Методология создания сложных технологических систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева»

РЕФЕРАТ

на тему: «Методология создания сложных технологических систем»

Кемерово 2016



Содержание

Введение

1. Сущность процесса проектирования

2. Методология системного подхода к проблеме проектирования сложных систем

3. Классификация систем

4. Закономерности больших (сложных) систем

5. Системный анализ процесса управления в сложных системах

Список используемой литературы



Введение

Современный системный анализ - прикладная наука, которая ориентирована на прояснение причин возникновения проблем и на формирование вариантов их устранения.

Системный анализ - совокупность методологических средств, которые используются для подготовки и обоснование решений из сложных проблем политического, военного, социального, экономического, технического и научного характера. Основой является системный подход и ряд методов, математических дисциплин и современной теории управления. Основная процедура - построение обобщенной модели, которая отображает взаимосвязи реальной ситуации. Технической основой являются ЭВМ и информационные системы.

Возникновение «системного анализа» связано с необходимостью проведения комплексных исследований при:

· создании сложных технологических и производственных комплексов;

· создании сложных систем управления ими;

· анализе экономической ситуации и т.д.

Системный анализ - дисциплина, которая занимается проблемами принятия решений в условиях, когда выбор альтернативы нуждается в анализе сложной информации разной физической природы. Результатом системных исследований является выбор конкретной альтернативы, например, план развития, параметры конструкции, структура и т.д.

Основная задача дисциплины: показать, как разные знания (математика, теория управления, методы оптимизации...), могут служить решению сложных прикладных задач, а системный интегратор становится одной из главных действующих лиц, архитектором, конструктором сложных систем. Для конструирования и исследование сложных систем нет наборов рецептов, есть лишь методология.

Методы системного анализа для решения сложных комплексных проблем применяются с учетом того, что в процессе принятия решений выбор необходимо делать в условиях неопределенности. Процесс системного анализа по каждой проблеме можно разделить на четыре стадии:

· постановка проблемы, определение цели и критериев оценки;

· структурный анализ исследуемой системы;

· разработка концепции развития системы и подготовка возможных вариантов;

· непосредственный анализ отобранных вариантов решений и их следствий с помощью ПЭВМ.

Истоки системного анализа, методических концепций лежат в дисциплинах, которые занимаются проблемами принятия решений - теории исследования операций и общей теории управления.

Проектирование сложных систем управления разделяют на две стадии: макропроектирование (внешнее), когда методами системотехнического и синтеза решаются задачи функционально-структурного характера; микропроектирование, когда разрабатываются технические решения в рамках проекта системы.

Для специалистов по автоматизации производства часто наиболее ответственным этапом является начало разработки систем - аванпроектирование (выбор структуры, технических средств, программного обеспечения...). От этого зависит целый ряд аспектов в будущем, в том числе стоимость разработки и эксплуатации.

системный анализ проектирование



1. Сущность процесса проектирования

Сущность процесса проектирования заключается в разработке конструкций и технологических процессов производства новых изделий, которые должны с минимальными затратами и максимальной эффективностью выполнять предписанные им функции в требуемых условиях.

Проектирование любого технического объекта -- создание, преобразование и представление в принятой форме образа этого еще не существующего объекта. Образ объекта или его составных частей может создаваться в воображении человека в результате творческого процесса или генерироваться в соответствии с некоторыми алгоритмами в процессе взаимодействия человека и ЭВМ. В любом случае инженерное проектирование начинается при наличии выраженной потребности общества в некоторых технических объектах, которыми могут быть объекты производства, промышленные изделия или процессы. Проектирование включает в себя разработку технического предложения и (или) технического задания (ТЗ), отражающих эти потребности, и реализацию ТЗ в виде проектной документации.

Обычно ТЗ представляют в виде некоторых документов, и оно является исходным (первичным) описанием объекта. Результатом проектирования, как правило, служит полный комплект документации, содержащий достаточные сведения для изготовления объекта в заданных условиях. Эта документация и есть проект, точнее окончательное описание объекта. Следовательно, проектирование -- процесс, заключающийся в получении и преобразовании исходного описания объекта в окончательное описание на основе выполнения комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского характеров.

