скачать книгу бесплатно
Пример 13.9. Телефон
К вещественным связям относятся, например, различные механические соединения частей телефона, АТС и на линиях передачи.
К энергетическим связям относятся, например, провода и кабели.
К информационным связям могут быть отнесены, например, провода, по которым осуществляется передача голоса и управление, все виды беспроводной связи и т. д.
Внутренние связи – все виды связей внутри телефона: механические крепления, провода и т. д.
Внешние связи – провода, соединяющие телефон и розетку, розетку и распределительный щит, кабели, связывающие распределительный щит и АТС, беспроводная связь и т. д.
Пример 13.10. Автомобиль
К вещественным связям относятся, например, различные виды механических соединений, креплений, трансмиссии и т. д.
К энергетическим связям могут быть отнесены, например, электрические провода и кабели, топливные трубопроводы и т. д.
К информационным связям могут быть отнесены, например, провода, по которым осуществляется передача информации, контроль и управление, все виды беспроводной связи и т. д.
Внутренние связи – все механические крепления и передачи, электрические провода и т. д.
Внешние связи – связь колеса с дорогой, воздействие окружающей среды на автомобиль, воздействие автомобиля на окружающие системы и внешнюю среду и т. д.
Система управления
Система управления обеспечивает функции контроля и управления объектом.
Система управления
Пример 13.11. Телефон
Современный телефон имеет достаточно сложную систему управления, состоящую из клавишей ввода информации, процессора, памяти и т. п. Имеется отдельная система управления встроенными камерами.
Пример 13.12. Автомобиль
В систему управления автомобилем входят помимо рулевого управления и педалей бортовой компьютер, осуществляющий управление всеми элементами автомобиля.
К основным частям системы можно отнести и корпус. Он не являетсяминимально необходимым. Отдельные системы могут обходиться и без него, но большинство систем имеют корпус.
Приведем пример системы без корпуса.
Пример 13.13. Лампочка
При разработке необитаемой космической станции возникла проблема размещения лампы – недостаточно места для ее размещения.
Затем вспомнили, что лампа будет работать в космосе. Следовательно, колба лампы не нужна, и лампа без корпуса свободно размещалась.
13.3.3. Закон избыточности
Необходимым условием принципиальной работоспособности
системы является наличие избыточности системы.
Избыточность —этозакономерность, по которой приблизительно 20% функций, элементов и связей системы выполняют около 80% работы.
При создании работоспособной системы нужно учитывать, что для выполнения какой-либо работы, кроме основных элементов и связей (выполняющих главную функцию), необходимо еще приблизительно 80% вспомогательных, причем они, как правило, выполняют только 20% основной работы. Учитывая это, следует предусмотреть лишний расход вещества, энергии и информации (приблизительно 20% на обеспечение главной функции и 80% основных и вспомогательных).
В общем виде закономерность избыточности формулируется как «20% усилий дают 80% результата, а остальные 80% усилий – лишь 20% результата»[5 - Закон Парето – материал из Википедии.].
Эта закономерность была открыт итальянским экономистом и социологом Вильфредо Парето (Vilfredo Federico Damaso Pareto) в 1897 году. Она получила название «Закон Парето» или «Принцип Парето».
Избыточность может быть:
– функциональной;
– структурной.
Функциональная избыточность определяется тем, что для обеспечения работоспособности системы, помимо главной функции, необходимо выполнять еще основные, вспомогательные и дополнительные функции.
Функциональная избыточность
Главная функция
Пример 13.14. Телефон
Главная функция телефона – передавать звук, в частности голос. Необходимо подобрать вспомогательные функции, обеспечивающие передачу звука, – это принятиеи передача звука.Эти функции выполняются микрофоном и наушником.
Пример 13.15. Автомобиль
Главная функция транспортных систем – перемещение объекта на определенное расстояние. Эту функцию выполняет рабочий орган. В зависимости от среды перемещения меняется его структура. У автомобиля – это колесо.
Основные функции
Пример 13.16. Телефон
Помимо главной функции (передача звука) телефон для обеспечения работоспособности выполняет основные функции, обеспечивающие передачу звука: например, набор номера (наборное поле), обеспечение энергией (источник энергии) и т. д. Кроме того, у современного телефона (смартфона) много других, дополнительных функций и телефон имеет функций больше чем компьютер.
