Виталий Яковлевич Дубровский:
Проблемы модификации в системном проектировании

1. Исходные положения

1.1

Целью всякой модификации является приведение проекта системы в соответствии с рабочими характеристиками — требованиями, вытекающими из некоторой потребности.

«Почти всегда, учитывая склонность, человека к ошибкам или его недостаточные звания, необходимы разработка проекта на бумаге и его оценка до того» как будут выделены денежные средства и ресурсы на его осуществление. В процессе разработки изготавливаются один или несколько действующих макетов системы и проводятся их испытания. Если первая попытка неудачна, конструкция модифицируется до тех пор, пока не будут получены приемлемые рабочие характеристики» [Уилсон, Уилсон 1968: 173].

Очевидно, прежде чем осуществлять модификационные преобразования проекта, следует выявить необходимость таких преобразований, установив несоответствие проекта требованиям к системе. Иными словами, первым необходимым этапом модификации является оценка проекта» и уже затем осуществляется его реконструкция.

В этой работе мы рассмотрим некоторые общие методологические вопросы, связанные с оценкой при модификации в системном проектировании.

1.2

Мы будем исходить из тезиса, что до возникновения проектирования приведение технических устройств в соответствие с потребностями практики выполнялось за счёт модернизации систем. Это даст нам возможность систематически рассмотреть проблемы модификации, как обусловленные переходом от модернизации систем к модификациям их проектов.

Кроме того, мы предположим также, что модернизация могла осуществляться минимальными средствами. Материалом, на основе которого производилась оценка и реконструкция, служил лишь опыт производства и эксплуатации системы, а также опыт прежних мероприятий по модернизации подобных систем. А сами оценка и реконструкция осуществлялись за счёт интуиции и способностей экспертов. Хотя это предположение не вполне соответствует тому, что происходило реально (ведь именно использование научно-технических знаний и других мыслительных средств при модернизации сделали возможным переход к модификации, как и к проектированию вообще), такое «очищенное» представление модернизации даёт нам возможность вскрыть основные мыслительные средства, необходимые для модификации.

1.3

Модернизация систем проводилась (а модификация проводится) как в связи с требованиями со стороны сферы назначения (то есть с точки зрения эксплуатации системы), так и в связи с требованиями со стороны её производства (обеспечение технологичности). Мы ограничим наше рассмотрение планом эксплуатации системы. Выводы для производства те же — mutatis mutandis — что и для эксплуатации систем.

2. Место модификации в процессе системного проектирования

Несовершенством проектировщиков («склонность к ошибкам») и несовершенством средств проектирования («недостаточность знаний», недостаточность методов, и тому подобное). Поскольку подобное положение всегда сохранится, модификация всегда будет необходимым логическим этапом системного проектирования, а поэтому необходима такая организация деятельности проектирования и её методологического обслуживания, которая позволяла бы уменьшить степень модификационных изменений и связанные с ними затраты средств и времени.

В результате развития системного проектирования расширения его роли в управлении процессами, реализующими связь производства и потребления, предметом проектирования стал весь жизненный цикл системы [Гуд, Макол 1962] [Gosling, 1962] [Дубровский, Щедровицкий, 1971]. Не только процессы функционирования системы в сфере потребления и её производство стали планироваться на стадии проектирования, но и очередные фазы самого системного проектирования стали планироваться на предыдущих его фазах.

Модификационные изменения могут вноситься на разных фазах проектирования. В результате развёртывания описаний системы и определении её элементов в процессе проектирования развёртывается и сама система проектирования. Поэтому стоимость конкретного модификационного изменения проекта будет тем меньше, чем на более ранней фазе это изменение будет осуществлено. Вместе с тем очевидно, что на каждой фазе проектирования модификация может затронуть лишь те параметры системы, которые уже определены. Иными словами, модификационные изменения проекта не могут быть осуществлены ранее, чем будут приняты соответствующие проектные решения. Это означает, что модификация как логический этап системного проектирования может затрагивать все его фазы, и, следовательно, не всех фазах проектирования могут осуществляться оценки, реконструкция проекта системы.

