Управление большими техническими системами

Управление- процесс преобразования информации о состоянии системы в определенные действия, переводящие управляемую систему из исходного в заданное состояние.

Например, исходное состояние АТП – наличие в результате падения спроса на перевозки избыточных производственных помещений, которые можно использовать для оказания сервисных услуг. Заданное состояние системы (цель) – организация на базе АТП мастерских автосервиса, позволяющих более эффективно использовать производственные помещения, сократить расходы. Действия (способы): анализ потребностей в услугах, привлечение инвестиций, реклама, реконструкция АТП и т.д.

Выделим в понятии управления ключевые слова:

- информация о состоянии системы;

- цель (или цели) системы;

- действия (способы, методы), предпринимаемые для изменения состояния системы и достижения цели.

Без этих составляющих не может быть самой постановки задачи управления. Этот набор должен расположиться в определенной последовательности (рис.2), образующей типовые этапы (технологию управления).

1.

Информация о состоянии системы и внешних факторах

Цель (цели) системы

Фактор времени реализации

Действия (способы) для изменения состояния системы и достижения цели

Учет материальных ресурсов

Определение цели, стоящей перед управляемой системой или подсистемами. От правильного определения основной (генеральной) цели и частных задач во многом зависят и выбираемые средства. Причем цель подсистемы должна увязываться с целью системы более высокого ранга (уровня).

 

Рис. 2. Вариант процесса управления

 

Например, цели участка (цеха) АТП должны быть определены так, чтобы обеспечить техническую исправность заданного количества автотранспортных средств.

Следовательно, постановка цели и ее реализация должны рассматриваться в рамках программно-целевого подхода.

2. Получение информации о состоянии системы и о внешних факторах (внутренних возмущениях), действующих на систему.

При разработке мероприятий, направленных, например, на повышение коэффициента технической готовности, подобной информацией будут сведения об эксплуатационной надежности агрегатов (узлов) автомобиля; данные о наиболее характерных отказах, вызывающие простои подвижного состава в рабочее время; сведения о причинах простоев и т.д. Внешними факторами в этом случае будут: условия эксплуатации, организация материально-технического обеспечения и др.

3. Обработка информации, оценка ее точности, достоверности. Анализ информации, сбор при необходимости дополнительной информации, ее экспертиза.

4. Принятие управляющих решений в соответствии с целями системы, полученной и обработанной информации.

5. Придание решению четкой (нормативной) формы, обеспечивающей ответственность исполнителей, поэтапный контроль. Наиболее целесообразной формой решения является норматив (правило, закон), обеспечивающий эффективное управление.

6. Реализация управляющего действия, например, реконструкция производственной базы: освоение новых видов услуг; направление подвижного состава в ремонт или списание и т.д.

7. Получение отклика (реакции) системы на управляющее действие в виде новой порции информации об изменении состояния системы.

При полном достижении системой назначенных целей в заданное время управление является оптимальным.

Если состояние системы ухудшилось, то управление нерационально. Если произошло улучшение состояния системы, но цели полностью не достигнуты, управление является рациональным (на этом этапе анализируются причины ухудшения, при необходимости корректируются цели).

Отметим наиболее характерные причины ухудшения управления:

- отсутствие наиболее полной информации о состоянии системы и действующих на нее факторов;

- реализация решения, как правило, происходит с задержкой во времени, при этом степень воздействия факторов на систему и в системе может существенно измениться;

- большие системы инерционны;

- потребность адаптации действующего фактора – человека – к новым целям и методам управления.

В любой системе имеются управляющие и управляемые элементы, которые группируются в подсистему управления (ПУ); управляемый объект (УО). Простейшая схема их взаимодействия приведена на рис.3.

 

Х

Y

УО

ПУ

 

Рис. 3. Схема взаимодействия подсистемы управления и управляемого объекта системы

 

В свою очередь, подсистема управления состоит из органа управления (ОУ), воспринимающего заданную программу принятия решения, и исполнительного органа (ИО), который управляет самой системой.

Отметим важные свойства больших систем: жесткость и реактивность.

В зависимости от взаимодействия процессов выработки и реализации программы управления различают жесткое управление и управление с обратной информационной связью.

При жестком управлении предполагается полная определенность будущих воздействий окружающей среды и состояний системы; незначительное влияние возмущений или защита объекта управления от них.

Примерами жесткого управления являются работа светофора в режиме, не учитывающим фактическое состояние транспортного потока; получение информации от контрольно-измерительных приборов; перечень предлагаемых работ (услуг) на СТО без учета спроса и сезона и др.

При управлении с обратной связью программа корректируется в зависимости от информации о фактическом состоянии управляемого объекта или обратной связи (рис.4).