Пример 13.17. Автомобиль
Помимо главной функции (перемещение объекта) автомобиль для обеспечения работоспособности выполняет основные функции, обеспечивающие энергию и информацию, например, преобразование энергии (двигатель), хранение энергии (топливный бак), передача энергии (трансмиссия), изменение скорости (коробка передач), управление (рулевое управление, педали) и т. д.
Структурная избыточность определяется необходимостью введения дополнительных элементов и связей, кроме рабочего органа, для обеспечения работоспособности системы; наличием, как минимум, источника и преобразователя энергии, системы управления и связи (в частности,трансмиссии).
Структурная избыточность
Пример 13.18. Телефон
Помимо рабочего органа (микрофона и наушника) телефон для обеспечения работоспособности имеет другие элементы, например, наборное поле, источник энергии и т. д.
Пример 13.19. Автомобиль
Помимо рабочего органа (колеса) автомобиль для обеспечения работоспособности имеет другие элементы, например, двигатель, топливный бак, трансмиссию, коробку передач, рулевое управление и т. д.
Пример 13.20. Компьютер IBM
Одной из самых первых корпораций, взявших на вооружение принцип 80/20 и наиболее успешно использовавших его, была IBM. Вот почему большинство специалистов по компьютерным системам, получивших профессиональную подготовку в 1960-х и 1970-х гг, хорошо знают эту теорию. В 1963 году в IBM обнаружили, что примерно 80% компьютерного времени тратится на обработку 20% команд программы. Компания немедленно переделала системное программное обеспечение так, чтобы наиболее используемые 20% были наиболее доступны и удобны для пользователя, что сделало компьютеры IBM в большинстве приложений более эффективными и быстрыми в большинстве приложений, чем машины конкурирующих компаний.
Разработчики персональных компьютеров и программного обеспечения нового поколения, например, Apple, Lotus, Microsoft, применяли принцип 80/20 с еще большей изощренностью и сделали свои машины более дешевыми и простыми в работе. Этим они завоевали новые массы покупателей, которые раньше бежали бы от компьютера как от огня.
Такое же соотношение характерно для выполнения любого вида работы. Основная часть работы (80—90% готовности) выполняется за 20% времени, а доведение ее до конца требует еще 80% времени.
В связи с этим часто работу не доводят до конца.
Пример 13.21. Разработка компьютерных программ
Многие программные компании выпускают на рынок не полностью отработанные программы, и пользователи сообщают компании об имеющихся ошибках.
Компания Microsoft пошла еще дальше: в программе Windows XP и более продвинутых программах при появлении ошибки, специальная программа «Error Reporting» (рис. 13.4) сама сообщает компании о виде ошибки.
Возникла новая задача. Нужно отработать все ошибки. Это очень большая работа.
Специалисты компании поступили в соответствии с законом Парето. Они отбирали 20% ошибок, которые встречаются в 80% случаях, и обрабатывали только 20% ошибок, которые устраняли 80% проблем.
Рис. 13.4. Программа Error Reporting
Избыточность особо велика, когда к системе предъявляются повышенные требования.
Это наиболее характерно для систем безопасности и спасательных средств, медицинского оборудования, военной техники, сложных научных исследований, спортивного оборудования, предметов роскоши, массовых праздников и т. п. Все они, как правило, имеют средства дублирования, значительные запасы (мощности, энергии, провиантов, медицинских препаратов, боеприпасов и т. п.) или «излишества», роскошь.
Дублирование может быть в виде второго, точно такого же, комплекта систем или подобных систем – структурное дублирование. Часто в качестве дублирования используется альтернативную систему, выполняющую точно такую же или более общую функцию. Это вид функционального дублирования.
Пример 13.22. Автоматический выключатель
В электрических сетях имеется автоматические выключатели (рис. 13.5) на отдельные сети, например, на отдельные розетки или осветительные приборы. Отдельные автоматические переключатели имеются на сильные и слабые токи. Имеется отдельный автоматический переключатель на отдельные комнаты, на всю квартиру, на весь дом и т. д. Отдельные выключатели имеются на пробой по фазе или на короткое замыкание.
