Проектирование систем 1 страница

Общие понятия о проектировании. Если мы говорим о проектировании как о компоненте практической деятельности, то у Читателя, естественно, возникает вопрос – а что именно подлежит проектированию, что проектируется в этом случае? На этот вопрос есть ответ – речь идет о проектировании систем.

Действительно, самое общее определение системы, которое дает Энциклопедический словарь [227]:

– «система – множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенную целостность, единство».

Не противоречит этому определению более конкретное для нашего случая определение системы в системном анализе [192]:

– «система – средство достижения цели; основные особенности систем: целостность, относительная обособленность от окружающей среды, наличие связей со средой, наличие частей и связей между ними (структурированность), подчиненность всей организации системы некоторой цели».

С этих позиций под системой можно понимать и такие сложные объекты, как все народное хозяйство страны, или хозяйство какого-либо региона, или любое предприятие, организация, учреждение, так как они состоят из множества связанных между собой элементов, упорядоченных по отношениям и характеризующихся единством общих целей функционирования.

Таким образом, мы имеем дело с иерархией систем. Так, на любом предприятии можно выделить технологическую компоненту, которая, в свою очередь, сама является системой – технологической системой; финансовую компоненту – финансовую систему; кадровую систему и т.д.

Системой можно считать и очередной урок учителя в школе, и хирургическую операцию в больнице и т.д. Таким образом, образуется сложная иерархия систем: для каждой системы существует более общая система – надсистема; в то же время каждая система состоит из целой совокупности систем более низкого уровня – подсистем.

Главным, системообразующим элементом любой проектируемой[48] системы является ее цель. Как и сами системы, цели также образуют сложную иерархию.

Объектом проектирования является та или иная система, в каждом конкретном случае своя.

Понятия – проектирование, конструирование, моделирование, технология и т.д. – первоначально сформировались в сфере техники и индустрии. Впоследствии они были распространены в связи с развитием кибернетики на ряд других сфер – теорию управления, системный анализ и т.д. А потом они распространились повсеместно.

Проектирование обычно рассматривается в последовательных стадиях, этапах его проведения. Разными авторами их состав и структура строятся по-разному (см. Табл. 9). Мы используем эти и другие публикации (например, [39, 192]), но при этом выстраиваем структуру стадий и этапов фазы проектирования, подчиняя ее общей логике организации процесса продуктивной практической деятельности. Эта структура выстраивается как бы в двойной логике одновременно: как последовательность действий проектирования, с одной стороны; и по уровням абстракции и конкретизации (сверху вниз) – с другой стороны.

Табл. 9

Последовательность системного анализа решения проблемы

Итак, фаза проектирования включает следующие стадии – см. также Табл. 10 (в сравнении с Табл. 5) и Табл. 15 – Табл. 17:

1. Концептуальная. Состоит из этапов: выявление противоречия; формулирование проблемы; определение проблематики; определение цели; выбор критериев.

2. Моделирования. Состоит из этапов: построение моделей; оптимизация; выбор (принятие решения).

3. Конструирования системы. Состоит из этапов: декомпозиция; агрегирование; исследование условий; построение программы.

4. Технологической подготовки.

Табл. 10

Фазы, стадии и этапы проекта

Рассмотрим теперь содержание действий по стадиям и этапам.

КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ СТАДИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. Проектирование на концептуальной стадии начинается с этапа выявления противоречия: что мешает в практической деятельности отдельного специалиста, или предприятия, организации, или еще более крупной экономической, социальной, культурной системе и т.д. достичь высоких результатов? Или, по крайней мере, удовлетворительных результатов? Детальный анализ наличной ситуации позволяет, как правило, выявить целый клубок, комплекс противоречий. Среди них надо выделить основное, главное звено. Оно и составляет проблемную ситуацию, то есть такую ситуацию, когда неудовлетворительное состояние дел уже осознано, но пока неясно, что следует сделать для его изменения (этап формулирования проблемы).