 

 

Х

Y

ОС

 

Рис. 4. Схема управления системы с обратной связью

 

 

Примеры системы управления с обратной связью: действия водителя по поддержанию определенных параметров движения автомобиля на маршруте; регулирование цены на основе баланса спроса и предложения (например, услуги на сервис) и др. – т.е. основная модель для функционирования больших систем (технических, производственных).

Отметим два предельных метода управления (в зависимости от реакции системы на изменение внешних воздействий): реактивный и программно-целевой.

При реактивном методе планирование осуществляется перед самым началом или в процессе действия, решения принимаются без анализа возможных альтернатив и последствий и часто меняются, являясь реакцией на текущие события. При использовании такого метода достаточно часто встречаются ошибки, приводящие к спаду экономики (освоение целинных земель; введение в строй фабрик (заводов) без наличия соответствующей инфраструктуры и соответствующих кадров и др.).

С другой стороны, сущность программно-целевого метода заключается в четком определении цели системы и интеграции деятельности подсистем в виде программы – определение количества и видов ресурсов для их преобразования в конечный (целевой) результат (продукт) в течение заданного промежутка времени.

Вопросы для самопроверки

1. Поясните, как ресурсы влияют на процесс управления.

2. Поясните, как информация влияет на процесс управления.

3. В чем заключается отличие жесткого управления от реактивного?

4. В чем заключается отличие реактивного управления от программно-целевого?

5. Приведите примеры систем с жестким управлением.

6. Приведите примеры систем с реактивным управлением.

7. Приведите примеры систем с программно-целевым управлением.

8. Приведите примеры систем с обратной связью.

9. Приведите примеры взаимодействия управляющих и управляемых элементов.

 

Цели системы

Целью системы является ее возможное будущее состояние, достижимое с помощью определенных действий, являющихся следствием принимаемых решений.

Под решением понимается выбор на основе критериев из многих альтернатив самого или нескольких сценариев развития системы. На основании решения осуществляется управление системой. Например, если цель – сокращение затрат на топливо, то ее можно обеспечить рядом способов: улучшить ТО и ремонт систем питания и зажигания; заинтересовать водителей и рабочих в экономии топлива; выбирать рациональные маршруты движения; приобретать более экономичный подвижной состав и т.д.

При принятии решения необходимо выбрать один из способов или комбинацию.

В качестве критерия при принятии решения используется понятие целевой функции. Целевая функция устанавливает количественные связи между уровнем достижения поставленных целей и факторами, которые влияют на состояние системы. Конкретное значение целевой функции может быть показателем эффективности данной системы. Экстремальное (максимальное/минимальное) значение целевой функции соответствует оптимальному управлению.

Характерным примером использования целевой функции на оптимальность является определение периодичности ТО технико-экономическим методом, рассмотренным в учебниках и пособиях по теоретическим основам технической эксплуатации автомобилей. При этом в качестве целевой функции выбраны суммарные удельные затраты на ТО и ремонт узла (агрегата).

На рис.5 представлен вариант классификации выходных переменных Y, которые выступают в качестве целевых величин при организации процесса.

Цели системы характеризуются понятиями целевые показатели (ЦП) и целевые нормативы (ЦН), рис. 6. ЦН количественно или качественно характеризует состояние системы при полном достижении поставленной цели (t_p – момент достижения (реализации) цели (целей)) или удовлетворении определенной потребности. ЦП характеризует текущее или возможное состояние системы на момент t: ЦП (t).

Отношение ЦП (t) к ЦП определяет степень достижения поставленной цели (степень реализации): с (t) = ЦП (t) / ЦН.

 

Технико-технологические

Физические свойства

Физико-химические свойства

Медико-биологи-ческие свойства продукта

Выход готовой продукции

…

Экономические

Финансовые затраты

Себестоимость

Прибыль

…

Функциональные

Вместимость

Грузоподъемность

…

Эргономические

Безопасность

Комфорт

Простота ухода и обслуживания

…

Технико-экономические

Производительность

Эффективность

Надежность

Стоимость

Рентабельность

…

 

 

Рис. 5. Вариант классификации целевых величин

 

ЦП

ЦН

tp

t

t1

 

 

Рис. 6. Соотношение целевого показателя (ЦП)

и нормативного показателя (НП)

 

При формулировании цели конкретной системы (предприятия, фирмы и др.) возникают достаточно сложные задачи:

- как цели соразмерить с имеющимися ресурсами, а последние перераспределить между несколькими целями?

- как цели подсистемы увязать и заставить работать на основную цель системы?

- как сопоставить (ранжировать) цели?

- четко определить цели подсистем.

Если система имеет несколько целей разной значимости и уровня, то их следует упорядочить, построив дерево целей (ДЦ).