Проектирование сложных объектов основано на применении идей и принципов, изложенных в ряде теорий и подходов. Наиболее общим подходом является системный подход, идеями которого пронизаны различные методики проектирования сложных систем. В результате проектирования создаются новые, более совершенные РЭС, отличающиеся от своих аналогов и прототипов более высокой эффективностью за счет использования новых физических явлений и принципов функционирования, более совершенной элементной базы и структуры, улучшенных конструкций и прогрессивных технологических процессов.

По степени новизны проектируемых изделий различают следующие задачи проектирования:

· частичная модернизация существующего объекта (изменение его параметров, структуры и конструкции), обеспечивающая сравнительно небольшое (несколько десятков процентов) улучшение одного или нескольких показателей качества для оптимального решения тех же или новых задач;

· существенная модернизация, которая предполагает значительное улучшение (в несколько раз) показателей качества;

· создание новых изделий, основанных на новых принципах действия, конструирования и производства для резкого увеличения (на несколько порядков) показателей качества при решении тех же или существенно новых задач.

Проектирование является сложным многоэтапным процессом, в котором могут принимать участие большие коллективы специалистов, целые институты и научно-производственные объединения, а также организации заказчиков, которым предстоит эксплуатировать разработанную аппаратуру.

С точки зрения последовательности выполнения различают основные стадии проектирования:

· предварительное проектирование, результатом которого являются технические предложения (аван-проект). Эта стадия в наибольшей степени насыщена элементами научного поиска, теоретическими расчетами, экспериментальными исследованиями. Они завершаются обычно созданием лабораторных макетов;

· эскизное проектирование, результатом которого является эскизный проект. На этой стадии усилия разработчиков во многом направлены на поиски эффективных конструкторских решений. Она также связана с большим объемом теоретических изысканий, сложных расчетов и заканчивается созданием экспериментального образца проектируемого изделия и его тщательными экспериментальными исследованиями;

· техническое проектирование, при котором выполняется тщательная проработка всех схемных, конструкторских и технологических решений. На стадии технического проектирования создается техническая документация на разрабатываемую аппаратуру и процессы ее производства. Итогом являются технический проект, содержащий необходимую документацию, и опытный образец изделий, прошедший всесторонние испытания в реальных условиях эксплуатации.

Создание технической документации, на основе которой происходит в дальнейшем единичное, серийное или массовое производство изделий -- это особенно трудоемкий процесс.

С точки зрения содержания решаемых задач процесс проектирования разбивают на следующие этапы:

· системотехническое проектирование, при котором выбираются и формулируются цели проектирования, обосновываются исходные данные и определяются принципы построения системы. При этом формируется структура проектируемого объекта, его составных частей, которыми обычно являются функционально завершенные блоки, определяются энергетические и информационные связи между составными частями. В результате формируются и формулируются частные технические задания на проектирование отдельных составных частей объекта;

· функциональное проектирование, которое имеет целью реализацию составных частей системы (комплексов, устройств, узлов). При этом выбирают структуру объекта, оптимизируют параметры (осуществляют структурный и параметрический синтез) с точки зрения обеспечения наилучшего функционирования и эффективного производства. При выборе структуры объекта и его параметров стремятся учитывать конструкторско-технологические требования;

· конструирование, называемое также техническим проектированием, решает задачи компоновки изделия и размещения элементов и узлов. При этом стремятся оптимизировать принимаемые решения по конструктивно-технологическим, экономическим и эксплуатационным показателям. На этом этапе проектирования разрабатывают техническую документацию, необходимую для изготовления и эксплуатации изделия;

· технологическая подготовка производства обеспечивает разработку технологических процессов изготовления отдельных блоков и всей системы в целом. На этом этапе проектирования создается технологическая документация на основе предшествующих результатов. Каждый этап проектирования сводится к формированию описаний проектируемого изделия, относящихся к различным иерархическим уровням и аспектам его создания и работы.

Этапы проектирования состоят из отдельных проектных процедур, которые заканчиваются частным проектным решением. Типичными для проектирования изделий процедурами являются анализ и синтез описаний различных уровней и аспектов.

Процедура анализа состоит в определении свойств заданного (или выбранного) описания. Примерами такой процедуры могут служить расчет прочностных характеристик. Анализ позволяет оценить степень удовлетворения проектного решения заданным требованиям и его пригодность.

