Системный подход к анализу процессов управления

Рассмотрение основ информационных технологий управления невозможно без четкого понимания таких базовых понятий теории управления, как "управление", "объект управления", "управляемая система", "управляющая система", "обратная связь", "системный подход"...

Целенаправленное внешнее воздействие на объект (явление, процесс), обеспечивающее либо сохранение его основных свойств, либо развитие (движение) объекта в направлении определенной цели, принято называть управлением. Следовательно, управление представляет собой некий процесс, происходящий во времени и, возможно, в пространстве. Как процесс управление имеет смысл лишь по отношению к объекту, называемому объектом управления.

Широкое разнообразие и сложность изучаемых объектов окружающего нас мира стимулировали разработку специальных теорий и методов их исследования. Один из таких методов - системный анализ. Базовым понятием системного анализа является понятие системы как совокупности элементов, объединенных общей целью функционирования.

Слово "система" происходит от греческого Systema, что означает целое, составленное из частей, соединение. Словарь иностранных слов дает следующие определения этого термина[5]:

· определенный порядок в расположении и связи частей чего-либо, например система воспитания, педагогическая система;

· форма организации чего-либо, например избирательная система;

· целое, представляющее собой единство закономерно расположенных и взаимосвязанных частей, например солнечная система;

· общественный строй, например социалистическая система;

· совокупность учреждений, объединенных в одно целое;

· конструкция;

· обычное, регулярное, привычное явление.

Выделив из всех этих определений общее, будем понимать под системой совокупность элементов произвольной природы, взаимосвязанных друг с другом и образующих определенную целостность.

Системы, как правило, имеют достаточно сложную структуру организации и включают большое количество элементов различной природы, рассматриваемых, с одной стороны, как единое целое, с другой как совокупность разнородных объектов, объединенных в целое в интересах достижения единой цели.

Отметим следующие свойства систем.

1. Вложенность. Любая система является элементом более общей системы - макросистемы, которая выступает по отношению к системе внешней средой и источником возмущающих воздействий. Объективный анализ системы возможен только с учетом ее взаимодействия с внешней средой.

2. Делимость. Всякая система состоит из элементов, обладающих определенной самостоятельностью и имеющих строго определенное функциональное назначение. Мы говорим, что этот элемент предназначен для… или этот элемент выполняет следующую функцию… Несмотря на то, что всякий элемент системы в свою очередь может быть достаточно сложным объектом, при выбранном способе выделения частей каждый элемент системы выступает как неделимый. Неделимость элемента на данном уровне исследования рассматривается как нецелесообразность учета его внутренней структуры в пределах рассматриваемой модели системы. Сложные элементы, которые с позиций системного анализа в свою очередь могут рассматриваться как системы, принято называть подсистемами.

3. Целостность. Суть целостности заключается в том, что система, рассматриваемая как совокупность элементов, получает в результате объединения совершенно новые свойства, которые не сводятся к простой сумме свойств отдельных ее составляющих.

4. Наличие структуры. Структура – это совокупность составляющих систему элементов и устойчивых внутренних связей между ними, определяющих основные свойства системы. Структура характеризует внутреннее строение системы. Например, иерархическая структура, элементы которой образуют соподчиненные уровни. Связь представляетсобойзависимость свойств одного элемента от свойств другого элемента системы.

5. Наличие организации. Под организацией системы понимается внутренняя упорядоченность и согласованность взаимодействия элементов системы в достижении поставленной цели, обеспечивающая ее единство.

6. Наличие цели. Система как совокупность элементов различной природы имеет смысл лишь постольку, поскольку все ее составляющие элементы существуют и взаимодействуют благодаря наличию объединяющей их цели - цели существования системы. Цель – это предвосхищение результата, это то, чего хотят достичь, то, к чему стремятся. Цель выступает в роли объединяющего начала системы как самостоятельной структуры, поэтому понятие цели является основополагающей категорией теории систем.

