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.