Процедура синтеза заключается в создании проектного решения (описания) по заданным требованиям, свойствам и ограничениям. При этом в процессе синтеза может создаваться структура объекта (структурный синтез) либо определяться параметры составных частей, обеспечивающие требуемые характеристики (параметрический синтез).

Процедуры анализа и синтеза в процессе проектирования тесно связаны между собой, поскольку обе они направлены на создание приемлемого или оптимального проектного решения.

Типичной проектной процедурой является оптимизация, которая приводит к оптимальному (по определенному критерию) проектному решению. Процедура оптимизации состоит в многократном анализе при целевом изменении параметров до удовлетворительного приближения к заданным характеристикам. Оптимизация обеспечивает создание (синтез) проектного решения, но включает поэтапную оценку характеристик (анализ).

Проектные процедуры состоят из отдельных проектных операций. Например, в процессе анализа математических моделей приходится решать дифференциальные и алгебраические уравнения, осуществлять операции с матрицами. Такие операции могут иметь обособленный характер, но в целом они образуют единую проектную процедуру.

Проектные процедуры и операции выполняются в определенной последовательности, называемой маршрутом проектирования.

Маршруты проектирования могут начинаться с нижних иерархических уровней описаний (восходящее проектирование) либо с верхних (нисходящее проектирование).

Между всеми этапами проектирования существует глубокая взаимосвязь. Так, определение окончательной конструкции и разработка всей технической документации часто не могут быть выполнены до окончания разработки технологии. В процессе конструирования и разработки технологии может потребоваться коррекция структуры системы и даже исходных данных. Поэтому процесс проектирования является не только многоэтапным, но и многократно корректируемым по мере его выполнения, т. е. проектирование носит итерационный характер.

В процессе проектирования необходимо не просто создать изделие, которое будет обеспечивать заданное функционирование, но и оптимизировать его по широкому спектру функциональных, конструкторско-технологических, эксплуатационных и экономических показателей. На отдельных этапах для отдельных частных задач оптимизацию можно осуществить на основе разработанных формальных математических методов. Однако применительно ко всему изделию задача оптимизации часто не поддается формализации. Встречаясь с такой ситуацией, разработчики обычно рассматривают несколько вариантов решения поставленной задачи, подсказанных, как правило, предшествующим коллективным опытом, интуицией, и выбирают лучший из них. Такой подход называется эвристическим многовариантным анализом. Однако в связи с все возрастающей сложностью объектов проектирования, с повышением требований к ним необходимые расчеты оказываются все более трудоемкими, а количество вариантов, целесообразных для рассмотрения, постоянно возрастает. Эта ситуация получила название "тирания альтернатив".

Часто на этапе проектирования трудно было предвидеть некоторые требования, вытекающие из условий эксплуатации. В результате всего этого создание нового объекта затягивалось на долгие годы. Представляемые к испытаниям опытные образцы часто оказывались не удовлетворяющими заданным требованиям, а доводка изделия происходила в процессе испытаний, что удорожало проектирование во много раз.

Подобное положение не было виной разработчиков. Это результат возникшего принципиального несоответствия традиционного подхода к проектированию и сложности современных технических объектов. Указанное противоречие и вызвало интенсивное развитие новой технологии проектирования.

Такое развитие базируется на системном подходе и совершенствовании процессов проектирования с применением математических методов и средств вычислительной техники, комплексной автоматизации трудоемких и рутинных проектных работ, замены макетирования и натурного моделирования математическим моделированием, использованием эффективных методов многовариантного проектирования и оптимизации, а также повышением качества управления проектированием.

2. Методология системного подхода к проблеме проектирования сложных систем

Системный подход позволяет найти оптимальное, в широком смысле, решение задачи проектирования за счет всестороннего, целостного рассмотрения, как проектируемого изделия, так и самого процесса проектирования, и способен привести к подлинно творческим новаторским решениям, включая крупные изобретения и научные открытия.

Главным средством автоматизации проектирования являются ЭВМ и управляемые ими другие технические средства, которые создают необходимую основу для полной реализации потенциальных возможностей системного подхода.