3. Различие логических условий оценки при модификации и модернизации

Выше мы условно предположили, что оценка при модернизации осуществлялась исключительно за счёт способностей эксперта и его интуитивных средств, а материалом, на котором эта оценка основывалась, был опыт эксплуатации системы.

При переходе в нашем рассуждении от модернизации к модификации прежде всего следует учесть различие их предметов. Модернизируется система, находящаяся в эксплуатации, модифицируется описание системы, предназначенной для производства и эксплуатации — проект системы.

Кроме того, различаются логические условия модернизации и модификации. Естественно, что положительная (отрицательная) оценка системы на основании опыта её производства и эксплуатации означала бы и положительную (отрицательную ¹ оценку проекта, в соответствии с которым строилась система. Однако такая оценка проекта системы уже ничего не могла бы дать для улучшения самой этой системы, хотя и имела бы смысл для совершенствования самого проектирования.

Особенностью логических условий модификации является отсутствие опыта эксплуатации системы, Которой мог бы выступить в качестве исходного материала для оценки и реконструкции проекта. В качестве исходного материала имеется лишь проектное описание системы. Поскольку оценка проекта всё же должна быть осуществлена, возникает вопрос, какими данными мы должны дополнить имеющиеся проектные описания системы, чтобы сделать оценку возможной, не предполагая у проектировщика дополнительных интуитивных средств и способностей.

Для этого, по-видимому, следует сопоставить материалы оценки при модернизации и модификации и выяснить, какие моменты опыта эксплуатации схватываются в проектных описаниях системы и чего там не хватает. Поскольку на разных фазах проектирования имеется различный материал для оценки проектов, постольку этот вопрос следует рассматривать для каждой фазы отдельно.

Наличие опыта производства и эксплуатации системы, очевидно, означает наличие самой системы, процесса функционирования системы, объемлющей (или внешней) системы, в которой она функционирует, а также конкретной среды, обусловливающей это функционирование.

Весьма важен тот факт, что на всех фазах проектирования имеется полный набор перечисленных факторов — либо реально, либо в описании. Чем более ранней является та или иная фаза — проектирования, тем больше число факторов задано на ней лишь в форме описаний. В частности, на начальных фазах проектирования мы имеем одни лишь описания.

4. Модификация и фазы системного проектирования

Различие наборов факторов, учитываемых при модификации на разных фазах проектирования, позволяет выделить сами эти фазы, а указанная выше тенденция их изменения позволяет упорядочить выделенные фазы во времени.

4.1. Фаза разработки технического задания

Первой фазой системного проектирования принято считать разработку технического задания на проектирование. Техническое задание — это первое описание системы как некоторого целостного образования, представленного в его «внешних» характеристиках. Задача последующих фаз проектирования — разработка «внутренней» структуры системы, указанной в техническом задании. Техническое задание на систему разрабатывается на основании описаний «места» проектируемой системы в объемлющей её системе. Это место определяется четырьмя типами факторов в соответствии с категориальными слоями представления объекта проектирования:

• задачей, или миссией системы;
• функциональной структурой объемлющей системы;
• предполагаемой средой системы;
• возможностями современного производства.

Это, в частности, означает, что в конце первой фазы проектирования мы имеем лишь описания всех перечисленных факторов (кроме описаний опыта эксплуатации). Этот момент принципиально важен и его следует рассмотреть особо.

Каждый эмпирический объект обладает бесчисленным множеством свойств. Что же позволяет ограничиться в техническом задании лишь строго определёнными характеристиками системы? Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним, что «в идеале» на основании данных, содержащихся в техническом задании, и посредством процедуры системного проектирования строится проект системы, который в соответствии с основными принципами системного инженерного проектирования — принципами реализации и оптимальности (см., например, [Gosling 1962] и [Дубровский, Щедровицкий 1971]), должен обеспечить рациональное производство максимально эффективной в эксплуатации системы. Если теперь сравнить исходный материал проектирования и его продукт, то легко догадаться, что в требованиях технического задания должен быть запечатлён опыт трёх типов деятельности, связанных с системой; опыт эксплуатации, опыт производства и опыт проектирования подобных систем. Разработка структур системы в соответствии с техническим заданием должна обеспечить таким образом, осуществимость проекта и высокую эксплуатационную эффективность построенной в соответствии с проектом системы.

