Гюнтер Рополь:
Моделирование технических систем

Введение

С середины XX столетия в науке распространяется убеждение, что растущая специализация и раздроблённость исследовательских областей преодолеваются с помощью обобщающего и охватывающего разные специальности построения моделей. Возникшие независимо друг от друга, однако в своей основной тенденции идущие в одном русле, общая теория систем и кибернетика, придав новую жизнь старым философским традициям, обосновали рационально уточнённую холистскую парадигму «постсовременной науки».

Таким образом, развились кибернетические исследования, в которых впервые было обращено внимание на общее построение моделей технических систем. Как писал Эшби в 1956 году: «Предметом кибернетики является область «всех возможных машин… Кибернетика даёт общий остов, на котором могут быть расположены, соотнесены и понятны все индивидуальные машины». Поляки Греневский и Кемпистый подхватили эту мысль и дали набросок «общей теории орудий с помощью кибернетического понятийного аппарата». В то же время в США подобная основополагающая мысль конкретизировалась в программе системотехники. Равным образом в середине 1960-х годов в ЧССР Хубка и в ГДР Ханзен и его школа в Ильменау, восприняв системно-кибернетические основные понятия, попыталась создать общую модель технических систем, применимую в науке о конструировании.

Между тем, теория технических систем становится признанной составной частью базисного научно-технического знания. Это, например, выражается в том, что в традиционном руководстве для машиностроения Дуббеля принят соответствующий раздел. Однако все ещё существуют значительные расхождения в том, каким образом следует моделировать технические системы и каковы прежде всего рамки модели. Грубо говоря, можно различить научно-технический и социотехнический типы модели.

Научно-технический тип модели

Описание модели

В качестве научно-технического типа модели укажем на принцип моделирования, описывающий существующие или проектируемые машины, приборы, аппараты и устройства как технические системы и привязывающий всякую человеческую деятельность к определённому системному окружению, внешнему по отношению к рассматриваемой системе. В таком понимании техническая система является тем искусственным предметом, который конструируется и производится с помощью инженерных средств. Техническая система представляет собой взаимосвязь предметов, и граница системы проводится, так сказать, по стенкам корпуса машины. Функция технической системы описывается как то преобразование, которое выполняет машинная взаимосвязь предметов. Человеческое участие, например, управление и обслуживание, остаётся, если его не рассматривать упрощённо, лишь в форме принятия во внимание дополнительных входных величин. Наконец, эта структура даётся данным типом модели через приборно-технические связи и соединения между предметными строительными группами и частями.

Об основных чертах этого типа модели в технических науках существует принципиальное единодушие. Варианты же появляются от того, что при функциональном описании принимаются во внимание либо лишь входные и выходные величины, либо дополнительно учитываются также параметры состояния. В целом же характерные системные величины обычно подразделяются на три класса, которые в соответствии с известным винеровским различением ориентированы на вещество, энергию и информацию. Часто говорят (правда, теоретически не совсем удовлетворительно) о материи, энергии и сигналах и при этом упускают из виду, что материя является также носителем энергии и что сигналы как носители информации всегда выступают или как вещество, или как энергия; но это — тонкости, не имеющие существенного значения для основной идеи. Наконец, можно считать общепризнанным, что три атрибутивных класса: вещество, энергия и информация — могут подвергаться трём отличаемым друг от друга типам преобразования, а именно: изменению (количественному или качественному), переносу и накоплению. Получающаяся при этом двухмерная классификация технических систем уже пробивает себе дорогу в технические науки.

Критическая ситуация

Прежде всего следует отметить, что эта модель технических систем была большим прогрессом в формировании и развитии научно-технической теории. То, что Рело намеревался осуществить более ста лет назад с недостаточными средствами кинематики, а именно «науку о машинах вывести дедуктивно» и «представить её структуру таким образом, чтобы она покоилась на немногих собственных основополагающих истинах», можно полностью осуществить с эскизной моделью технической системы. Внутри определённых границ этот тип модели имеет своё право на существование.

Границы устанавливаются, однако, через фиксацию модели за техническим предметом. Построение модели исходит от узкого технического понимания, согласно которому к технике причисляются лишь искусственно созданные предметы. Но в действительности техника охватывает множество ориентированных на потребности, искусственных, предметных образований (артефактов), множество человеческих деятельностей и устройств, в которых эти артефакты возникают, а также множество человеческих деятельностей, в которых эти артефакты применяются.