Приведем такой пример из области закупок авиалайнеров. Не только зарубежные, но и отечественные авиакомпании предпочитают покупать не наши отечественные самолеты, в частности, ТУ-154, а иностранные, в частности, аналог ТУ – Боинг 737 (проблема для нашей авиационной промышленности). Наши самолеты, как минимум, в 2 раза дешевле, по надежности, комфорту, не уступают Боингу. Аэродинамические качества значительно лучше – в воздухе наши самолеты редко «болтает», в отличие от зарубежных, при полете на которых то и дело раздается команда: «самолет попал в зону турбулентности, просим пристегнуть ремни». Были неэкономичные двигатели – их заменили на зарубежные – экономичные. Поставили импортную авионику. А самолеты все равно не покупают. Проблемная ситуация заключается, как выяснилось, в том, что среднесуточный налет ТУ – 5 часов (остальное время – регламентные и ремонтные работы). Среднесуточный налет Боинга – 15 часов. Таким образом, гораздо более дорогой самолет за счет большего налета окупается быстрее – вот это и составляет проблемную ситуацию.

Этап определения проблематики. Любой специалист – практический работник или коллектив в социальных системах, экономических и других, совершая какие-либо новые более или менее крупные шаги, неизбежно затрагивает интересы других людей и организаций.

Поэтому, в соответствии с принципом коммуникативности (см. выше) выделяется следующий этап: определения проблематики. Проблематика в системном анализе (см., например, [192]) определяется как сплетение, комплекс проблем, которые неразрывно связаны с проблемой, подлежащей разрешению. В методологии практической деятельности необходимость рассмотрения проблематики вытекает из того, что система практической деятельности включает в себя множество подсистем и входит в другие, более общие и сложные системы – надсистемы, а решение поставленной проблемы требует учета последствий для всех из них.

Для определения проблематики необходимо охватить весь круг участников – физических лиц и организаций:

1. Участников, принимающих решения, то есть тех, от полномочий которых непосредственно зависит решение проблемы (руководителей учреждения, фирмы и т.д., работников ведомственных или региональных органов управления и т.д.).

2. Активных участников, чьи действия (содействия) потребуются при решении проблемы.

3. Пассивных по отношению к решаемой проблеме участников, на ком скажутся (положительным или отрицательным образом) последствия решения проблемы.

4. Участников с возможным негативным отношением к решению проблемы, которые могут предпринять враждебные действия.

Каждый из участников может иметь свое видение проблемы, иметь свое отношение к ней, так как ее существование или исчезновение может привести к появлению у них их собственных проблем. Построение проблематики и состоит в определении (в т.ч. в описании) того, какие изменения и почему хочет (или не хочет) внести каждый из участников. Диалектический метод предписывает рассматривать проблему всесторонне, в том числе и во времени (историческом) и в пространственном плане. Проблематика, по сути дела, – это ответ на вопрос: какие существующие обстоятельства и прошлый опыт – как положительный, так и отрицательный – заставляют именно этих участников, именно в данной культурной среде, включающей именно данные ценности, именно в данный момент воспринимать данное состояние дел как проблему?

Приведем такой пример. Содержание школьного общего среднего образования в течение уже многих десятилетий периодически перестраивается и обновляется – ведь построение содержания образования вполне резонно можно рассматривать как педагогический проект. Так вот, традиционно из раза в раз определение содержания школьного образования поручается работникам самой системы образования и ученым. А в решении проблемы содержания общего среднего образования заинтересовано все общество, все без исключения социальные, экономические и культурные структуры. И в решении этой проблемы должен участвовать очень широкий круг участников, из самых разных областей деятельности. Чего не происходит. Как известно, вопросы войны и мира нельзя позволять решать военным. Точно так же определять содержание школьного образования нежелательно поручать ученым и работникам сферы образования – они неизбежно будут отстаивать свои научные и корпоративные, а не всеобщие интересы.