Дерево целей (рис. 7)– упорядоченная иерархия целей, выражающая их соподчинение и внутренние взаимосвязи. При построении ДЦ происходит декомпозиция: разложение целей по уровням, т.е. их упрощение, уточнение. Цель высшего уровня Ц⁰ разлагается на цели первого уровня Ц¹, которые, в свою очередь – на цели второго уровня Ц² и т.д.

 

Ц^0

Ц^101

Ц^102

Ц^103

 

 

Рис. 7. Схема дерева целей

 

Декомпозиция продолжается до так называемых элементарных целей. В ДЦ отношение целей низшего уровня к целям более высокого уровня – соподчинение. Одна из форм соподчинения – определение конкретного вклада (весомости) цели низшего уровня в достижение основной (генеральной) цели. Цели же одного уровня дополняют друг друга (рис.8).

Таким образом, определение взаимосвязей и весомости (вклада) целей и подцелей является одной из важнейших задач любого управления, которую наиболее целесообразно решать построением дерева целей.

 

 

 

Ц^0 Повышение эффективности работы автомобильного транспорта

Ц^101 Повышение провозной способности, прирост конечного результата

Ц^102 Повышение экономичности транспортного процесса (сокращение расходов)

Ц^103Повышение производительности труда персонала

Ц^104Улучшение экологичной обстановки в парке

 

1-й

уровень

 

 

Ц^2011 Количественный рост парка

Ц^2012 Измерение структуры и качественного состава парка

Ц^2013 Улучшение показателей работы автомобилей

Ц^2013 Улучшение условий эксплуатации

 

 

2-й

уровень

 

 

Ц^30131 Сокращение простоев исправных автомобилей

Ц^30132 Улучшение показателей работы ИТС

Ц^30133 Улучшение показателей работы автомобилей на линии

 

 

3-й

уровень

 

Ц^401321 Сокращение простоев исправных автомобилей в ТО и ремонте

Ц^401322 Увеличение наработки автомобилей на случай простоя в ТО и ремонте

 

 

4-й

уровень

 

Ц^5013211… Ц^501321n Сокращение продолжительности простоев по зонам, цехам, участкам

Ц^5013221… Ц^501322m Увеличение наработки на случай простоя в ТО и ремонте

 

 

5-й

уровень

 

 

Рис. 8. Декомпозиция целей автомобильного транспорта (вариант)

 

После того, как установлены цели системы, необходимо определить наиболее эффективные способы (методы) достижения этих целей. Цели, как правило, можно достичь несколькими способами. Поэтому необходимо проанализировать и сравнить несколько путей (вариантов) достижения поставленных целей. Эти варианты (альтернативы) могут находиться в определенных иерархических связях и по-разному влиять на достижение целей. Поэтому систематизацию и упорядочение выявленных способов (методов) необходимо производить построением дерева систем (ДС). ДС может воспроизводить или не совпадать с ДЦ.

Если дерево целей определяет, что необходимо делать, каких показателей эффективности достичь, то ДС – с помощью каких мероприятий этого можно добиться.

Дерево систем строится по тем же законам, что и дерево целей, т.е. определяется генеральная система С⁰, которая структурируется на подсистемы первого (С¹), второго и последующих уровней. Высший уровень ДС представляет собой техническую эксплуатацию в целом, которая обеспечивает перевозочный процесс достаточным количеством работоспособного подвижного состава необходимых видов и типоразмеров.

Иначе говоря, задача управления определяется следующим образом: выбрать из ДС ряд факторов (подсистем), влияя на которые можно наиболее эффективно добиться достижения поставленных целей.

При принятии решений, их сравнении, необходимо определить, как конкретное мероприятие ДС может повлиять на изменение целевого показателя. Речь идет о вкладе (весомости) этого мероприятия (подсистемы) в достижение цели Ц⁰. Например, как новое диагностическое оборудование повлияет на коэффициент технической готовности автомобилей и получаемую предприятием прибыль? Как повышение квалификации персонала скажется на безотказности автомобилей? Степень влияния или вклад можно оценить и определить разными способами, например, экспертизой, с помощью математических моделей целевой функции и др.

Проведя качественный анализ ДС, можно существенно уменьшить перечень подсистем, на которые следует воздействовать в процессе управления для достижения поставленных целей. К ним, прежде всего, относятся управляемые (на данном уровне), подвижные, ресурсосберегающие и обеспечивающие интенсивное развитие предприятия подсистемы и методы.

Вопросы для самопроверки

1. Поясните понятие «генеральная/основная цель».

2. Приведите примеры целевой функции.

3. Поясните разницу в терминах «целевой показатель» и «целевой норматив».

4. Приведите примеры взаимодействия дерева целей и дерева систем.

5. Какие существуют методы (критерии) оценки вклада подсистем в достижение цели системы?

6. Поясните понятие «декомпозиция системы».