ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕОРИИ СИСТЕМ
Рассмотрим основные понятия и определения, которые в дальнейшем будут широко использованы в книге. Одним из фундаментальных в теории систем является понятие сложной (большой) системы (далее будем называть ее просто системой). Несмотря на большое количество работ в этой области, единого устоявшегося определения системы в настоящее время еще нет.
В работе [51] под системой предлагается понимать целостное множество объектов, связанных между собой взаимными отношениями. Часто ограничиваются перечислением основных признаков системы. Безусловно, главный признак системы — ее целостность.
В соответствии с этим будем полагать, что система поедставляет собой упорядоченную совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, образующих единое целое, которое обладает свойствами, отсутствующими у образующих ее элементов. Элементом системы называют совокупность различных технических средств и людей, которые при данном исследовании рассматриваются как одно неделимое целое. Система характеризуется структурой и функциями.
Под структурой системы понимают ее строение, т. е. совокупность элементов и взаимные связи между ними.
Под функцией системы — совокупность всех возможных ее поведений, т. е. последовательных смен состояний.
Характерные признаки системы: наличие целей функционирования, которые достигаются одновременным и последовательным выполнением ряда задач; управление как процесс целенаправленного воздействия на систему; иерархическая структура, т. е. взаимосвязь подсистем и элементов различных уровней; функционирование системы, т. е. изменение ее состояний.
Системы делят на организационные, человеко-машинные и технические. В состав организационных систем входят коллективы людей и техника.
Технические системы решают поставленные человеком задачи без его участия. Человеко-машинные, или антропотехнические, системы — это системы, в которых человек выполняет роль оператора, непосредственно связанного с техникой (например, водитель — автомобиль, летчик — самолет, диспетчер — пульты управления и т. д.).
Следует отметить, что выделение группы объектов (понятий) и их связей в систему всегда в какой-то мере субъективно и определяется поставленными целями анализа или синтеза. Выделенная система взаимодействует с внешней (окружающей) средой.
Внешняя среда системы ■— это множество объектов, не входящих в систему, изменение свойств которых может менять состояние системы (см. 151]). Одновременно и система может воздействовать на внешнюю среду. Если система не имеет внешней среды, то ее называют замкнутой (закрытой, автономной). В открытых (незамкнутых, неавтономных) системах внешняя среда существенно влияет на состояния системы. Как упоминалось выше, система имеет иерархическую структуру, которая остается, как правило, постоянной при изменении состояний системы.
Для каждой организационной системы можно построить ее функциональную, организационную и информационную структуры.
Функциональная структура отражает выполнение системой ее отдельных функций, организационная — определяет административное деление и подчиненность в системе, информационная — отражает потоки информации и органы, собирающие, обрабатывающие, передающие и использующие эту информацию. Структура системы изображается в виде структурного графа (пример такого графа приведен на рис. 1.1). Вершины графа изображают управляющие, управляемые и взаимодействующие элементы или подсистемы, а ребра — виды отношений между ними. Высший иерархический уровень принадлежит самой системе в целом, далее следуют подсистемы соответственно пер-
такую подсистему стемы. Например, выделяют систему ется сам самолет как объект управления. В такой системе, как народ ное хозяйство страны, можно выделить систему управления народным хозяйством. Несмотря на тавтологию (система управления системой) и некоторое смещение понятий (в систему управления входит рассматриваемая система как объект управления или управляемый элемент), эти понятия широко распространены в литературе и далее будут использованы в книге.
Система, имеющая сложную иерархическую структуру, содержит ряд контуров управления. В подсистемах различных уровней можно выделить элементы, которые рассматривают последовательно как управляющие и управляемые в различных контурах. Элементы, находящиеся на низшем уровне системы, естественно, могут быть только управляемыми. Управляющий элемент, находящийся на вершине иерархии, обычно называют высшим звеном управления. В зависимости от решаемых задач можно исследовать совокупность контуров управления, составляющих единую подсистему управления, или отдельные контуры управления, включающие только два соседних иерархических уровня системы.
На рис. 1.2 представлена схема контура управления, содержащего управляющие элементы двух соседних уровней со связями подчинения (передача управляющей информации), подчиненности (передача информации о состоянии и выполнении команд) и взаимодействия (прием и передача информации о состоянии других объектов). Обычно действие внешней среды можно моделировать как взаимоотношения с
it
дополнительной подсистемой, влияющей на элементы, подсистемы и каналы связи между ними.