Отсюда следует очень важное для нас положение; техническое задание служит критерием для оценки на последующих фазах проектирования, Исключение представляет лишь последняя фаза системного проектирования — эксплуатационные испытания (см. п. 4.2).

Вопрос об оценке технического задания чрезвычайно сложен. Это фактически методологическая работа, связанная с анализом проблем и опыта эксплуатации, производства, и проектирования систем и с анализом политических, культурных, экономических и других факторов.

Очень важное значение при оценке технического задания имеет опыт модификационных изменений на фазе эксплуатационных испытаний.

4.2. Фаза эксплуатационных испытаний

Фазе эксплуатационных испытаний соответствует наиболее полный набор реальных факторов все факторы, кроме опыта эксплуатации, присутствуют реально; построенная система, функционирующая внутри объемлющей системы в конкретных условиях среды, а также опыт её производства (сюда включается вся цепь работ — монтаж, наладка и так далее). Эквивалентом опыта эксплуатации системы являются эксплуатационные испытания, в процессе которых стремятся набрать наиболее полную статистику возможных ситуаций, в которых работает система. Этокак бы «сокращённый опыт», но организованный так, чтобы его результаты совпадали с результатами реального опыта. С другой стороны, опыт эксплуатации системы может служить впоследствии важным критерием как для оценки проекта, так и для оценки организации и планирования эксплуатационных испытаний. Однако это уже будет оценка в рамках методологической модификации проектирования (то есть реорганизации самой деятельности проектирования), а не в практике проектной модификации.

Процедура оценки проекта на фазе эксплуатационных испытаний состоит в «измерении» рабочих характеристик системы (соответствующих указанным в техническом задании) во всех режимах работы системы и в максимально представительном наборе условий, связанных как с работой объемлющей системы, так и с существенными факторами среды. Следует отметить, что техническое задание на этой фазе уже не является критерием оценки, оно само оценивается на этой фазе проектирования.

Действительно, если предположить, что на всех предыдущих фазах проектирования была проведена модификация, то есть проект системы и сами характеристики системы были приведены в соответствие с техническим заданием (оно служило критерием оценки на этих фазах), то результаты всех «измерений» (при условии исправной работы системы) должны соответствовать требованиям технического задания. Тем не менее опыт как эксплуатационных испытаний, так и эксплуатации систем нового типа показывает, что, несмотря на соответствие рабочих характеристик системы требованиям технического задания, система очень часто оказывается недостаточно эффективной. Нередко это связано с тем, что не учитываются некоторые специфические характеристики данной системы, и тогда техническое задание должно быть дополнено этими характеристиками и, в общем случае, должна начаться разработка нового проекта, соответствующего новому техническому заданию.

Причины «несовершенства» технического задания могут носить как субъективный, так и объективный характер.

К субъективным причинам следует отнести: 1) неверное осознание опыта; 2) неверное осознание потребностей и 3) неверную «точку зрения», К объективным причинам нужно отнести: 1) отсутствие опыта в отношении систем данного класса и 2) несовершенство описаний, на основании которых строится техническое задание. Эксплуатационные испытания как раз и призваны восполнить отсутствие опыта эксплуатации проектируемой системы».

4.3. Собственно проектные и собственно модификационные фазы

Каждый из четырёх факторов (функционирование системы, сама система, объемлющая система и среда), образующих материал для оценки, может включаться в набор факторов в двух формах: реально и в форме описания. Поэтому мы имеем 2⁴ формально возможных наборов. Это, однако, вовсе не означает, что в системном проектировании имеется 16 фаз, соответствующих этим наборам. Некоторые из этих наборов могут оказаться бессмысленными.