Рис. 13.5. Автоматический выключатель
Пример 13.23. Подводная лодка
В качестве примера избыточности рассмотрим подводную лодку, которая предназначена для уничтожения объекта противника, например, используя ракеты. Часть ракеты, которая осуществляет разрушение – боеголовка, а еще более точно не вся боеголовка, а взрывчатое вещество (ВВ) – это рабочий орган. Таким образом, для уничтожения объекта противника нужно только ВВ – все остальное избыточно. В табл. 13.1 показаны значения стоимостей и веса подводной лодки, ракеты, боеголовки и их соотношения, на примере атомной подводной лодки класса «Вирджиниа» SSN-774[6 - Virginia class submarine URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Virginia_class_submarine (https://ridero.ru/link/7FtwTrQTRb2tHY).] (рис. 13.6), вооруженной крылатыми ракетами BGM-109[7 - BGM-109 Tomahawk URL: http://en.wikipedia.org/wiki/BGM-109_Tomahawk (https://ridero.ru/link/Jxkaz0uGcI-mNZ).] (рис. 13.7). Стоимость боевой головки ракеты составляет 0,0004%, а вес боеголовки составляет 0,006%. Соотношение с ВВ будет еще меньшим!!
Таблица 13.1. Атомная подводная лодка класса Вирджиниа (SSN-774 class)
Рис. 13.6. Атомная подводная лодка SSN-774
Рис. 13.7. Крылатая ракета Tomahawk BGM-109
13.4. Закон проводимости потоков
13.4.1. Общее представление
Необходимым условием принципиальной работоспособности системы является проход потоков вещества, энергии и информации к требуемому элементу системы.
Вещество, энергия и информация должны проходить от источника потока до требуемого элемента, совершая необходимые преобразования и выполняя соответствующие полезные функции.
Создание правильных потоков обеспечивает необходимую функциональность и работоспособность системы. Отсутствие хотя бы одного жизненно-важного потока делает систему не работоспособной.
13.4.2. Потоки
Поток может быть:
– вещества;
– энергии;
– информации.
Поток вещества обеспечивает транспортировку вещества в различных агрегатных состояниях (например, в твердом, гелеобразном, жидком и газообразном) или объектов. Транспортировкавеществ может осуществляться, например, по трубопроводам, с помощью конвейерной (транспортерной) ленты и т. п., а объектов с помощью транспортных средств, например, по железной дороге, с помощью автотранспорта, судов, самолетов, эскалаторов, транспортеров и т. д.
Энергетический потокдоставляет энергию от источника к требуемому элементу. Поток может, например, доставлять механическую, электрическую, оптическую, химическую, другие виды энергии, различные излучения и т. д.
Информационный поток обеспечивает проход информации от источника к требуемым элементам, например, от системы управления к органам управления и от них к системе управления. Информационный поток может осуществляться с помощью, например, проводов, по которым осуществляется передача информации, контроль и управление и всех видов беспроводной связи и т. д. Они могут распространяться различными путями: через печатные материалы, Интернет, радио и телевидение и т. д. Носителями информации является вещество и/или поле (энергия).
Потоки
Пример 13.24. Телефон
Энергетический поток – это доставка электрической энергии от источника к рабочим органам (наушнику и микрофону) и системе управления.
Информационный поток – это доставка сигналов к рабочим органам, системе управления и обратно.
Пример 13.25. Автомобиль
Вещественный поток, например, передача топлива от бензобака к двигателю.
Энергетический поток – это доставка механической энергии от двигателя к рабочему органу – колесам; доставка топлива от бензобака к двигателю; доставка электрической энергии от аккумулятора или генератора к электрической системе автомобиля.
Информационный поток – это доставка сигналов от необходимых элементов к системе управления и обратно и т. д., и т. п.
Вещественный поток
Пример 13.26.Вещество в твердом состоянии
Пневматическая подача сыпучих веществ, например, песка на расстояние по трубопроводам, пескоструйка, доставка шариков и т. п.
В производстве бетона в бетономешалку подаются потоки веществ в твердом состоянии (цемента, песка, гравия) и в жидком состоянии (воды).
Пример 13.27.Вещество в жидком состоянии
