Сущность управления в сложных системах. Структура системы с управлением.

Сущность управления в сложных системах. Структура системы с управлением.

Управление – процесс формирования требуемого состояния системы для достижения конечной цели при помощи информационного воздействия.

 

Система управления А

Управляющая система (ЛПР)

Система связи

Объект управления В

{w}

{n}

{х}

{у}

Система с управлением включает три основные подсистемы: управляющую систему (УС), объект управления (ОУ), систему связи (СС).

УС совместно с СС образуют систему управления (СУ). Основным элементом организационно-технических СУ является лицо, принимающее решение (ЛПР) – индивидуум или группа индивидуумов, имеющих право принимать окончательные решения по выбору одного из нескольких управляющих воздействий.

СС включает канал прямой связи, по которому передается входная информация – множество {x}, включающее командную информацию; и канал обратной связи, по которому передается информация о состоянии ОУ – множество выходной информации {y}. Различают положительную обратную связь (с увеличением или уменьшением сигнала на выходе системы происходит соответственно увеличение или уменьшение параметров на входе) и отрицательную обратную связь (с увеличением или уменьшением сигнала на выходе системы происходит соответственно уменьшение или увеличение параметров на входе).

Множества {n} и {w} обозначают воздействие окружающей среды (различного рода «помехи») и показатели, характеризующие качество и эффективность функционирования ОУ. Показатели качества и эффективности являются подмножеством информации о состоянии ОУ – {w} {y}.

 

Сущность системы с управлением. Задачи и функции системы управления.

Задачи

1) Целеполагание – определение требуемого состояния или поведения системы

2) Стабилизация – удержание системы в стабильном состоянии в условиях возмущающих воздействий

3) выполнение программы – перевод системы в требуемое состояние в условиях, когда значения управляемых величин изменяются по известным детерминированным законам;

4) слежение – перевод системы в требуемое состояние или обеспечение требуемого поведения системы в условиях, когда управляемые величины меняются по неизвестным законам или законы меняются

5) оптимизация – перевод (или удержание) системы в состоянии с экстремальными характеристиками при заданных условиях и ограничениях (прибыли – издержки)

 

Функции

 

1) функция принятия решений – функция преобразования содержания информации о состоянии ОУ и внешней среды в управляющую информацию в ходе анализа, планирования и оперативного управления (собрать информацию, выявить проблемные места, предложить варианты решений, оценки их состояния и последствий, выработать критерии оценки решений, выбор решений)

2) функции обработки информации – охватывают учет, контроль, хранение, поиск, отображение, тиражирование, преобразование формы (без изменения смысла) информации;

3) функции обмена информацией – доведение выработанных воздействий (решений) до ОУ, обеспечение обмена информацией с ЛПР.

 

3. Обобщенный цикл управления

 

Аксиомы теории управления

1) Наличие наблюдаемости объекта управления. Определение любого из состояний ОУ (т.е. наблюдаемость) реализуется только в том случае, если по результатам измерения выходных переменных y(t) при известных значениях входных переменных x(t) может быть получена оценка z⁰(t) любой из переменных состояния z(t). Такая задача в теории систем называется задачей наблюдения. В социально-экономических и организационно-технических системах с управлением эта задача реализуется функциями учета и контроля текущего состояния ОУ и воздействий окружающей среды. Без этой информации управление оказывается неэффективным.

2) Наличие управляемости – способности ОУ переходить в пространстве Z возможных состояний из текущего состояния в требуемое под воздействием управляющей системы.

3) Под целью управления понимают совокупность значений количественных и качественных показателей, определяющих требуемое состояние ОУ.

4) Свобода выбора – выбор управляющих воздействий из множества возможных альтернативных решений. Чем меньше это множество, тем менее эффективно управление.

5) Наличие критерия эффективности управления. Обобщенным критерием эффективности управления считается степень достижения цели функционирования системы. по частным критериям можно оценивать качество управления, степень устойчивости системы.

