А.М. ДАНИЛОВ, д-р техн. наук, советник РААСН,
Е.В. КОРОЛЕВ, д-р техн. наук, советник РААСН,
И.А. ГАРЬКИНА, канд. техн. наук, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
В последнее время в связи с недостаточностью традиционных подходов формируется системология [1] как новая методология научных исследований.
В данной работе предлагается новый подход к созданию строительных материалов как систем с использованием методов системного анализа.
Системология состоит из четырех разделов. Каждый из них имеет характер самостоятельной научной дисциплины и содержит разработку системного, синергетического, информационного и гомеостатического подхода к исследованию систем соответственно.
В системном подходе предполагается: целостное видение сложного объекта (явления, процесса); наличие доминирующей роли целого над частным, сложного над простым; невозможность познания главных свойств системы на уровне изучения только характеристик ее элементов (свойства системы не сводятся к сумме свойств ее элементов); количество свойств системы больше, чем сумма свойств элементов, отношения между элементами порождают новое особое качество целостности — интегративное; исследование свойств, структуры и функции объектов (явлений, процессов) в целом как систем.
Здесь под системой (рис. 1) понимается совокупность элементов, соединенных отношениями, порождающими интегративное качество. При отсутствии интегративного качества сложный объект не является системой.
Рис. 1. Характерные признаки системы
С точки зрения синергетического подхода порядок и хаос взаимосвязаны и порождают друг друга; наряду с детерминизмом неотъемлемыми свойствами природы и общества являются неопределенность и случайность; хаос не только полная дезорганизация и разрушение структуры (процесса или явления), но и потенциальный источник нового развития более сложной и высокоорганизованной системы.
В информационном подходе информация рассматривается как мера порядка, противостоящего хаосу; мера сложности системы; характеристика внутреннего разнообразия системы; мера вероятностного выбора одной из возможных траекторий развития.
Синергетический и информационный подходы фактически являются развитием системного подхода.
В основе гомеостатического подхода лежат системный подход к гармонии и дисгармонии сложных систем и определение механизмов управления системами для поддержания в допустимых пределах жизненно важных параметров (поддержание путем управления интегративными параметрами системы в допустимых пределах и, следовательно, сохранение системы — гомеостаз системы).
При этом предполагается двойственность мира: устойчивая гомеостатическая система состоит из балансирующих объединенных между собой противоположностей. Нарушение двойственности приводит к потере устойчивости системы. Сохранение основных определяющих систему параметров поддерживает существование системы и определяет ее гомеостаз. Наличие изоморфизма структур систем дает возможность переноса и распространения результатов исследований с одной гомеостатической системы в другую. Интегративное качество системы сохраняется, пока значение системообразующего параметра не выходит за пределы заданной области, а при выходе за пределы области частичного гомеостаза ведет к переходу системы в новое качественное состояние без разрушения системы. Системный, общий гомеостаз обеспечивает сохранение интегративного качества, а частный — конкретной компоненты. При приближении интегративных параметров системы к предельно допустимым наступает системный кризис — система вступает в зону бифуркации.
Очевидно, строительные материалы являются системами, так как обладают соответствующими системными атрибутами (рис. 2). Легко обнаруживаются присущие при системном подходе к изучению строительных материалов внутренняя противоречивость и парадоксальность.
Рис. 2. Строительный материал как система
Парадокс целостности: познание строительного материала как целостности невозможно без анализа ее частей.
Возможны два способа декомпозиции (разбиения) целостной системы «строительный материал».
- После разбиения целостной системы получаются элементы (части), которые не несут на себе целостных свойств исходной системы. Так, при разработке бетона (системы) естественным представляется разбиение системы на отдельные входящие в него компоненты. Однако такое представление бетона не позволяет с необходимой достоверностью предсказать его свойства на основе изучения свойств компонентов (элементов). Такая декомпозиция практической ценности не имеет. В известной мере это справедливо и для декомпозиции материала по масштабному структурному признаку (макро- и микроструктура в полиструктурной теории).
- Выделяются такие части (элементарные образования), которые в специфической форме сохраняют целостные свойства исследуемого материала (условно это называется «целостным» разбиением). Так, в качестве элементарного образования служит образец материала, свойства которого определяются как свойствами составляющих компонентов, так и присущих материалу (системе) интегративными свойствами.
Без целостного системного подхода невозможно изучение материала с целью прогноза возможности его практической эксплуатации.
Парадокс целостности состоит в том, что целостное описание строительного материала возможно лишь при «целостном» его разбиении на части (при описании как некоторой целостности). Однако даже интегративное свойство системы на качественном уровне может изучаться по существу вне системы. Так, смачиваемость поверхности заполнителя вяжущим может быть определена в отдельном эксперименте. При этом полученные результаты могут служить лишь качественным описанием процесса структурообразования и не позволяют осуществить целостное описание системы. Используемый элемент декомпозиции не позволяет последующее агрегирование системы.
Выделяются четыре вида свойств системы:
- Целостное свойство материала: свойство принадлежит материалу в целом, но не принадлежит составным элементам. Например, прочность, эксплуатационная стойкость, определяющие строительные композиты, не принадлежат ее отдельным элементам.
- Нецелостное свойство материала: свойство принадлежит составным элементам, но не принадлежит системе в целом. Так, компоненты композита обладают свойствами, которыми материал не обладает. Например, цемент (элемент) как минеральное вяжущее имеет определенную дисперсность. В бетоне (системе) цемент образует цементный камень, равномерно распределенный в объеме композита.
- Целостно-нецелостное свойство материала: свойство принадлежит как системе в целом, так и его составным элементам. Так, прочность и деформативность бетона (системы) зависят от прочности и деформатив-ности заполнителя (элемента).