7. Способность к развитию, изменению. Всякая система в той или иной степени способна изменять свою структуру и функции в ответ на изменяющиеся условия в макросистеме и внутренние противоречия. Процесс последовательного изменения состояния системы в пространстве и времени называется движением, или развитием системы. Внешние воздействия, под влиянием которых осуществляется движение системы, принято называть внешней средой, или внешними факторами, а внутренние источники развития – внутренними факторами. Совокупность качественных и (или) количественных признаков, называемых параметрами системы, на основании которых можно отличить одно состояние системы от другого и зафиксировать факт ее развития, называется состоянием системы. Введенные понятия позволяют описывать состояние системы во времени и пространстве и изучать механизмы функционирования и развития.

Понятие системы связано с научным подходом к исследованию сложных явлений, методом научного исследования и имеет смысл лишь в рамках этого метода - системного подхода.

Системный подход – это метод научного познания объективной реальности, основанный на общих закономерностях функционирования систем разной природы, свойствах целого как объединения частей, закономерностях функционирования и развития систем.

Методологически системный подход основывается на единых принципах анализа сложных систем[6]^,[7].

1. Принцип физичности. Этот принцип гласит, что всякой системе присущи законы, закономерности ее существования и функционирования, определяющие ее структуру и внутренние причинно–следствен­ные связи.

2. Принцип моделируемости. Всякая система в целях исследования может быть представлена конечным множеством моделей, каждая из которых отражает определенную грань ее сущности. Для лучшего понимания этого принципа коротко поясним сущность понятия "модель". Изучая объект, процесс или явление окружающего мира как некоторую сущность, мы стараемся взглянуть на нее с разных позиций и точек зрения. В своих исследованиях мы "оперируем" этой сущностью на уровне наших представлений о ней, формирующихся в сознании на основании имеющихся знаний, то есть с некоторой отвлеченной абстракцией - моделью сущности.

По определению, "модель – это реальный физический объект или процесс, теоретическое построение, информационный образ, представляющие какие-либо свойства исследуемого объекта, процесса, явления"[8]. Это - "материальный объект, система математических зависимостей или программа, имитирующая структуру или функционирование исследуемого объекта"[9]. Приступая к рассмотрению той или иной сущности с целью ее анализа, определения ее неизвестных ранее свойств, мы, желая этого или нет, осознавая это или нет, строим модель этой сущности и исследуем ее свойства. Основой моделирования является понятие адекватности модели как оценки степени ее соответствия реальному объекту, процессу, явлению, позволяющей переносить полученные результаты исследования модели на объект моделирования. Из принципа моделируемости вытекает важный факт, что для решения поставленной задачи мы можем обойтись конечным числом моделей, выбор которых и их количество зависят от целей анализа.

3. Принцип целенаправленности. Всякой системе присущи определенные тенденции в поведении (движении), направленные на достижение или сохранение системой некоторого состояния либо на усиление (ослабление) некоторого процесса, явления.

Системный подход применяется тогда, когда требуется рассмотреть объект исследования комплексно, с разных точек зрения. Он включает системно-элементный анализ, позволяющий ответить на вопрос, из каких элементов состоит система; системно-структурный, раскрывающий внутреннюю организацию системы, способы взаимодействия составляющих ее элементов; системно-функциональный анализ дает ответ на вопрос, какие функции выполняет каждый из ее составляющих элементов и вся система в целом; системно-коммуника­ционный взгляд раскрывает взаимосвязь данной системы с другими системами; системно-исторический анализ позволяет взглянуть на систему в развитии с учетом фактора времени и ответить на вопросы, как возникла система, как развивалась, каковы исторические перспективы ее дальнейшего развития[10].

В начале этого раздела было введено понятие управления как целенаправленного воздействия на объект с целью сохранения его основных свойств либо обеспечения его движения в направлении определенной цели. Следовательно, в рамках системного подхода управление можно рассматривать как функцию объекта управления, рассматриваемого как система.

Рассмотрим несколько примеров.

Пример 1. Сегодня учащийся со школьной скамьи оперирует понятиями компьютер, программа, задача. Что же такое компьютер по своей сути? С системных позиций компьютер – это универсальный инструмент обработки информации, представляющий собой единство аппаратных средств (процессор, память, монитор, принтер…), программных средств (системные, инструментальные, прикладные) и знаний, навыков и умений пользователя. Такой взгляд на компьютер легко позволяет ответить на вопрос, чем компьютер отличается от обычного непрограммируемого калькулятора. В системе "калькулятор" отсутствует в явном виде[11] вторая составляющая системы – программные средства.