6) Наличие ресурсов, обеспечивающих реализацию принятых решений. Ограниченность или отсутствие ресурсов ограничивает свободу выбора ЛПР и влияет на достижимость целей.

 

Основные понятия системного анализа

Система – множество элементов, их связи и взаимодействия как между собой, так и с окружающей средой, образующих единое целое с определенными качествами и целенаправленностью.

Элемент – неделимая часть системы, обладающая самостоятельностью по отношению к данной системе. Неделимость рассматривается как нецелесообразность внутреннего строения элемента в рамках рассматриваемой системы. Характеризуется только его внешними проявлениями в виде связей и взаимосвязей с остальными элементами.

Множество элементов можно записать в виде

,

где – i -й элемент системы, – число элементов.

Каждый элемент характеризуется m конкретными свойствами z₁, z₂, …, z_m, которые определяют его в данной системе однозначно. Совокупность всех m свойств элемента называют состоянием (выраженностью свойств) каждого элемента:

.

Состояние элемента, в зависимости от различных факторов (время, пространство и др.), может изменяться.

Связь – совокупность зависимостей свойств одного элемента от свойств других элементов системы. Установить связь между двумя элементами – значит выявить наличие зависимостей их свойств. Множество связей между элементами можно представить в виде

.

Зависимость свойств элементов может иметь односторонний и двусторонний (взаимосвязь) характер.

Взаимодействие – совокупность взаимосвязей и взаимоотношений между свойствами элементов, когда они приобретают характер взаимосодействия друг другу.

Элементы:

1. Абстрактные (понятия)

2. Конкретные – реальные(материальные)

2.1. Живые – субъекты

2.2. Неживые – объекты

Подсистема – часть системы, выделенная по определенному признаку, обладающая некоторой самостоятельностью и предполагающая разложение на элементы в рамках конкретного рассмотрения. Подсистема отличается от группы элементов тем, что для последней не выполняется условие целостности.

Структура – статическая модель системы. Отражает присутствие определенных элементов и связей, т.е. совокупность элементов и связей между ними. .

Граница внешней среды

Внутренняя среда

Граница внутренней среды

Внешняя среда, ближнее окружение, микросреда, среда прямого действия (кредиторы)

 

 

 

Дальнее окружение, макросреда косвенного действия, воздействует на стратегию решения. Односторонняя связь.

 

Внешняя среда – вне границ системы, может повлиять на работу системы. То, что за границей – реально существуют, но отношения не имеют.

Внутренняя среда (окружающая) – набор реально существующих в пространстве и времени систем, которые могут повлиять на работу системы.

 

Принципы системного анализа

1) Принцип конечной цели.

1.1) В первую очередь, при применении системного анализа необходимо сформулировать цель исследования

1.2) Определить основную цель, основное предназначение, основные функции исследуемой системы. Это позволит определить основные свойства, показатели качества и критерии оценки системы.

1.3) При синтезе систем любая попытка изменения или совершенствования должна оцениваться с точки зрения достижения конечной цели

1.4) Целевая функция исследуемой системы задается, как правило, системой более высокого уровня, в которой исследуемая система входит как составная часть.

2) Принцип изменения

О качестве функционирования системы можно судить только применительно к системе более высокого порядка, т.е. исследуемую систему нужно представить как часть более общей системы и оценку её свойств проводить относительно целей и задач суперсистемы.

 

3) Принцип эквифинальности

Система может достичь требуемого конечного состояния, не зависящего от времени и определяемого исключительно собственными характеристиками системы при различных начальных условиях и различными путями

4) Принцип единства

Совместное рассмотрение системы как целого и как совокупности частей. Ориентирован на декомпозицию системы с сохранением целостных представлений о ней.

5) Принцип связности

Любая часть системы рассматривается совместно с её окружением. Принцип подразумевает проведение процедуры выявления связей между элементами и связей с внешней средой.

