Системный анализ. Основы системного подхода к исследованию технических объектов

Увеличение сложности технических устройств и изменение масштабов человеческой деятельности, характерные для современного этапа развития промышленности, привели к качественным изменениям в подходе к решению многих практических задач. При разработке крупных энергетических, радиотехнических, информационных, вычислительных и других сложных комплексов приходиться рассматривать проблемы, относящиеся не только к особенностям функционирования отдельных устройств, но также и к свойствам всей системы в целом. Многие технологические процессы, особенно оснащенные средствами механизации трудоемких работ и автоматизации управления производственными циклами, также необходимо рассматривать как сложные системы. В теории принятия решений принят интегративный подход, исходящий из постулата, приписываемого еще Платону, согласно которому целое есть нечто большое, чем простая сумма его частей. Понятие интеграции неразрывно связано с представлением о наличии системного начала, поскольку всякая целостность построена на системе связей, наличие которых порождает возникновение новых свойств в системе, отсутствующих у ее составляющих. Эти свойства возникают в результате, во-первых, взаимодействия системы связей между частями целого; во-вторых, утраты некоторых свойств части при вхождении в состав целого; в-третьих, появления у возникшей новой целостности новых свойств, обусловленных как свойствами составных частей, так и возникновением новых связей и, в-четвертых, упорядоченности частей – детерменированности их пространственных и функциональных взаимоотношений.

Характерной особенностью сложной системы является наличие большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих компонентов.

Принцип, подчеркивающий значение комплексности, широты охвата, четкой организации и взаимосвязи в исследованиях, планировании и проектировании, получил название системный подход, т.е. такой метод исследования, при котором учитывается большое число факторов, определяющих работ у того или иного технического устройства, деятельность живого организма, ход общественного явления или производственного процесса. Системный подход предполагает, что наряду с технико-эксплуатационными параметрами функционирования производственной системы учитываются экономические, социально-политические, экологические, морально-этические и другие факторы.

Системный анализ – это совокупность научных методов и практических приемов решения сложных проблем: технических, экономических, естественных, социально-политических и т.д. Характеризуется системный анализ не использованием новых физических явлений и не специфическим математическим аппаратом, а в первую очередь упорядоченным и логически обоснованным подходом к решению проблемы. Он служит способом упорядочения и более эффективного использования знаний, опыта и даже интуиции специалистов в процессе постановки целей и принятия решений по возникающим проблемам. Системный анализ требует прослеживания как можно большого числа связей, причем не только внутренних, но и внешних, с тем, чтобы не упустить действительно существенные факторы и их связи, а также оценить их эффекты. В пределе должны быть учтены все существующие факторы, от которых зависит функционирование данного устройства или процесса и все их воздействия на сам процесс и окружающую среду, но так как никогда нет полной уверенности, что действительно учтены все определяющие факторы, остается говорить, что, по крайней мере, их должно быть много (а в идеале – действительно все).

Все факторы (как учтенные, так и неучтенные) действуют одновременно и являются взаимосвязанными, взаимозависимыми и взаимообусловленными. Поэтому изменение какого-либо одного фактора, который взят отдельно, сам по себе кажется незначительным, может служить непосредственной причиной цепи изменений других, иногда очень многих факторов. Это приведет к тому, что работа технического устройства, ход данного явления, деятельность организма и т.д., короче говоря, функционирование системы коренным образом изменится.

Существо системного анализа применительно к объектам теплоэнергетики. Современная теплоэнергетическая установка (ТЭУ) представляет собой единый технический комплекс разнородных элементов оборудования со сложной схемой технологических связей. В ней осуществляются взаимосвязанные непрерывные процессы преобразования, передачи и перераспределения различных видов энергии и теплоносителей. Всякое изменение любого параметра или характеристики элемента оборудования в той или иной степени влияет на параметры, и характеристики всего комплекса. Поэтому при проектировании ТЭУ необходимо учитывать многообразие элементов ее оборудования, параметры, характеризующие каждый элемент оборудования, возможные структурные соединения элементов оборудования в технологическую схему установки. При решении этой задачи возникают большие трудности. Вместе с тем каждая ТЭУ является элементом некоторой теплоэнергетической системы (ТЭС), в частности, ТЭС промышленного предприятия (ТЭС ПП), например, ЦБК.

ТЭС ПП любого предприятия определяется характером его производства, а также энергетическими и режимными характеристиками входящих сюда объектов. ТЭС ПП объединяет потоки всех энергоресурсов на предприятии как поступающих со стороны, так и внутренних, с целью их наиболее полного и рационального использования. При этом должны быть обеспечены бесперебойное снабжение энергоресурсами всех потребителей и защита окружающей среды.

Энергетическая эффективность и экономичность производства зависят у многих предприятий, особенно энергоемких, от совершенства ТЭС ПП. Так как при этом существуют обратные взаимодействия, оптимизацию ТЭС ПП и технологии производства надо вести совместно. Поэтому при проектировании параметров и профиля оборудования ТЭУ должны учитываться не только внутренние взаимосвязи, но и внешние связи, определенные характеристики ТЭС. Таким образом, задача исследования ТЭУ оказывается тесно связанной с задачами более высоких уровней. Задача эта многопланова и сложна. Для решения задач исследования и оптимизации ТЭС ПП целесообразно использовать методологию системного подхода к моделированию сложных схем.