Другой пример. У нас много говорят и пишут о фермерстве в сельском хозяйстве, как о мощном рычаге его развития (проблема). Но фермерство, являясь образцом высочайшей продуктивности сельского хозяйства в США, Голландии, Австралии и других странах, в России в массовых масштабах, очевидно, не привьется. Так же, как не привилось оно в начале XX века, когда его пытался внедрить П.А. Столыпин. И дело здесь в национальных различиях менталитета. Фермер работает в одиночку. И это как нельзя лучше подходит к менталитету западноевропейского индивидуализма. Для российского общинного менталитета это не подходит. Так, столыпинскиефермерские хозяйства поджигали сами крестьяне – «живи, как все, не высовывайся» (проблематика).

Поэтому, например, организация колхозов в конце 20-х – начале 30-х годов XX в. не вызывала массового недовольства населения России – колхозы были близки традиционному общинному укладу российской деревни. Поэтому они и не распадаются в большинстве своем и сегодня при переходе к рыночной экономике – в отличие от совхозов, которые всегда «висели на шее» у государства.

Таким образом, как видим, этап определения проблематики при проектировании систем отнюдь не прост, а иногда делает невозможным решение проблемы в желательном аспекте.

Этап определения цели. Следующий этап концептуальной стадии проектирования – на основе сформулированной проблемы и установленной проблематики определяется цель проектирования системы. На данном важнейшем этапе определяется, что надо сделать для снятия проблемы – все последующие стадии и этапы проектирования будут определять – как это сделать.

Основная трудность определения цели заключается в том, что, как уже говорилось выше, цель является как бы антиподом проблемы. Та или иная система создается для решения проблемы.

При формулировании проблемы определяется, что является неудовлетворительным. Это относительно просто – ведь то, что нам не нравится, существует. Когда же мы переходим к цели, то пытаемся определить, что же нам хочется. При этом как бы указывается направление, в котором следует «уходить» от существующего и нас не устраивающего положения дел. Но таких возможных направлений много. А выбрать надо одно – правильное, рациональное. Точнее говоря – как правило, одно – из-за ограниченности ресурсов (временных, материальных, интеллектуальных и т.д.) «гнаться за двумя зайцами», чаще всего, не удается.

Определение целей – чрезвычайно сложный и тонкий процесс. Это сочетание логики и интуиции. Д. Джонс, известный специалист по проектированию, отмечает, что в этом случае «пути... сочетания интуитивного с рациональным не установлены; пожалуй, их и невозможно установить в общем виде, в отрыве от конкретной проблемы и конкретного человека, так как они зависят от того, какое количество объективной информации имеется в распоряжении проектировщика, а также от его квалификации и опыта» [62]. И, добавим еще, от его личных склонностей и вкусов.

Ошибки в определении целей создания систем чрезвычайно часты повсеместно. Наиболее часто встречаются три их варианта:

1. Когда цель ставится как самоцель, в отсутствии проблемы или при неопределенной, не сформулированной проблеме. Ярким примером цели как самоцели является история развития экономики бывшего СССР. В конце 20-х годов прошлого века была поставлена общегосударственная цель: «догнать и перегнать ведущие капиталистические страны по выпуску основных видов промышленной и сельскохозяйственной продукции». И на выполнение этой цели была нацелена вся экономика страны вплоть до конца существования СССР. Не на реализацию, не на потребление, а именно на выпуск.

И эта «цель» – самоцель была достигнута. Страна добывала нефти и газа больше всех в мире – но «лишний» бензин водители сливали в канавы. Выплавлялось больше всех стали – а в магазинах не было бритвенных лезвий. Выпускалось металлорежущих станков и зерноуборочных комбайнов в 15 раз больше, чем в США, тракторов в 6 раз больше, чем в США – в результате на заводах и в колхозах скопились гигантские свалки металлолома – а населению купить легковой автомобиль было практически невозможно. Картофеля выращивалось больше, чем в США, Англии и Германии вместе взятых, поголовье скота было в 3 раза больше, чем в США, а в магазинах не было молока и мяса. И так далее. Последствия достижения такой самоцели мы наблюдаем сейчас.

