бескровный И М Часть
Системная инженерия_Нано_Л1_2013.ppt