Пример 2. Предприятие с точки зрения организации управления может рассматриваться как сложная экономическая система, представляющая собой совокупность шести подсистем[12]: управления стратегией развития; управления техническим развитием; управления производством; управления экономикой; управления персоналом; управления маркетингом (рис. 1).

Пример 3. Человеческое общество представляет собой сложную социально–экономическую систему. Ее подсистемами, или социальными блоками, являются различные этнические, религиозно–культовые, социальные, профессиональные и экономические группы. В историческом развитии общества этапы нормального функционирования и эволюционного изменения этих блоков время от времени сменяются радикальными революционными изменениями, разрешающими накопившиеся противоречия.

Вернемся вновь к рассмотрению систем. Выделяют несколько их классов[13]^,[14].

· Материальные и абстрактные системы. В основе материальных систем лежат объекты, процессы и явления материального мира. Материальные системы, в свою очередь, можно классифицировать как неорганические (технические, химические…), органические (биологические) и смешанные, содержащие элементы органической и неорганической природы. Среди смешанных систем в первую очередь необходимо выделить человеко-машинные системы, в которых человек с помощью технических средств осуществляет свою трудовую деятельность. Подклассом этих систем являются социально–экономические системы, в которых связями между элементами являются отношения людей в процессе производства.

Абстрактные системы – это продукт человеческого мышления: гипотезы, теории, знания…

Статические и динамические системы. Признаком подразделения систем на статические и динамические является степень зависимости состояния системы от времени. Статические системы изменяют свое состояние с течением времени настолько незначительно, что, исходя из целей исследования, этими изменениями можно пренебречь. Поэтому статическими называются системы, формально не изменяющие своего состояния с течением времени. Для динамических систем, напротив, зависимость их состояния от времени в процессе функционирования является фактором существенным, пренебречь которым нельзя. Динамические системы могут быть детерминированными и вероятностными (стохастическими). Поведение детерминированной системы предсказуемо: ее состояние в любой момент времени однозначно определяется ее состоянием в предыдущий или последующий момент времени. Поведение же стохастической системы предсказуемо лишь с определенной долей вероятности.

· Открытые и закрытые системы. Считается, что закрытая система не взаимодействует с внешней средой, а все происходящие в ней процессы обусловлены внутренними факторами и замыкаются внутри ее. Открытые системы, напротив, активно взаимодействуют с внешней средой и влияние внешних факторов на движение системы является существенным.

· Простые, сложные и большие системы. Разделение систем на простые, сложные и большие основывается на степени сложности организационной и функциональной структуры системы. Сложные системы обладают развитой иерархической структурой и состоят только из простых подсистем. Большие системы характеризуются рядом дополнительных признаков, таких, как значительное разнообразие составляющих ее элементов и связей между ними, открытость, наличие элементов самоорганизации, участие в функционировании системы людей, машин, природной среды.

1.2. Структура системы управления.
Место и роль информации в этой структуре

Именно то, как вы собираете, организуете и используете информацию, определяет, победите вы или проиграете.

Б. Гейтс

 

Феномен управления долгое время считался присущим исключительно сознательной деятельности человека. Успехи биологических наук, становление и развитие кибернетики как науки об управлении позволили в 50-90-е годы прошлого столетия существенно расширить наши знания о сфере распространенности управленческих процессов и подойти к более глубокому пониманию сущности этого понятия, выявить его связь с понятием "информация".

Остановимся на общей структуре систем управления, составе и функциях, схематически представив себе механизмы управления. Сразу оговоримся, что рассматриваемая далее структура представляет собой существенно упрощенную схематическую модель системы управления, на основе которой вводятся и объясняются базовые понятия теории управления. Предполагается, что читатель владеет в определенной степени математическим аппаратом на уровне понятий "функция", "параметр", "вектор", знаниями в области физики на уровне школьной программы, что, проявляя любознательность, он хотя бы иногда задумывался о том, почему утюг в процессе работы иногда "сам" выключается, а затем вновь включается, почему двери в супермаркетах автоматически открываются при приближении к ним человека, а затем также неожиданно сами закрываются, почему эти "противные" автомобили во дворах имеют свойство "визжать" среди ночи?!