Основная цель системного анализа – раскрытие реального механизма функционирования исследуемых сложных систем и обеспечение на этой основе наиболее простых подходов для получения необходимых решений при проектировании объектов и обоснования режимов их функционирования.

Сложная система характеризуется тем, что состоит из множества связанных разнообразными связями элементов и представляет собой не простое суммирование, а особое их соединение, придающее всей системе в целом новые качества, отсутствующие у каждого из них.

Как правило, любая сложная система представляет собой элемент системы более высокого порядка. Элементы исследуемой сложной системы в свою очередь могут рассматриваться как системы более низкого порядка.

Для лучшего понимания сути системного подхода введем определения используемых здесь основных понятий.

Система – множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образуют определенную целостность, единство.

Элемент – предел членения системы с точки зрения решения конкретной задачи и поставленной цели.

Из определения следует, что понятие элемента сложной системы является в достаточной степени относительным. Например, если в качестве сложной системы рассматривается теплоэнергетическая установка, то в качестве ее элементов – пакет пароперегревателя, отсек турбины и другие крупные части оборудования. Если же сложной системой является пакет пароперегревателя или отсек турбины, то их элементами будут, соответственно, отдельные трубы, коллекторы, лопатки и другие детали.

Подсистема – часть системы, способная выполнять относительно независимые функции, подцели.

Структура – отображение наиболее существенных взаимоотношений между элементами, их группами и подсистемами, определяющими основные свойства системы.

Иерархия – упорядоченность компонентов по степени важности. Структуру часто представляют в виде иерархии.

Связь – характеристика строения (статики) и функционирования (динамики) системы. Она определяется направлением, силой и характером. Связи могут быть направленными и ненаправленными, сильными и слабыми. По характеру различают связи подчинения, равноправные, управления; связи внутренние и внешние, прямые и обратные.

Состояния – множество существенных свойств, которыми обладает система в данный фиксированный момент времени.

Поведение – способность системы переходить из одного состояния в другое.

Внешняя среда – множество элементов, которые не входят в систему, но изменение их состояния вызывает изменение поведения системы.

Производственная система – организационно завершенный комплекс технических средств, зданий, сооружений, коммуникаций, для которых окончательным итогом является выпуск товарной продукции, соответствующей техническому заданию и входящей в план реализации. Производственная система включает в себя также ряд технологических подсистем, каждая из которых, соответственно, может быть выделена как система.

Базируясь на определении сложной системы, можно сделать вывод о том, что и ТЭС ПП и входящие в ее состав ТЭУ могут служить объектами системного анализа. Во-первых, каждая из названных систем является составной частью более общей системы, во-вторых, каждую из них в свою очередь можно рассматривать, как сложную совокупность взаимосвязанных систем.

Одним из основных положений системного анализа является выделение в исследуемой сложной системе уровней иерархии. Это позволяет существенно снизить размерность решаемой задачи, поскольку моделирование и решение частных задач осуществляют отдельно на каждом иерархическом уровне, но с учетом требований, предъявляемых со стороны подсистем, стоящих на более высоких уровнях иерархии.

Одной из главных задач системного анализа является формирование вариантов представления исследуемой системы. Эта работа выполняется на основе ряда типовых процедур. Рассмотрим содержание основных из них.

1. Выделение исследуемой системы из более общей системы, составной частью которой она является. На этом этапе должны быть четко определены границы исследуемой системы и определены задачи на ее моделирование.
2. Выяснение внутренней структуры исследуемой системы, состава ее элементов и видов связей между ними. Цель этого этапа – достижение возможно более отчетливого представления о внутренней структуре и свойствах объекта исследования, т.е. построение иерархии составляющих ее подсистем.
3. Агрегирование исследуемых элементов и связей системы, позволяющее построить иерархию эквивалентных им подсистем. Результатом этого этапа работы должно стать создание иерархии таких эквивалентных систем, каждая из которых охватывает наиболее тесно связанные элементы исходной системы и вместе с тем по своим размерам доступна для исследования.

4. Формулировка состава задач, решаемых применительно к каждой эквивалентной системе. Целью этого этапа является распределение по уровням иерархии всего многообразия конкретных задач, которые нужно решить в процессе исследования системы.

5. Учет влияния состава и способов взаимосвязей эквивалентных систем в рамках сконструированной иерархии в форме информационных связей, описывающих с необходимой детализацией элементы и технологические связи системы. Задача этого этапа состоит в формировании информации, т.е. в определении состава тех показателей, которые нужны для исследования каждой системы и которыми она должна обмениваться с остальными системами и внешней средой.

6. Построение комплекса моделей, который и является инструментом решения задач исследования каждой эквивалентной системы и всего объекта в целом.