6) Принцип модульного построения

Для абстрагирования от излишней детализации полезно выделений модулей (более крупная часть, чем элемент) и рассмотрения системы как совокупностей модуля. В этом случае система исследуемая как совокупность входных и выходных воздействий

7) Принцип иерархии

Предполагает введение иерархии частей и их ранжирование. ранжирование упрощает разработку системы, устанавливает порядок рассмотрения частей (начиная с более высокого ранга – в меньшей цифре)

8) Принцип функциональности

Сначала функциональная, затем организационная. Функциональная главнее. Меняются функции – меняется организация. Принципы Файоля:

· разделение труда,

· власть – ответственность,

· дисциплина,

· единство распорядительства,

· единство руководства,

· подчинение частных интересов общим,

· вознаграждение персонала,

· централизация,

· иерархия,

· порядок,

· справедливость,

· постоянство состава персонала,

· инициатива,

· единение персонала.

Предполагает совместное рассмотрение структуры и функций, с приоритетом функций над структурой. Любая структура тесно связана с функцией системы и её частей. В случае придания системы новых функций необходимо пересмотреть структуру, а не пытаться втиснуть новые функции. Образуют процессы, которые связаны с потоками различных видов:

· материальный поток

· энергетический

· смена состояния

· информационный поток

Есть ограничения только на потоке, пространстве и времени.

9) Принцип развития

Это учет изменяемости системы, её способности к развитию, расширению, адаптации, замене частей, накапливанию информации. В основном синтезирования системы необходимо закладывать возможности развития, наращивания, усовершенствования. При чем обычно расширений функций рассматривается за счет обеспечения возможности включения новых модулей, совместно с уже имеющимися. С другой стороны, принцип развития ориентирует на необходимость учета предыстории развития системы, тенденции, имеющиеся в настоящее время. Одним из способов учета этого принципа является рассмотрение системы относительно её жизненного цикла: проектирование, создание, ввод в действие, эксплуатация, модернизация (наращивание возможностей), замена, ликвидация.

 

10) Принцип децентрализации

В сложных системах необходимо сочетание централизации и децентрализации управления. Степень централизации должна быть минимальной, обеспечивающей достижение поставленных целей.

Недостатки централизации управления: сложность управления из-за большого потока информации, подлежит обработке для принятия решений.

Недостатки децентрализации: увеличение времени адаптации, что существенно снижает эффективность функционирования, особенно в быстроменяющейся среде.

11) Принцип неопределенности

Предполагает учет неопределенности и случайности в системе и утверждает, что можно иметь дело с системой, в которой структура, функционирование или внешние воздействия не полностью определены. В сложных открытых системах можно оценивать «наихудшие» ситуации и рассмотрение проводить для них. Это метод гарантированного результата.

 

Классификация систем

 

1) По природе элементов.

В зависимости от того, из каких элементов состоит система, она имеет свое название (абстрактная, конкретная, живая, неживая). Конкретная (реальная), если, по крайней мере, два ее элемента являются объектами и (или) субъектами. Среди них выделяют механические, электрические, биологические, социальные и др. Конкретные делятся на живые, обладающие биологическими функциями и способностью к самоорганизации,и неживые системы. Абстрактная, если ее элементы являются понятиями.

2) По происхождению – искусственные и естественные.

Естественные системы – продукт развития природы, возникли без вмешательства человека. Искусственные системы – результат созидательной деятельности человека.

3) По длительности существования – постоянные или временные. Постоянные – в определенный интервал времени, не меняет своих существенных характеристик. С точки зрения диалектики – все временные.

4) По взаимодействию со внешней средой. Открытые - это системы, которые регулярно обмениваются материально-информационными ресурсами или энергией с окружающей средой. Все живые системы являются открытыми.

Изолированные системы не обмениваются с окружающей средой ни материально-информационными ресурсами, ни энергией. Процессы самоорганизации в них невозможны.

Закрытые или замкнутые системы не обмениваются с окружающей средой материально-информационными ресурсами, но обмениваются энергией.

Изолированных и закрытых систем в реальной природе в деловом мире практически не существует. Эти системы – заведомо упрощенные схемы открытых систем, полезные при приближенном решении частных задач.

5) По сложности систем.