2. Подмена цели средствами. Рассмотрим в качестве примера введение системы страховой медицины, которая должна была стать средством улучшения медицинского обслуживания населения (как цели). Фактически же система страхования превратилась в цель: страховые компании наживаются, в поликлиниках и больницах стали различать «выгодные и невыгодные» (для них, а не для больных) анализы, процедуры, операции и т.п., а человек, оказавшийся по каким-либо причинам в другом городе – командированный, мигрант, отдыхающий – вообще не может получить бесплатную медицинскую помощь – его медицинский полис «из другой страховой компании».

Другой пример. Автор (А.Н.) когда-то проверял профтехучилища в городе Жданове – теперь Мариуполь, Украина. Там было построено пять самых современных по тому времени училищ – вполне достаточное количество для этого города. Но все они были построены в одном микрорайоне. А город раскинут на огромной территории со многими отдаленными друг от друга микрорайонами. Типичный случай: цель фактически должна была заключаться в обеспечении доступности профессионального образования для молодежи. В том числе, транспортной доступности. Но сформулировали цель по-другому: построить училища, что на самом деле было средством, а не целью. В результате построенные училища по большей части пустовали, молодежь из других микрорайонов «болталась» на улице, а промышленные предприятия имели острую нехватку квалифицированной рабочей силы.

3. Смешение целей. Всегда существует опасность ошибочно принять другие цели, чем на самом деле необходимо. Такая ситуация нередко возникает, в частности, когда специалисты-профессионалы, участвующие в решении проблем, навязывают свое видение мира и тем самым подменяют главные цели своими [192]. «Операция прошла успешно, но пациент умер» – это не злая шутка, а действительно встречающееся среди хирургов высказывание. Многие примеры смешения целей хорошо известны – это трагедии Арала, Кара-Богаз-Гола, проекта работ по переброске вод северных рек на юг и т.д. Широкое распространение явления смешения целей стало даже поводом для большой серии анекдотов о неосмотрительно сформулированном техническом задании. А. Эйнштейнкак-то на вопрос о том, что, по его мнению, станет главной проблемой в конце XX века, ответил: «Совершенство средств и смешение целей». Очевидно, так оно и вышло.

Так, в конце 80-х гг. прошлого века встала проблема создания отечественного персонального компьютера, причем, правительство на это выделяло огромные ассигнования. Вместо того, чтобы создать одну модель, совместимую с общемировой версией IBM, три союзных министерства: Минэлектронпром, Минприбор и Минрадиопром, отстаивая в конкурентной борьбе за государственные ассигнования свои ведомственные интересы, а в составе этих министерств различные заводы, отстаивая свои заводские интересы, стали выпускать целый «зоопарк» разномастных компьютеров: «Агаты», «Микроши», «Искры», «Корветы», УКНЦ и т.д. и т.п., для которых почти не было программного обеспечения. В результате информатизация страны была задержана минимум на десятилетие, а отечественная электронная промышленность до сих пор не может оправиться от провала.

Таким образом, необходимо очень внимательно подходить к определению целей. Так как правильно заданная цель – это половина успеха в решении проблемы.

Если цели, как правило, задаются на качественном уровне, то в некотором смысле замещением их на количественном уровне являются критерии. Поэтому следующим этапом на концептуальной стадии проектирования является выбор критериев.

Этап выбора критериев. Как в научно-исследовательской работе, так и в практической деятельности, одним из наиболее острых и сложных вопросов является выбор критериев.

Содержание вопроса перехода от целей к критериям становится ясным, если рассматривать критерии как количественные модели качественных целей. Действительно, сформированные критерии в дальнейшем как бы в некотором смысле замещают цели. От критериев требуется возможно большее соответствие целям, сходство с ними. Но в тоже время критерии не могут полностью совпадать с целями, поскольку они фиксируются по-разному. Цели просто называются. А критерии должны быть выражены в тех или иных шкалах измерения (кроме, естественно, шкалы наименований – см. выше главу 2).