Процесс управления системой включает в себя: 1) уяснение задач (целей, программы) управления системой; 2) сбор информации о состояний элементов и подсистем по каналам подчиненности; о состоянии внешней среды и обстановке, в которой функционируют элементы и подсистемы; выбор необходимой справочной информации;
И) передачу этой информации с помощью средств связи к управляющим органам; 4) накопление, обработку и анализ информации для оценки обстановки и выработки вариантов решений, обеспечивающих выполнение задач системы; 5) принятие решения— основу процесса управления; б) разработку плана выполнения решения; 7) утверждение плана и разработку на его основе задач, команд для подсистем и элементов; 8) передачу управляющей информации (задач, команд) к подсистемам и элементам; 9) организацию работ по выполнению задач, команд; 10) контроль выполнения задач и плана в целом.
Совокупность действий подсистемы управления, связанных с решением отдельной задачи управления, называют циклом управления. (‘одержание перечисленных выше 10 пунктов в зависимости от задач, поставленных перед управлением, можно рассматривать как процесс управления или как один его цикл. В последнем случае следующие циклы в качестве одной из задач управления могут содержать корректировку, изменение или разработку нового плана, а также соответствующих ему уточненных или новых задач для подсистем.
Различают автоматические, автоматизированные и неавтоматизированные системы (подсистемы) управления. В автоматических системах процесс управления протекает по алгоритмам, разработанным человеком, но без его вмешательства.
Под автоматизированной системой управления (АСУ) понимают совокупность организационно-административных принципов, экономико-математических методов, средств информационно-вычислительной техники-и связи, создаваемых и используемых для совершенствования управления системой (отраслью, предприятием, процессом). В АСУ часть процесса управления выполняют люди. Как правило, наиболее важный этап управления — принятие решения — осуществляет руководство или руководитель. В отдельных контурах управления не исключено принятие решения по заранее разработанному людьми алгоритму.
— В больших организационных системах при решении вопросов управления обычно различают две проблемы: разработку плана (программы) функционирования системы при принятой ее структуре или выбор структуры системы, обеспечивающей выполнение заданного плана (программы); оперативное управление системой в соответствии с принятыми структурой и планом (программой).
Решение указанных проблем, как и общий метод анализа и синтеза системы, предполагает следующий порядок работ: 1) уяснение и формулирование целей анализа и синтеза системы: 2) выделение объектов исследования в систему; 3) установление целей и задач системы; 4) формализация системы, т. е. построение ее модели (моделей); 5) разработка плана (программы) функционирования системы; 6) разработка оперативного управления функционированием системы.
Разработка плана функционирования системы включает в себя уяснение целей и задач, стоящих перед системой; прогнозирование функционирования системы и ее взаимодействия с внешней средой на основе анализа моделей; разработку на этой базе вариантов решений поставленных перед системой задач и выбор одного из них (такое решение должно быть взаимоувязанным для подсистем нескольких высших уровней как по времени, так и по ресурсам); детализацию планов для подсистем и элементов всех уровней системы.
Планы для больших организационных систем, рассчитанные на длительные сроки (год и более), часто называют программами функционирования.
Разработка целей для создаваемой системы требует анализа целей и задач более высокой по уровню системы, в которую разрабатываемая система может войти в качестве подсистемы первого, а иногда и второго уровня. Так, для определения целей и задач, стоящих перед крупным заводом, который рассматривается как система, необходим анализ целей и задач отрасли промышленности, а иногда и промышленности страны в целом.
Под целью функционирования системы понимают область состояний системы, в которую она должна перейти в результате функционирования. Цели функционирования достигаются выполнением задач, вытекающих из этих целей. Цели обычно имеют качественный характер, а степень их выполнения характеризуют показателями (выходами) системы. Задачи чаще всего задают в количественной форме в виде значений показателей системы, которые должны быть достигнуты. Цели и задачи системы могут быть представлены в виде определенной иерархической структуры. Из целей функционирования системы определяются ее задачи, а также цели для подсистем первого уровня. В свою очередь, из целей подсистем первого уровня вытекают их задачи, а также цели подсистем второго уровня.
Иерархическая структура целей и задач системы может быть выражена соответствующим графом, вершины которого представляют собой цели системы и подсистем, а ребра — их задачи. Среди задач, вытекающих из целей системы, должны быть и задачи управления системой, которые определяют цели подсистемы управления.