- простые организованные системы. Последовательны, последующее зависит от предыдущего. Разрыв любой связи – ликвидация системы. (Гирлянда)

2

 

- сложные неорганизованные системы. Состоят из огромного количества элементов, связи между которыми носят случайный хаотичный характер. (Молекулы, толпа)

 

- сложная организованная система. Большое число элементов, включающее большое число различных связей. Технические системы, биогеоценоз.

 

 

 

- большие системы – страна, города, холдинги, концерны, строительные комплексы

 

Характерно:

1) Целенаправленность и управляемость (наличие у системы общей цели, задаваемой и корректируемой в системе более высокого порядка, а которой данная система входит как составная часть)

2) Сложная иерархическая структура, предусматривающее сочетание централизованного и децентрализованного управления

3) Большой размер системы. Большое число элементов и связей, большое разнообразие входов и выходов, выполняемые функции и другое.

4) Целостность и сложность поведения.

 

- сложные системы.

При их анализе учитываются следующие факторы.

1) Наличие сложной составной цели, параллельное существование разных целей или их имена

2) Наличие у системы нескольких структур:

- функциональная

- организационная

- техническая

3) Невозможность описать систему с использованием одного языка.

- по степени участия в реализации управляющих воздействий человека. Чисто технические.

- по изменчивости свойств. Статические и динамические

- по характеру реакции на возмущающее воздействие. Пассивные и активные.

 

Улучшение» систем.

Улучшение – преобразование или изменение, приближающее систему к стандартным или нормальным режимом работы. Понятие улучшения системы предполагает, что система уже создана, порядок её работы установлен и известен. Улучшение означает выявление причин отклонений от заданных норм работы системы и устранение этих причин. Потребности в улучшении системы возникает, если:

 

1) работа системы не соответствует поставленным целям

2) система не обеспечивает прогнозирование результатов

3) система не работает, как предполагалось первоначально.

 

Основные этапы:

1) Определяется задача – что хотите получить, устанавливается система, её границы и составляющие её подсистемы.

2) Путём наблюдения определяется реальное состояние системы, реальное поведение системы и условия её работы.

3) Выявление путем состояния системы, сравнивается с ожидаемыми (стандартами, нормами) условиями с целью выявления отклонений.

4) В рамках подсистем выдвигаются гипотезы относительно причин этих отклонений.

5) На основании полученных фактов методом дедукции делаются выводы о причинах отклонения. При необходимости большая проблема развивается на подпроблемы метод редукции.

Улучшение систем связано с проблемами, относящимися к работе систем и имеет исходный посылкой тот факт, что все отклонения вызваны дефектами в элементах системы и их можно объяснить специфическими причинами. Функция, назначение, структура и взаимодействие с другими системами под сомнение не ставится. При реализации метода улучшения используется аналитический подход. Изменение систем осуществляется путем интроспекции, то есть от границ системы внутрь, к её элементам, исходя из предположения, что причины проблем и их решение находятся внутри самой системы. Метод имеет ограниченное применение, эффективен лишь в ограниченных небольших системах, практически независящих от других систем.

Основные причины неэффективности данного метода:

1) Поиски причин отклонения идут в границах самой системы

2) Приведение системы к стандарту

3) Неверные или устаревшие предпосылки и цели

4) Руководитель – лидер, тот, кого удовлетворяют потребности системы, люди знают, чего хотят им нужно в этом помочь. Или руководитель ведомый, подходит из существующих потребностей, если люди хотят – удовлетворяют.

5) Наличие законодательных и территориальных барьеров

6) Пренебрежение побочными эффектами.

При улучшении системы не учитываются побочные эффекты изменения, т.е. нежелательные воздействия, оказываемые на другие системы.

Условия работы системы	Проект принят
Объекты исследования	Содержание причины отклонения
парадигма	Научная парадигма или аналитический метод
Метод рассуждения	Дедукция (общее – частное)и редукция (уменьшение, деление на подпроблемы)
методика	Определение причин отклонений реальной системы от запланированной (оценка прямых издержек)
Основной акцент	Объяснение причин отклонений
подход	От границ системы внутрь
Роль ЛПР	Руководитель ведомый, следует существующим тенденциям

 

 

Отличие живых – неживых, конкретных – абстрактных, открытых от замкнутых. Примеры.