- «Небытийное» свойство: свойство не принадлежит ни системе в целом, ни его элементам. Так, снег можно использовать в качестве строительного материала в условиях низких температур. Однако невозможно его применение в условиях повышенных температур, то есть как элементы (снег), так и сама система (строение) не обладают стойкостью (свойство) в эксплуатационной среде.
Таким образом, целостное разбиение материала возможно лишь при наличии целостно-нецелостного свойства материала как системы.
Изучая только свойства компонентов как подсистем (при декомпозиции) нельзя судить о свойствах системы в целом.
При определении строительного материала как системы предполагается наличие целостного, интегративного свойства системы.
Отличительной особенностью композиционных материалов от механической смеси компонентов является наличие границы раздела фаз, определяющей интенсивность процессов структурообразования и свойства материала (системы). На границе раздела фаз формируется контактный слой, обеспечивающий сцепление компонентов — адгезионную прочность — новое интегративное свойство, которым не обладают входящие в систему элементы и свойства материала. Объединение компонентов приводит к образованию на границе раздела фаз слоев с измененными свойствами, оказывающими влияние на формирование свойств системы, отличных от характеристик компонентов, например твердение цемента в большом объеме отличается от твердения в тонких слоях на границе раздела фаз.
Как видим, при изучении строительных материалов налицо наличие парадокса целостности. С одной стороны, оценку и анализ строительных материалов можно производить лишь на основе рассмотрения материала как целостной и единой системы; с другой — изучение материала невозможно без анализа ее частей. Именно поэтому исследования структуры и свойств материала должны осуществляться и на основе изготовления опытных образцов с изучением межэлементных связей при сохранении целостности системы, например так изучаются кинетические процессы формирования физико-механических характеристик материала.
Парадокс иерархичности: описание строительного материала как системы возможно только при наличии его описания как элемента надсистемы (более широкой системы) и обратно, описание строительного материала как элемента надсистемы возможно только при наличии описания системы «строительные материалы». Характеристика надсистем для системы «строительные материалы» приводится на рис. 3. В частности, для строительных материалов, пригодных для использования в заданных условиях эксплуатации, надсистемой является система «строительные материалы».
Рис. 3. Надсистемы для системы «строительные материалы»
Выделение приоритетов и оптимизация основных параметров строительных материалов осуществляется на основе междисциплинарных исследований и интеграции различных знаний для изучения отдельных аспектов.
Качество строительных материалов оценивается с учетом их места как элемента в иерархической структуре целостной надсистемы.
В соответствии с так называемым организмическим принципом критерий качества подсистемы должен быть частью общего критерия качества системы, определяемого ее интегративными свойствами.
Выделение систем при изучении строительных материалов можно осуществить путем расчленения сложных явлений, процессов на множество составных элементов (систем различной природы). Между ними выявляются системообразующие межэлементные связи и отношения, придающие целостность.
Возможен и другой способ выделения системы — это представление не всего исследуемого объекта, явления или процесса как системы, а только его отдельных сторон, аспектов, граней, разрезов, являющихся существенными для исследуемой проблемы. Здесь каждая система в одном и том же объекте (строительный материал) выражает лишь определенную грань его сущности. Такое применение понятия системы позволяет досконально и цельно изучать разные аспекты или грани единого объекта, например поверхностные явления — смачиваемость, капиллярные процесссы и др.
Во многих случаях целостность системы подразумевает, что изменение любого элемента системы оказывает воздействие на другие ее элементы и ведет к изменению всей системы, поэтому часто невозможно разложить строительный материал как целостную систему на отдельные компоненты без потерь ее интегративных свойств.
В качестве примера приведем результаты разработки иерархической структуры критериев качества радиационно-защитного композита (рис. 4). На верхнем (первом) уровне находятся следующие основные критерии: полезность системы (выходные характеристики материала, важность, актуальность, перспективность); качество функционирования (помехозащищенность, точность, надежность, чувствительность, качество управления); организация системы (совершенство структуры, сложность и т. д.); эволюционная эффективность (осуществимость, ресурсы, возможности модификаций и др.).
Рис. 4. Иерархическая структура критериев качества радиационно-защитного композита
Декомпозиция системы в рамках этой иерархии продолжается до тех пор, пока на нижнем уровне не будут получены элементы, принадлежащие разработанным типам или сформулированы технические задачи создания необходимых элементов.
При применении каждого критерия в отдельных задачах, возникающих на рассматриваемом этапе разработки материала, определяются характеризующие его количественные показатели, единицы и способы измерения (расчетные, экспериментальные или экспертные оценки), альтернативой которым, естественно, будут лишь бездоказательные суждения о качестве системы. Зависимости между критериями выявляются методами факторного анализа, математической статистики и др. и представляют собой эмпирические закономерности или получаются на основе процедур оценки гипотез и взвешивания факторов.
В соответствии с введенной иерархией критериев и выделенными комплексами решаемых частных задач строится иерархическая структура материала (системы) с оценками ее элементов. Она и служит основой перспективного планирования всего комплекса разработок и отдельных систем. Определяются ее части для уровней микро-, мезо- и макроструктуры применительно к композитам специального назначения.
На примере синтеза материала на основе серы с классификацией рецептурно-технологических факторов изучалась роль ингредиентов в формировании интегративных, системообразующих свойств материала как системы. Был осуществлен отбор ингредиентов для последующего определения рецептурно-технологических параметров с подтверждением эффективности и перспективности использования системного подхода при разработке композитов специального назначения.
Литература
- Прангишвили И.В. Системный подход и общесистемные закономерности. Москва: СИНТЕГ. 2000. 528 с.
Статья взята из журнала «Строительные материалы»