Критерии эффективности – важнейшая проблема вообще в любой деятельности. Из-за ошибочного выбора критериев неоднократно происходили крушения целых социальных институтов и экономических систем. Часто приводится такой классический пример неправильного выбора критерия и вызванных этим последствий: в двадцатые годы нашего столетия пожарным, чтобы они «меньше спали», была установлена заработная плата, пропорциональная числу потушенных за месяц пожаров. В итоге дело кончилось тем, что пожарные сами стали устраивать поджоги!

Другой классический пример ошибки в выборе критерия. Во время Второй мировой войны в Англии, подвергшейся массированным налетам фашистской авиации, остро не хватало зенитных орудий. Но поскольку Англия – островная страна, у нее был огромный торговый флот, а каждое судно было снабжено двумя зенитками. Когда выяснилось, что судовые зенитки не сбили ни одного вражеского самолета, генералы тут же приказали поснимать их с судов торгового флота и передать их на сушу. Но количество потопленных бомбами судов тут же возросло в 6 раз! Оказалось, что задача зенитных орудий на судах была не в том, чтобы сбивать самолеты, а в том, чтобы отпугивать их и не давать бомбить суда прицельно.

Критерии, по сути дела, отображают системы ценностей. Но системы ценностей, как правило, бывают различными: философскими, психологическими, моральными, политическими, экономическими, эстетическими и т.д., которых в каждой конкретной ситуации человек или организация придерживаются одновременно – в полном или частичном наборе. Эти системы ценностей несводимы друг к другу, и чаще всего несравнимы между собой. Отсюда вытекает многокритериальность большинства практических задач, и, таким образом, при решении практических проблем построение критериев является скорее искусством, чем наукой.

Многокритериальность реальных задач связана с тем, что одну цель, как правило, не удается выразить одним критерием. Возможны, конечно, случаи, когда единственный критерий отвечает требованиям практики. Так, надежность авиаперевозок однозначно определяется статистикой аварий и катастроф. Или, например, по стандартам ООН уровень жизни в разных странах сравнивается по годичному среднедушевому доходу, пересчитанному на доллары США; уровень медицинского обслуживания – по статистике детской смертности; уровень образования в стране – так называемый коэффициент интеллектуализации населения – по среднему числу лет, проведенному каждым жителем страны в учебных заведениях. Но, естественно, эти критерии несколько условны.

В целом, случаи, когда единственный критерий удачно отображает цель, весьма редки. Так, заработанная плата школьного учителя установлена в прямо пропорциональной зависимости от количества проведенных уроков. Но количество проведенных уроков никак не характеризует качество обучения и воспитания учащихся! Объем расходов на одного ученика не оценивает качества обучения в школе; число студентов на одного преподавателя совсем не однозначно связано с качеством подготовки специалистов в ВУЗе и т.д.

Решение может состоять или в поиске более адекватного критерия, если он существует, или в использовании нескольких критериев, описывающих одну цель по-разному и дополняющих друг друга. В [192] приводится интересный опыт формирования критериев для достаточно ясной цели: улучшить уборку мусора в большом городе. В результате анализа были отвергнуты как неадекватные следующие, на первый взгляд, подходящие критерии: расходы по уборке мусора в расчете на одну квартиру, число тонн убираемого мусора в расчете на один рабочий человеко-час, общий вес вывозимого мусора – эти критерии ничего не говорят о качестве работы. Более удачными были признаны такие критерии, как процент жилых кварталов без заболеваний, снижение числа пожаров из-за возгорания мусора, уменьшение числа укусов людей крысами, количество обоснованных жалоб жителей на скопление мусора. Но, очевидно, что и эти критерии отражают лишь отдельные стороны качества уборки мусора в городе.

Зачастую критерии бывает целесообразно разнести по трем составляющим:

- цель проектируемой системы;

- средства и способы ее реализации;

- отношения системы со средой.

Причем, нередко критерии могут входить в противоположные отношения. Так, при проектировании автомобиля одной из целей является повышение его комфортабельности, но это ведет к увеличению его стоимости. Повышение комфорта требует увеличения габаритов автомобиля, но тогда возникают сложности с его парковкой, что будет относиться к «отношениям со средой».