 

Живые обладают биологическими функциями и способностью к самоорганизации – организм человека, неживая – механизм автомобиля.

В абстрактных элементами являются понятия – язык, система счисления, конкретные – изделия, оборудования, машины.

Открытые системы – это системы, которые регулярно обмениваются материально-информационными ресурсами или энергией с окружающей средой. Все живые системы являются открытыми. – Водоем.

З акрытые или замкнутые системы не обмениваются с окружающей средой материально-информационными ресурсами, но обмениваются энергией. – Часы.

 

14. Простые и сложные системы, примеры.

Простая организованная система – система, каждый элемент в которой зависит от предыдущего. – Гирлянда.

Сложные неорганизованные системы - Состоят из огромного количества элементов, связи между которыми носят случайный хаотичный характер. (молекулы, толпа)

Сложная организованная система. Большое число элементов, включающее большое число различных связей. Технические системы, биогеоценоз.

 

 

 

Информация Пространство

 

Индивидуальные

Продуктивность особенности Направленность Способности

 

 

Индивидуальность Личность

 

Индивидуальные

истории Знания, опыт Темперамент Характер

 

 

ЧЕЛОВЕК

 

Воля Мышление Нейродинамика Пол

 

 

 

Субъект Индивид

 

 

Аффект Восприятие Возраст Телосложение

 

Энергия

Время

 

Шкала уровней качества

В зависимости от сложности системы её предназначение и целей ЛПР оценка качества системы может происходить на 5 уровнях. Каждый уровень характеризуется своим набором существующих свойств системы. Самый простой – первичный – устойчивость системы.

Для оценки простых систем на этом уровне выделяются следующие свойства:

1) Прочность

2) Устойчивость к внешним воздействиям

3) Гомеостазис (способность системы возвращаться в устойчивое состояние после вывода из него внешним возмущением)

Для оценки сложных систем к этим свойствам добавляются факторы структурной устойчивости (живучесть системы и надежность).

Методы Дельфи.

В методе Дельфи прямые дебаты заменены последовательными индивидуальными опросами экспертов, проводимыми в форме анкетирования. Ответы обобщаются и вместе с дополнительной информацией доводятся до сведения экспертов, после чего они уточняют свои первоначальные ответы. Такая процедура повторяется несколько раз до получения приемлемой сходимости совокупности мнений экспертов. Результаты экспериментов показали, что для достижения приемлемой сходимости требуется не более пяти туров опроса.

Алгоритм метода Дельфи заключается в следующем:

· организуется последовательность циклов «мозговой атаки»;

· вопросы в анкетах ставятся таким образом, чтобы можно было дать количественную оценку ответам экспертов;

· опрос экспертов проводится в несколько туров, контакты между экспертами исключаются, но предусматривают ознакомление экспертов с мнениями друг друга между турами, вопросы от тура к туру уточняются;

· в наиболее хорошо организованных процедурах экспертам присваивают весовые коэффициенты значимости их мнений, определенные на основе предшествующего опыта.

С целью минимизации расходов на получение прогноза стремятся привлекать минимальное количество экспертов при условии обеспечения заданной ошибки результата прогнозирования , где . Минимальное количество экспертов определяется зависимостью

.

Недостатки метода:

· значительные временные затраты на проведение экспертизы (большое количество повторений оценок);

· необходимость неоднократного пересмотра экспертами своих ответов, что может вызвать у них отрицательную реакцию на всю процедуру.

 

Дерево целей.

Для систематизации действий по достижению целей системы наиболее часто используется метод дерева целей. Он позволяет проранжировать цели системы, определить пути их достижения. Существующая главная цель детализируется на подцели, а те, в свою очередь, на действия.