Прогнозирование всегда имеет вероятностный характер, так как основано на учете большого количества неопределенных факторов. Чем больше интервал планирования, тем выше степень неопределенности плана и больше вероятность его корректировки в дальнейшем. Прогнозирование, разработка вариантов плана и выбор одного из них предполагают количественные оценки, которые могут быть получены при формализации системы и построении ее моделей. Задача формализации является фундаментальной в теории систем, поэтому целесообразно подробнее рассмотреть суть этого понятия.
Под формализацией понимают точное, лишенное двусмысленности описание изучаемых явлений, процессов или объектов на некотором фиксированном или уточненном (пусть даже и естественном) языке. Лкад. В. М. Глушков [18], пишет, что задача научного познания как раз состоит в превращении неформальных вещей в формальные, т. е., попросту говоря, в точно описанные.
Различают три относительно самостоятельных уровня формализации: описание изучаемых явлений средствами уточненного естественного языка (например, разработка инструкции по заправке ЛА топливом); математизацию и алгоритмизацию исследуемой системы (например, аналитические зависимости, алгоритм и программа расчета па ЭВМ показателей надежности ЛА в процессе эксплуатации); построение знаковых систем и исчислений, конструирование развитых формализованных систем, включающих в себя фиксированный искусственный язык, исходные аксиомы и правила вывода из них теорем и следствий.
Для решения задач управления сложной системой необходимо обеспечить второй уровень формализации, т. е. построить логикоматематическую модель системы, позволяющую вести ее количественный анализ. Выбор критериев, показателей и учет ограничений на функционирование системы позволяют на основе имеющейся модели системы найти оптимальный (по каким-либо критериям) план (про-• грамму), а также вести оптимальное оперативное управление, задача которого — устранение наилучшим (по какому-либо критерию) способом отклонений результатов функционирования от принятого плана. Когда управляющих воздействий недостаточно для возвращения системы к плановым показателям, проводят корректировку, изменяют или принимают новый план или структуру системы. Если не удается получить достаточно полную модель системы, то при правильной постановке задач на основе предшествующего опыта, учета традиций и некоторых соображений можно разработать рациональный план и структуру системы и вести рациональное неавтоматизированное оперативное управление.
Для сложных организационных систем, полная формализация которых практически невозможна, на основе системного анализа можно провести правильный выбор и обособление (выделение) системы, определить цели, показатели и задачи ее функционирования, разработать структуру и уточнить ее функции, проанализировать потоки информации и выполнить ряд других работ, которые предшествуют (|юрмализации. Решение всех этих вопросов, требующих в первую очередь правильного качественного анализа, позволяет значительно глубже и рациональнее построить управление системой, достичь целей системы с меньшими (но не минимальными) затратами средств, сил и времени.
Опыт создания разнообразных организационных систем как в CCGP, так и за рубежом показал, что оптимальные решения улучшают показатели системы (сокращают затраты сил, средств, времени на ее создание и функционирование или повышают ее эффективность) на 10—15% по сравнению с рациональными решениями, принятыми в результате качественного анализа. В то же время системный анализ ранее созданных без соответствующего научного обоснования неавтоматизированных систем дает обычно более весомый положительный эффект, чем дальнейший переход к оптимальной системе.
В зависимости от целей и задач исследования может существенно меняться модель системы, что вытекает из фундаментального положения диалектического материализма: «Истина всегда конкретна». Известно также, что с помощью любой модели можно только приближенно описать те или иные процессы, объекты, явления, что отражает принципиальную познаваемость мира, но бесконечность процесса его познания. Поэтому каждая модель должна с достаточной полнотой для решения поставленных конкретных практических задач отражать основные закономерности исследуемого явления, т. е. проникать в его сущность. Отсюда следует, что построение модели сложной системы хотя обычно и основывается на законах и фундаментальных положениях логики, математики, физики и других наук, но содержит субъективные элементы, отражающие знания, опыт, умения, навыки, интуицию и даже искусство исследователя.
Таким образом, при использовании основ теории систем в зависимости от конкретных практических задач в исследуемой системе могут в большей и меньшей мере отражаться вопросы управления, ее структуры, количественных показателей эффективности ит. д., причем полнота решения задач определяется уровнем формализации системы.