Итак, что вкладывается в понятие "система управления"?

1. В рамках системного подхода к управлению система управления рассматривается как совокупность минимум двух подсистем: управляемой (объекта управления) и управляющей (рис. 2). Данное допущение, несмотря на всю кажущуюся простоту, не так очевидно для сложных и больших систем, какими, в частности, являются социальные и экономические системы. Попробуйте представить себе в таком виде предприятие, город, муниципальное образование… Деление на элементы технических систем вызывает обычно меньше сложностей. Например, обычная лампочка уличного освещения (управляемый объект) и выключатель (орган управления) в системе со светодиодом (управляющий орган) представляют собой классическую систему автоматического управления. При снижении уровня освещенности ниже определенного значения по сигналу со светодиода, чувствительного органа системы, отслеживающего состояние внешней среды, выключатель замыкает контакты и освещение включается. На этом принципе основано действие большинства систем управления бытовой техники, с которой мы имеем дело постоянно: утюги, электропечи, автоответчики…

 

2. Состояние объекта управления характеризуется совокупностью параметров (признаков), которые обозначим вектором Х(х₁, х₂, …х_n, t). Для предыдущего примера можно ограничиться одним параметром, принимающим два значения: включено, выключено. Параметры могут быть количественными, выраженными конкретными числовыми значениями, либо качественными, описательными, выражаемыми в качественных категориях лучше-хуже; больше-меньше… Конкретные значения параметров состояния объекта определяются с помощью специальных элементов системы управления – индикаторов состояния. В технических системах это различного рода измерительные приборы – датчики физических величин: температуры, давления, скорости, времени… В экономических системах – это количественные и качественные характеристики, выражающие наличие материальных и финансовых ресурсов, персонала, объемов производимой продукции, номенклатуры…

3. Управляемые объекты, как правило - системы открытые. Это означает, что рассматривать такую систему в отрыве от внешней среды, от факторов, оказывающих существенное влияние на состояние системы управления, нельзя. Именно внешние факторы выступают источником "возмущений", под действием которых система все время выводится из "равновесия" и должна изменяться и совершенствоваться, наилучшим образом приспосабливаясь, подстраиваясь к новым внешним условиям, и, тем самым, "обеспечивая" себе право на дальнейшее существование.

Состояние внешней среды, как и состояние управляемого объекта, характеризуется определенным набором параметров. Эти параметры можно включать в состав параметров состояния системы или выделять отдельно, что в общей постановке задачи не принципиально. В данной работе выделим их в самостоятельный вектор Y(y₁, y₂, …y_m, t), чтобы лишний раз подчеркнуть факт их существования и отличия от параметров состояния системы. На рис. 2 этот элемент обозначен стрелкой с надписью "Внешняя среда".

4. Система управления имеет в своем составе исполнительные "органы" – определенные элементы (механизмы) воздействия управляющей подсистемы на управляемую подсистему. Под воздействием управляющей подсистемы через органы управления (называемой прямой связью) управляемая подсистема изменяет свое состояние в соответствии с целью управления. В рассмотренном выше примере об уличном освещении таким органом управления является специальное электронно-механическое устройство – реле, которое замыкает или размыкает контакты электрической цепи в зависимости от поступающего сигнала от светодиода. Соответственно, освещение либо включается, либо выключается. На рис. 2 это воздействие обозначено стрелкой с надписью "управление".