Однако научно-технический тип модели относится очевидно лишь к первому из названных подмножеств и не может учитывать условий ни возникновения, ни условий применения технических предметов. В условиях применения такое строение модели пренебрегает человеком, который имеет дело с техническим предметом. Благодаря этому, однако, нечётко схватываются также человеко-машинные отношения. Этот недостаток особенно становится заметным, когда речь идёт об оптимальном с эргономической точки зрения оформлении рабочей системы, для которой оптимальное с чисто инженерной точки зрения оформление машины ни в каком отношении не может быть достаточным.

Ещё более эффективно ограничение этого типа модели в условиях возникновения, а именно, когда эта модель технической системы прикладывается к формулированию постановок конструкторских задач. В качестве функции технической системы предварительно определяется лишь то преобразование, которое осуществляется инженерными средствами, и вообще не следует систематически ставить перед собой вопрос, почему эта функция вычисляется именно таким образом, но не ограничивается как-то по-иному. Другими словами, этот тип модели совершенно не даёт возможности систематически обосновывать конструкторские задачи, так как они с самого начала рассматриваются так, как будто бы они упали с небес.

Тем самым, однако, наиболее важный шаг технического творчества лишается возможности систематического применения своих приёмов: ведь изобретение заключается не только в том, чтобы для заранее данной функции указать новую приборно-техническую структуру, а прежде всего в том, чтобы открыть новые функции, которые можно было бы осуществить с помощью инженерных средств. К таким важным открытиям новой функции принадлежит, например, холодильная машина, для которой сначала вообще была определена полностью новая функция — лишить определённое пространство тепла с помощью технических средств.

Когда сделано открытие функции, можно в рамках научно-технического типа модели искать структурные и конструктивные идеи. Однако само открытие функции остаётся в этом пространстве неосуществлённым и необоснованным. В рамках этой модели также нет средств выявить возможности функциональной замены: если сантехник принимает определение функции как данное, постройка получает известное количество тепла в результате использования минеральных энергоносителей, причём он может построить прекраснейшую отопительную систему, но ему всё-таки никогда не придёт в голову мысль, что речь, собственно, идёт о функции сохранять определённую внутреннею температуру так, чтобы теплоизоляция постройки оказалась функционально эквивалентной отоплению. Критическая дискуссия показывает также, что научно-технический тип модели осмысливается прежде всего тогда, когда функция технической системы уже определена другим способом. Вместо этого необходима социотехническая системная модель.

Социотехнический тип модели

Описание модели

В рамках научного учения о конструировании была попытка Хубки преодолеть ограниченность научно-технического типа модели с помощью расширения его рамок. Так как он явно исходит из социальной постановки цели и особенно ясно подчёркивает человеческое участие в техническом процессе, его концепция должна быть причислена к социотехническому типу моделей, хотя сам он не использует этого обозначения. Исходным пунктом построения модели является здесь не искусственный предмет, соответствующий определённой цели, а процесс преобразования, который оформляется человеком, чтобы изменить существующее состояние мира для удовлетворения человеческих потребностей.

Существует процесс преобразования, который моделируется сначала как система. Состояния, которые проходит преобразование, называются в модели операндами. Преобразование осуществляется благодаря тому, что различные операторы влияют на операнды. Они подразделяются на три класса и в то же время представляют собой систему. Это — человек, техническая система и действующее окружение. В этом месте построения модели появляется также техническая система, но лишь как часть общей модели. Впрочем, Хубка присоединяет пока к этой части модели научно-технический тип модели, так как он описывает систему операторов входных и выходных величин классов материи, энергии и информации. Существуют выходные величины системы операторов, которые влияют на систему преобразований и приводят к изменению операндов. Как правило, преобразование не осуществляется за один-единственный шаг, а составляется из конечного числа частичных операций, чьи связи строят структуру преобразовательной системы.

Критическое обсуждение модели

Преимущества модели Хубки в том, что фактически преодолевается ограниченность научно-технического типа модели. То, что в этом типе модели вызывало вышеупомянутые возражения, практически не касается модели Хубки, так что здесь нет необходимости повторять эти положения в позитивном ключе.