Необходимо выбрать критерии, при помощи которых можно осуществить перебор стратегий для достижения главной цели, и на их основе определить очередность путей ее реализации.

ГЛАВНАЯ ЦЕЛЬ

Подцель 1

Подцель 2

Подцель N

…

Д11

Д11

Д11

Д11

Д11

Д11

…

…

…

Рис. 3.5.Структура дерева целей

 

В качестве примера рассмотрим задачу выбора пути развития фирмы на основе метода.

 

Развитие фирмы

Подъем имиджа фирмы

Модернизация технологий для выпуска новых изделий

Реклама

Выпуск нового изделия

Разработка нового изделия

Создание новых технологий

 

Рис. 3.6.Пример дерева целей

Для определения очередности путей реализации главной цели необходимо ввести критерии оценки. Выбор критериев оценки, их весов W_i и оценок эффектов применения альтернативных действий проводят с использованием экспертных методов.

Характеристика 1-го этапа выбора пути решения проблемы дана в таблице 3.5.

Таблица 3.5

Критерии оценки 1 этапа дерева целей

Критерии	W	Подцели
Подъем имиджа	Модернизация
Рост численности продаж	0,8	0,4	0,6
Рост численности покупателей	0,2	0,5	0,5
ИТОГ	1,0	Эффект
		0,42	0,58

 

Взвешенные оценки получены с помощью линейной свертки:

.

Рассмотрим 2 этап «Реклама – Новое изделие» на основе критериев рентабельности и доходности (табл. 3.6).

Таблица 3.6

Критерии оценки 2 этапа дерева целей

Критерии	W	Действия
Реклама	Выпуск нового изделия
Рентабельность	0,4	0,4	0,6
Доходность	0,6	0,8	0,2
ИТОГ	1,0	Эффект
		0,64	0,36

 

Оценка 3 этапа «Разработка нового изделия – Создание новых технологий» приведена в таблице 3.7.

Таблица 3.7

Критерии оценки 3 этапа дерева целей

Критерии	W	Действия
Разработка …	Создание …
Постоянные издержки	0,6	0,2	0,8
Переменные издержки	0,4	0,6	0,4
ИТОГ	1,0	Эффект
		0,36	0,64

 

Построим дерево целей с обозначением рассчитанных оценок эффективности (рис. 3.7). На основании «рассчитанного» дерева целей получим следующие взвешенные оценки эффективности возможных стратегий решения проблемы:

Расчеты показали, что наиболее эффективен четвертый путь (создание и внедрение новых технологий), с которого и следует начинать решение проблемы развития фирмы.

Развитие фирмы

0,42

0,42

0,64

0,36

0,36

0,64

 

Сущность управления в сложных системах. Структура системы с управлением.

Управление – процесс формирования требуемого состояния системы для достижения конечной цели при помощи информационного воздействия.

 

Система управления А

Управляющая система (ЛПР)

Система связи

Объект управления В

{w}

{n}

{х}

{у}

Система с управлением включает три основные подсистемы: управляющую систему (УС), объект управления (ОУ), систему связи (СС).

УС совместно с СС образуют систему управления (СУ). Основным элементом организационно-технических СУ является лицо, принимающее решение (ЛПР) – индивидуум или группа индивидуумов, имеющих право принимать окончательные решения по выбору одного из нескольких управляющих воздействий.

СС включает канал прямой связи, по которому передается входная информация – множество {x}, включающее командную информацию; и канал обратной связи, по которому передается информация о состоянии ОУ – множество выходной информации {y}. Различают положительную обратную связь (с увеличением или уменьшением сигнала на выходе системы происходит соответственно увеличение или уменьшение параметров на входе) и отрицательную обратную связь (с увеличением или уменьшением сигнала на выходе системы происходит соответственно уменьшение или увеличение параметров на входе).

Множества {n} и {w} обозначают воздействие окружающей среды (различного рода «помехи») и показатели, характеризующие качество и эффективность функционирования ОУ. Показатели качества и эффективности являются подмножеством информации о состоянии ОУ – {w} {y}.