Нетрудно заметить, что фаза эксплуатационных испытаний преследует чисто модификационные цели. Действительно, ведь система уже спроектирована и построена и в идеальном случае должна быть эффективна в эксплуатации. Чаше всего её испытания говорят о том, что фактически мы этого «идеального случая» не имеем. По-видимому, имеют чисто модификационные цели все фазы, соответствующие наборам факторов, в которых система присутствует реально. Модификационные изменения проекта, связанные с оценкой проекта на этих фазах, фактически сводятся к перепроектированию системы или её компонентов. Мы не будем подробно рассматривать эти фазы, так как их содержание значительно варьируется в зависимости от типа проектируемой системы. Модификационная оценка на всех этих фазах должна установить степень соответствия техническому заданию рабочих характеристик, связанных с работой объемлющей системы и с воздействием среды. Объективными причинами несоответствия являются недостаточность имеющихся описаний и их несоответствие реальным характеристикам объемлющей системы и среды.

Те фазы системного проектирования, которым соответствуют наборы факторов, представляющие проектируемую систему лишь в форме её проектных описаний, назовём собственно проектными фазами. Модификационные изменения на этих фазах уже не носят характер перепроектирования, а представляют собой реконструкцию проекта.

Наиболее интересный вопрос, который здесь возникает, это вопрос о том, что заменяет опыт эксплуатации системы. На модификационных фазах таким эквивалентом являются испытания системы то ли в реальных условиях, то ли в условиях, имитирующих реальные, но всегда это испытания реальной системы. На проектных фазах мы также могли бы воспользоваться испытаниями. Однако в этом случае вопрос состоит в том, что мы можем испытывать и оценивать и с какой целью. Этот вопрос приобретает всё большее значение, так как при увеличении «масштаба» и «сложности» систем оценочные испытания построенной системы вообще немыслимы и модификация проекта системы должна быть перенесена на собственно проектные фазы.

Рассмотрим особенности оценочных испытаний на собственно проектных фазах проектирования.

5. Объективные факторы, обусловливающие необходимость модификации

Система строится в соответствии с проектом морфологической структуры. Элементами такой структуры являются детали системы, принадлежащие к различным уровням детализации. Связи морфологической структуры носят формальный характер и фиксируют запланированные процедуры монтажа системы.

Процессы работы и обслуживания системы описываются в проекте её процессуальной структуры.

Эти структуры соответствуют сферам производства и потребления, а их соотнесение является функцией проектирования. Дело в том, что между тем, что делает система, и её строением нет необходимых зависимостей. Эти зависимости, да и то на уровне типов, устанавливаются посредством ещё двух описаний системы: 1) описания её функциональной структуры (структуры, ориентированной на процессы функционирования) и 2) описания материальной структуры (структуры, ориентированной на морфологию системы). Элементы последней структуры по материалу совпадают с морфологическими элементами, а связи соответствуют их взаимодействиям в процессе работы системы. По отношению к функциональной структуре материальная структура выступает как организованность естественных образований в соответствии с целями деятельности. Смысл этой организованности состоит в обеспечении относительной автономности материальной структуры системы как фрагмента материального универсума, в котором «все со всем связано».

Тот факт, что соответствие между этими структурами проектируемой системы существует лишь на уровне типов, обусловил необходимость дополнительных работ как в проектировании, так и в сфере реализации проектов (управляемой проектированием связки «производство — потребление»).

Новые фазы жизненного цикла систем, появившиеся в сфере реализации, — это отладка системы и её компонентов и «функциональное обучение» системы. Смысл отладки состоит в дополнительном организовывании материала системы, обеспечивающем соответствие реальных процессов, протекающих в материальной структуре, функциям компонентов системы. «Функциональное обучение» системы состоит в отработке согласованной работы компонентов в реальных условиях эксплуатации; смысл этой фазы — обеспечение соответствия функциональной структуры задачам системы.

В проектировании этим дополнительным работам соответствуют модификации на всех собственно проектных фазах проектирования. Целью модификаций является обеспечение соответствия между указанными типами структур системы. Это специфическая цель для собственно проектных фаз разработки, ибо на собственно модификационных фазах такое соответствие реально существует в готовой системе. Для больших систем, как уже говорилось выше, задачи собственно модификационных фаз решаются за счёт модификации на проектных фазах разработки. Кроме того, их решение дополнительно обеспечивается за счёт «отладки» и «функционального обучения» системы на фазах реализации.