Зато возникают возражения теоретико-модельного характера. В то время как научно-технический тип модели является непротиворечивым, но недостаточно представительным, в модели Хубки, напротив, хотя она отображает техническую практику представительным образом, логическая и системно-теоретическая непротиворечивость оставляет желать лучшего. Это заключается прежде всего в том, что Хубка считает необходимым выводить два формально различных системных типа, преобразовательную систему и систему операторов, и для обоих типов систем терминологически различать то, что системно-теоретически является одним и тем же. Так, входные и выходные переменные называются в преобразовательной системе операндами, в технической же системе — входами и выходами; связь между входными и выходными переменными именуется в преобразовательной системе процессом, а в технической системе — функцией. Между тем, для технической системы Хубка употребляет общепризнанное разделения на вещество, энергию и информацию. Для преобразовательной системы, напротив, он не даёт никакой далеко идущей классификации операндов, хотя названное разделение может оказаться также целесообразным и здесь.

Однако, прежде всего Хубка просмотрел, что он без всякой нужды, так сказать, удвоил свою модель. Ведь в действительности частичные операции процесса преобразований идентичны функциям человека или технической системы или же интегрированной социотехнической системы. Рассматривая, например, систему преобразований для нагрева здания, можно, таким образом, идентифицировать частичную операцию превращения химической энергии в тепловую и передачи тепловой энергии в отдельных помещениях. Точно так же, однако, это — функции технической системы топливного устройства и сети трубопроводов. То же самое относится к участию человека: дальнейшая частичная операция рассматриваемой системы преобразований, поддержания заданной величины температуры, идентична соответствующей функции системы операторов человека. Впрочем, существует также несовместимость между основной моделью, где человек и техническая система устанавливаются как отдельные системы, и более поздним модельным представлением, где теперь оба оператора интегрируются в одной закрытой человеко-машинной системе.

Несогласующееся удваивание социотехнических моделей очевидно объясняется тем, что, хотя Хубка видит очертания теоретической проблемы, все таки она ещё не разработана модельно-теоретически с достаточной тщательностью. Дело заключается в теоретически и практически чрезвычайно важной проблеме, которая — как обозначает её теория организаций — состоит в соотношении между анализом и синтезом задачи. Прежде всего дело заключается в мысленно-абстрактной дефиниции общей задачи и её расчленения на подзадачи. Это то самое, что Хубка моделирует в системе преобразований. Синтез задачи состоит в следующем — определять для подзадач по мере надобности конкретно эмпирические носители задачи. В качестве такового носителя задачи у Хубки оказывается система операторов. Система преобразований и система операторов являются, следовательно, лишь двумя сторонами одной и той же модели. Вследствие наличия их тесных теоретических и практических взаимоотношений рекомендуется отказаться от этого модельно-теоретического дуализма и вместо них установить одну непротиворечивую системную модель, которая, однако, разделяет преимущество репрезентативности с моделью Хубки.

Синтез типов моделей

Абстрактные системы деятельности

Исходный пункт построения модели, точно так же как и у Хубки, — ситуация человеческих потребностей. Отдельные люди или социальные группы нуждаются в некотором состоянии окружающей среды, которое не существует. Соответственно этому определяется в качестве возможного будущего состояние как цель. Теперь после этого исследуется существующее состояние окружающей среды, с тем чтобы установить, какие именно обстоятельства могли бы трансформироваться в возможное будущее состояние. Из этого получается задача, которая состоит в преодолении различия между существующим действительным состоянием и мысленно предваряющим возможным целевым состоянием.

Для выполнения задачи предположим теперь сначала исключительно идеального носителя задачи и обозначим его как абстрактную систему деятельности. В другом месте это понятие было подробно обосновано, однако в определённых случаях возможно также говорить о рабочей системе и, таким образом, пользуясь терминологией наук о труде, прежде всего произвести DIN 33 400 (Deutsche Industrie Norm — Германский промышленный стандарт [нем.] — Прим. пер.). Как можно видеть, абстрактная система деятельности, или рабочая система, внутренне идентична системе преобразований Хубки. Конечно, преобразование есть не что иное, как функция абстрактной системы деятельности, и входные и выходные переменные этих систем тоже должны систематизироваться в соответствии с основными категориями материи, а именно — веществом, энергией и информацией или их комбинацией.