Создание единой обобщенной математической модели сложной системы само по себе является процессом очень непростым. Кроме того такой подход приводит к необходимости решения задач исключительно большой размерности, требующих огромных затрат труда и времени или вообще неразрешимых. Перечисленные процедуры системного подхода позволяют преодолеть проблему размерности формируемой модели. Для этого исследуемый объект интегрируется как иерархическая система, которой соответствует еще более сложная иерархия решаемых задач. Это позволяет во много раз уменьшить размерность системы, сделать ее обозримой, а относящиеся к ней задачи – разрешимыми.

В соответствии с положениями системного анализа при составлении математических моделей теплоэнергетических установок и систем широко используется принцип декомпозиции. Поэтому математические модели сложных систем, к которым относятся ТЭУ и ТЭС промышленных предприятий, обычно имеют блочную структуру.

Структура и содержание блоков конкретной модели зависит от вида моделируемого объекта, заданных целей моделирования, выбранного критерия эффективности и ряда других характеристик.

Основу комплексной модели составляют частные модели, реализованные в виде вычислительных блоков, в частности, соответствующих элементам энергетического оборудования. В соответствии с постановкой задачи моделирования каждый вычислительный блок соответствует определенному элементу (турбине, компрессору, коксовой батарее, КУ и др.) или группе элементов (котельному или турбинному цехам ТЭЦ, паровоздуходувной станции и т.д.) теплоэнергетического оборудования. Задача вычислительного блока состоит в расчете всех необходимых значений выходных параметров по заданным значениям входных.

Вычислительные блоки представляют собой совокупности уравнений, неравенств и логических выражений, выстроенных в последовательности, позволяющей вычислить значения выходных параметров по заданным значениям входных. Особо следует подчеркнуть, что наибольшую ценность представляют вычислительные блоки, позволяющие осуществлять расчет для любой произвольно заданной совокупности входных параметров.

При разработке вычислительных блоков стремятся использовать уравнения, которые требуют минимального объема памяти и времени вычислений с обеспечением требуемой точности результата. Не имеет, например, смысла создавать вычислительные блоки на основе сложных систем дифференциальных уравнений в тех случаях, когда не требуется очень высокая точность вычислений, когда степень точности исходных данных не адекватна точности результатов расчета или когда вклад выходных параметров блока в общие энергетические или технико-экономические показатели ТЭС ПП невелик. На начальной стадии моделирования, когда весомость каждого вычислительного блока оценить сложно, целесообразно применять наиболее простые вычислительные блоки, с помощью которых можно получить ряд принципиально важных результатов.

Оценка точности результатов моделирования осуществляется сопоставлением результатов расчетов по вычислительным блокам с реальными данными о функционировании моделируемой ТЭС действующего предприятия для ряда характерных режимов. При моделировании функционирования ТЭС ПП в условиях, отличных от реализованных в настоящее время, такую проверку осуществить невозможно и сопоставление данных можно провести только на основе экстраполяции на новые условия.

На следующем этапе моделирования осуществляют выбор оптимизируемых непрерывно изменяющихся и дискретных параметров. На непрерывно изменяющиеся параметры накладываются ограничения в виде двухсторонних неравенств, определяющих верхнюю и нижнюю границы их изменения. Ограничения накладываются с целью недопущения присваивания оптимизируемым параметрам значений, физически невозможных или противоречивых балансовым уравнениям.

После выборов оптимизируемых параметров приступают к разработке алгоритма вычисления значения принятого критерия эффективности (энергетического или технико-экономического). Данный алгоритм является основой для разработки организующей программы, которая вызывает вычислительные блоки в заданной последовательности и осуществляет передачу данных между ними.

Математические модели содержат также вспомогательные блоки для расчета термодинамических и теплофизических свойств рабочих тел (воды и водяного пара, дымовых газов, воздуха и т.д.). Последовательность обращения к вычислительным блокам задается с помощью специальной организующей программы, являющейся важнейшим звеном математической модели.

Применение организующей программы позволяет осуществлять расчет всего многообразия принципиально возможных схемных решений ТЭС ПП в рамках единой математической модели. Организующая программа выявляет вычислительные блоки, для которых известны все значения входных параметров, вызывает их, запоминает результаты расчетов выходных параметров вызванных блоков и передает полученную информацию в следующие вычислительные блоки, для которых она является входной.

Задача определения термодинамических и конструктивных параметров всех элементов ТЭС ПП с заданной топологией (когда известны их набор и схема соединения между собой) является простейшим примером математического моделирования. Данная математическая модель является статической, т.е. описание связей между параметрами задано для установившегося (стационарного) режима.

Задачей моделирования более высокого уровня является оптимизация указанных параметров в соответствии с выбранным критерием оценки (минимумом расхода топлива, потребляемого ТЭС ПП, минимумом приведенных затрат в нее и т.д.).

В наиболее общей постановке задача моделирования предполагает оптимизацию не только параметров, но и вида тепловой схемы ТЭС ПП с выбором состава теплоэнергетического оборудования и наивыгоднейшей схемы его соединения. Проблема решения задачи математического моделирования в данной постановке состоит в совместной оптимизации непрерывно изменяющихся (например, расходов, температур, давлений и д.п.) и дискретных (количества котлов-утилизаторов, числа и типов турбин, компрессоров и другого энергетического оборудования) параметров.