Теперь, когда цели модификации на собственно проектных фазах разработки системы определены, мы можем вернуться к вопросу о том, что может служить эквивалентом опыта эксплуатации системы на этих. фазах. Впрочем, сам опыт, как мы уже видели на примере эксплуатационных испытаний, может быть заменён испытаниями, — осуществляемыми по определённой программе. Вопрос таким образом сводится к выяснению того, что будет испытываться.

6. Макет — эмпирическая модель объекта проектирования. Специфика инженерного эксперимента

Напомним, что целью модификационной оценки является установление соответствия между фактическими зависимостями различного рода характеристик системы, описанной в проекте, и зависимостями, которые неявно определены техническим заданием. Но реальной системы, реализующей подобные фактические зависимости, у нас нет, и мы должны её чем-нибудь заменить. Иными словами, нам необходимо иметь имитационную модель объекта проектирования.

Требование установить фактические зависимости характеристик объекта может быть удовлетворено лишь за счёт эмпирического исследования. Другими словами, интересующая нас модель должна быть эмпирической моделью.

Задача установления или проверки фактических зависимостей характеристик объекта на эмпирических моделях успешно решается наукой с самого начала возникновения последней. Способом решения этой задачи является эксперимент, а эмпирической моделью — та, которая задаётся экспериментальной ситуацией. Смысл эксперимента состоит в искусственной организации ситуации эмпирического исследования. Именно в этом заключается отличие эксперимента от наблюдения и других видов эмпирического исследования.

Можно предположить, что эксперимент будет эффективным средством и в рамках проектной модификации. Однако при переносе методов из одной области деятельности в другую следует учитывать их специфику и различие.

Научный эксперимент, как и научное исследование вообще, имеет дело с идеальными объектами, абстрагированными от реальной эмпирической ситуации. Объектом инженерного исследования, напротив, является конкретный, единичный объект, находящийся в конкретно заданной ситуации.

Смысл организации или создания экспериментальной ситуации в научном исследовании (как и задания эмпирической модели идеального объекта) состоит в максимальном обеспечении «идеальных» условий, при которых влияние всех побочных факторов реальной ситуации либо нейтрализуется, либо контролируется и учитывается. По-видимому, смысл организации экспериментальной ситуации в инженерном исследовании должен быть прямо противоположным: ситуация должна имитировать конкретные объекты и (или) ситуацию в соответствии с эмпирическим описанием ситуации и теоретическим или проектным (построенным на основе теории) описанием объекта. Такую имитацию или имитирующую модель объекта в инженерном исследовании назовём макетом.

В инженерном эксперименте, как и в научном, в качестве необходимого средства организации экспериментальной ситуации используется теория (или теории) объекта проектирования. Для систематического макетирования, кроме того, требуется специфическая теория — теория подобия.

Следует отметить, что макет не обязательно должен воспроизводить объект во всех его конкретных характеристиках. Достаточно, чтобы воспроизводились отношения между характеристиками определённых категориальных типов.

Подготовка и проведение эксперимента на макетах может представлять собой очень сложную работу. На каждой фазе проектирования макет может проходить все фазы жизненного цикла, которые проходит проектируемая система:

• планирование эксперимента;
• разработка (проектирование) макета;
• построение макета, его отладка;
• проведение эксперимента;
• обработка результатов.

Казалось бы, мы попадём в порочный круг: модификация проекта — необходимый этап проектирования, для модификации необходимо проводить инженерный оценочный эксперимент, для этого в свою очередь следует проектировать макет системы; модификация является необходимым этапом проектирования макета, для этого необходимо проектировать макет макета системы и так далее.

Макетирование имеет смысл только в том случае, если оно организовано так, что нет необходимости в модификациях проекта макета системы. Более того, при наличии теории подобия и стандартной макетной аппаратуры проектирование макета будет носить формальный характер, а в рамках систем определённого вида потребует лишь перенастройки в соответствии с проектом данной конкретной системы. Онтологической основой, делающей возможным решение всех этих задач, служит единое назначение этих «объектов проектирования» — быть макетами при инженерном эксперименте.