Часто многие актуальные проблемы не могут быть решены из-за отсутствия более или менее четких и достоверных критериев. Примером является сегодняшняя система приема абитуриента в ВУЗы, которая никого не удовлетворяет. Всем понятно, что оценки за вступительные экзамены по предметам никак не характеризуют потенциальные возможности будущего специалиста – сможет ли он стать хорошим учителем, врачом, инженером, финансистом и т.д. Ведь школьные знания не характеризуют ни способностей абитуриента, ни его интересов и склонностей. Но других-то достоверных критериев, чтобы можно было точно сказать – этот юноша в будущем будет талантливым хирургом, а эта девушка – будущий министр финансов – просто нет. Поэтому описанная проблема на сегодня нерешаема.

Наиболее распространенными при анализе, в частности, экономических и технических систем являются следующие критерии: финансовые (прибыль, стоимость и т.д.), объемные показатели (измеряющие количество продукта), технические качества: эффективность функционирования, надежность и т.д., живучесть, совместимость с уже существующими системами, приспособляемость, гибкость, стойкость против морального старения, безопасность и т.д. Такие критерии, безусловно, полезны. Но их следует рассматривать скорее как основу для конкретного поиска в каждом конкретном случае.

Отметим, что термин «оценка» используется в двух значениях – как результат «измерения», и как процесс. Процесс оценки, вкратце, заключается в следующем. Состояние системы описывается некоторыми показателями, измеряемыми в соответствующих шкалах. Эффективность функционирования системы оценивается по некоторым критериям, оценки по которым («оценка» – как результат) также измеряются в соответствующих шкалах. Процесс оценки заключается в переходе из пространства состояний системы в критериальное пространство – см. Рис. 15 (причем обычно m £ n), то есть, в установлении зависимости между значениями оценок по критериям и значениями показателей состояния системы (в частном случае критерии могут совпадать с показателями). При этом выбор критериев обычно диктуется целями оценки.

Приведем пример из физики. В модели идеального газа состояние системы (множества молекул газа, заключенного в некоторый сосуд) характеризуется такими показателями (микропараметрами) как координаты и скорости всех молекул газа. Размерность пространства состояний чрезвычайно высока (n»10 ²⁴). Процесс оценки, производимый в целях компактного описания рассматриваемой системы, заключается в переходе к агрегированному пространству критериев (макропараметров): давление, объем и температура (m = 3).

Рис. 15. Процесс оценки

Второй пример – из экономики. Состояние такой системы, как экономика некоторого региона, может описываться множеством показателей – число предприятий и организаций в той или иной отрасли народного хозяйства, финансовые и производственные результаты деятельности каждого из них и т.д. Оценка данной системы, производимая с целью определения перспективных направлений развития экономики региона, будет заключаться в переходе к набору критериев, выбор которых зависит от того, какой смысл вкладывается в «перспективность». Если речь идет об увеличении регионального валового продукта, то целесообразно использовать такой критерий, как отдача на единицу инвестируемых средств. Если под перспективностью понимать рост числа рабочих мест, то критерии будут другими; если неухудшение экологической обстановки – то третьими, и т.д.

Определением цели и критериев завершается первая, концептуальная стадия проектирования систем. Формой документа, где отражаются цели и критерии (если он необходим) является техническое задание. Название для специалистов гуманитарных сфер, прямо скажем, режет слух. Но эта форма документа распространилась повсеместно и уже достаточно широко используется во всех областях.

СТАДИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ. Следующей стадией фазы проектирования системы становится ее моделирование, заключающееся в построении, анализе и оптимизации моделей. Приведем, сначала, определения модели:

Модель – в широком смысле – любой образ, аналог (мысленный или условный: изображение, описание, схема, чертеж, график, план, карта и т.п.) какого-либо объекта, процесса или явления (оригинала данной модели) [227, Статья «Модель», 5-е значение];

Моделью можно назвать искусственно создаваемый образ конкретного предмета, устройства, процесса, явления (и, в конечном счете, любой системы) [59];