На следующем этапе моделирования предпринимается то, что в теории организаций называется анализом задачи. Первоначально определённая общая задача разлагается на конечное множество подзадач. Е. Козиол указывает для такого разложения ряд отличительных признаков расчленений, которые имеют важное значение и для анализа абстрактной системы деятельности. Для каждой подзадачи или подоперации предполагается и абстрактная подсистема, которая представляет идеального носителя соответствующей подзадачи.

О конкретных носителях задачи эта системная модель на данной плоскости моделирования ещё ничего не высказывает, так же как и система преобразований Хубки. Было бы некорректно уже в этой абстрактной плоскости, как это делает Хубка, говорить о техническом процессе. Поскольку преобразование осуществляется без участия технической системы, имеется налицо скорее чисто человеческий трудовой процесс или такая же социальная деятельность. Так как, однако, на уровне анализа задачи всё остаётся ещё полностью открытым, рекомендуется говорить лишь о функции или подфункции абстрактной системы действий.

При следующем этапе моделирования крайне важно, однако, уже теперь провести различие между горизонтальным и вертикальным функциональным разложением. При горизонтальном разложении расчленяют общую функцию на частичные и элементарные функции, каждую из которых можно выделить ещё и как отдельное действие или рабочую операцию. Вертикальное функциональное расчленение идентифицирует в каждой частичной или элементарной функции ещё определение подфункции и соответствующие им идеальные подсистемы, которые также, вообще говоря, составляют первоначально простейшее действие. Этот этап моделирования является всё таки важным, так как должен прямо характеризовать определённый уровень технизации автоматизации, что берёт на себя лишь известные подфункции вертикального разложения технической системы. Это замечание приводит, однако, уже к следующему этапу моделирования.

Социотехнические системы

Функциональный анализ абстрактной системы деятельности привёл к системной модели, в которой все необходимые для преобразования частичные функции полностью определены.

Однако данная модель все ещё является чисто идеальным построением, которая в принципе угадывается полностью, как частичная система или подсистема, которая выполняла соответствующую, конкретно предоставленную функцию. Это получается сначала на следующем теперь этапе моделирования, на котором для конкретно эмпирической интерпретации берут абстрактную систему деятельности. Теперь прежде всего в принципе решается, какие частичные функции абстрактной системы деятельности могут быть выполнены технической системой и какие остаются за человеком. Это эмпирическое доказательство соответствует в теории организаций синтезу задачи и ведёт к модели социотехнической системы, в которой человеческие и технические носители функций взаимодействуют при исполнении общей функции.

Модель абстрактной системы деятельности и модель социотехнической системы, следовательно, идентичны в идеальном плане вплоть до эмпирической характеристики подсистем. В принципе они находятся в изоморфном соответствии и различаются лишь в абстрактном плане. Поэтому их можно также описывать в единой системной терминологии. Это допускает также применение для системных элементов пригодного теперь для них научно-технического типа модели. Благодаря предшествующему построению социотехнической модели определение функции технической системы освобождается, однако, от её прежней популярности и обосновывается, исходя из охватывающей её деятельностной связи.

Трудности моделирования

Ход моделирования можно было описывать в этой статье лишь идеально-типически. Это относится прежде всего к функциональному разложению в абстрактной системе деятельности и её отношению к более поздней эмпирической интерпретации в социотехнической системе. В действительности между этими двумя этапами моделирования существуют многочисленные взаимосвязи, которые, как правило, носят по необходимости итеративный характер. Уже разложение функций в абстрактной системе деятельности редко приходится обязательно выводить из природы вещей; оно оказывается в большинстве случаев творческим актом, который к тому же предполагает предварительные эмпирические знания о возможных эмпирических интерпретациях.

Напротив, при концептуализации технической системы может оказаться, что выводится охватывающая шире или также ещё более ограничивающая функция, чем она предусмотрена абстрактным разложением функций, которая затем ещё раз пересматривается на дополнительном этапе моделирования.

Перспективы

Эти размышления показывают, что между различными подходами к теории технических систем не существует действительных противоречий. Социотехническая теория систем включает соответствующим образом именно проблемы технической практики, однако в неё может быть вставлена без нарушения уже ранее введённая научно-техническая системная теория. Концептуальные и терминологические различия между двумя конкурирующими социотехническими системными моделями оказываются при ближайшем рассмотрении поверхностными, и мост между ними наводится без особых трудностей.