5. Для определения формы и степени воздействия на управляемую систему управляющая система должна "знать" законы функционирования системы, на основе которых формируется управляющее воздействие, ее текущее и желаемое состояния и цель управления как функцию этих параметров. Правила выработки управляющего воздействия, обозначим их Z(z₁, z₂, …z_m, t), принято называть законом управления. Следовательно, система управления должна содержать "чувствительные" элементы (датчики), способные "измерить" параметры текущего состояния управляемой системы, на основе которых управляющая система сможет выработать конкретные управляющие воздействия. Светодиод – это и есть тот чувствительный элемент, который определяет состояние освещенности в примере с включением-выключением освещения. В теории управления определение состояния управляемой системы (измерение) и процесс передачи полученных данных субъекту управления называется обратной связью в противоположность прямому воздействию субъекта управления на объект управления, называемому прямой связью. Обратная связь носит ярко выраженный информационный характер, подтверждая, что информация является важнейшим элементом процесса управления, без которого последний в принципе невозможен. Нужно отметить, что информационные процессы как процессы сбора, хранения, обработки и передачи информации имеют место и во всех других подсистемах. В частности, воздействия внешней среды опосредовано носят информационный характер: ее факторы могут быть учтены и компенсированы управляющей системой лишь в том случае, если они выявлены, измерены (оценены количественно или качественно) и переданы в управляющую систему. Как известно, в наиболее распространенной трактовке информация – это сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые уменьшают степень неопределенности, неполноты знаний. Кибернетическое представление об информации напрямую связано с информационными процессами в самоуправляемых кибернетических системах.

6. Объект управления, рассматриваемый в свою очередь как система, имеет смысл только при наличии цели или совокупности целей функционирования, на достижение которых направлено управление. Степень достижения или не достижения цели определяется на основе вычисления или анализа некоторого интегрального, качественного или количественного показателя, зависящего от параметров состояния системы, внешних факторов и управления - целевой функции F(X, Y, Z).

Цели управления условно можно подразделить на два вида. В одном случае цель управления заключается в переводе системы из текущего состояния (начального) в желаемое состояние (конечное), например процесс приготовления кулинарного блюда определенного содержания и качества. В другом случае целью является сохранение определенных свойств системы во времени в условиях существенного влияния и воздействия на систему внешней среды, "пытающейся" вывести ее из "равновесия". Так, целью существования коммерческого предприятия может быть получение максимальной прибыли[15], используемой для повышения благосостояния учредителей. С другой стороны, эта же цель может быть сформулирована как желание получать стабильную прибыль в долгосрочной перспективе, не обязательно максимальную в каждый рассматриваемый промежуток времени.

В сложных и больших системах, например, социально- экономических, проблема выявления, определения и постановки цели их существования и функционирования представляет собой достаточно трудную задачу. Даже само понятие "цель", несмотря на кажущуюся простоту, достаточно неопределенно. Так, для оценки эффективности развития территории и деятельности государственных и муниципальных органов власти все чаще в качестве такого показателя используется критерий качества жизни населения на управляемой территории[16]. Наряду с термином "цель" при анализе систем управления часто встречаются взаимосвязанные, но все же различные по смысловому содержанию термины, такие, как "видение", "миссия", "задача".

Чтобы убедиться в сказанном, попробуйте, например, определить цель существования своего города как объекта муниципального управления и городской власти, как управляющей системы в этой структуре.

Рис. 2 демонстрирует нам простейший замкнутый контур управления с обратной связью.

Для разнообразия рассмотрим пример того, как человек реагирует, прикасаясь рукой к горячему предмету? Вы скажете – отдернет руку. Но давайте внимательнее присмотримся к этому процессу. С точки зрения управления рука будет выступать в роли управляемой системы, а рецепторы, нервная система, головной мозг, мышцы – в роли управляющей. Из биологии известно, что вся поверхность тела, в том числе и кончики пальцев, содержат чувствительные элементы – рецепторы, которые реагируют на температурные воздействия среды через ощущения. Цель существования такой системы – самосохранение. Таким образом, на простейшем уровне наше поведение можно представить в виде такой последовательности кадров взаимодействия во времени, не претендующей на строгую научность: касание; "измерение" температуры поверхности с помощью рецепторов и передача этой информации в головной мозг; анализ полученных данных и определение наличия "угрозы" жизни; приведение в действие управляющих органов – мышц; перемещение руки. У внимательного читателя при рассмотрении данного примера возникнет много вопросов. Как, например, наш организм определяет, что горячо – это плохо для него? В какую сторону нужно отдергивать руку?