Системный подход получает все большее распространение при проектировании и управлении. Сущность системного подхода состоит в том, что объект проектирования или управления рассматривается как система, т. е. как единство взаимосвязанных элементов, которые образуют единое целое и действуют в интересах реализации единой цели. Системный подход требует рассматривать каждый элемент системы во взаимосвязи и взаимозависимости с другими элементами, вскрывать закономерности, присущие данной конкретной системе, выявлять оптимальный режим ее функционирования. Системный подход проявляется прежде всего в попытке создать целостную картину исследуемого или управляемого объекта. Исследование или описание отдельных элементов при этом не является самодовлеющим, а производится с учетом роли и места элемента во всей системе.

Методическим средством реализации системного подхода к исследованию, проектированию или управлению сложным процессом служит системный анализ, под которым понимается совокупность приемов и методов исследования объектов (процессов) посредством представления их в виде систем и их последующего анализа.

Всякая система общается с внешней средой, имеет входы X и выходы P из нее (рис. 2.1).

Входами могут быть: состав комплектующих элементов с их параметрами; выходами могут быть показатели качества готовой продукции (надежность объекта, процент выхода годных изделий и т. п.).

Система обычно подвержена возмущениям Z; для их компенсации, для того чтобы система работала в нужном режиме, используют управляющие воздействия U (различные механические воздействия и т. д.).

Рис. 2.1 Простейшая структура объекта проектирования



Следовательно, системными объектами являются параметры изучаемой системы: вход, процесс, выход, цель, обратная связь и ограничения. Под действием системных объектов понимается качество параметров объектов. Свойства позволяют количественно описывать объекты, выражая их в присущих им единицах, обладающих определенной размерностью.

Если элементы накладывают взаимные ограничения на поведение друг друга, это свидетельствует о том, что между ними существует связь. Наличие связи между элементами и их свойствами является условием наличия системы.

Системный анализ предполагает системный подход и к изучению связей между элементами, между подсистемами и системой.

Процесс функционирования сложной системы происходит на многих уровнях. Система расчленяется на подсистемы, которые представляют собой компоненты, необходимые для существования и действия системы.

Центральный этап методологии системного анализа -- определение целей. Для проектировщиков важно четко представлять себе, что требуется от будущей системы управления, какие результаты желательны. Следовательно, необходимо иметь определенный набор требований к системе, т. е. четко сформулированную цель проектирования. Уже на самых первых фазах уяснения задачи необходимо иметь представление о тех целях, которые предполагается достичь в результате проектирования технологического процесса, в результате управления им.

Формулирование целей создает возможность выбора связанных с ними критериев. В системном анализе под критерием понимается правило, по которому проводится отбор тех или иных средств достижения цели. Критерий в общем случае дополняет понятие цели и помогает определить эффективный способ ее достижения. В том случае, когда между целью и средствами ее достижения имеется четкая однозначная связь, критерий может быть задан в виде аналитического выражения. Эта ситуация типична, например, для "простых" систем проектирования или управления, когда критерий, заданный в виде функционала, позволяет найти управляющие воздействия, обеспечивающие заданную цель. Поэтому в таких ситуациях понятия цели и критерия не различают. В сложных системах с высокой степенью неопределенности, когда цели носят качественный характер и получить аналитическое выражение не представляется возможным, следует отличать цели от критериев, характеризуя средства достижения цели.

Критерий должен отвечать ряду требований. Во-первых, он должен отражать основную, а не второстепенную цель функционирования управляемой системы. Во-вторых, отражать все существенные стороны деятельности системы, т. е. быть достаточно представительным. В-третьих, критерий должен быть чувствительным к существенным изменениям, возникающим в процессе функционирования управляемой системы.

Для проектирования и управления всегда желательно иметь единственный критерий оптимальности, что облегчает принятие решений и позволяет решить задачу оптимизации математически.

Системный подход требует прослеживания как можно большего числа связей -- не только внутренних, но и внешних, -- чтобы не упустить действительно существенные связи и факторы и оценить их влияние на систему.

При разработке систем управления производственными процессами в связи с применением ЭВМ неизбежно приходится рассматривать, прежде всего, такие вопросы, как совершенствование структуры управления, методы подготовки и принятия решений и, соответственно, формирование целей и критериев, используемых в процессе проектирования.

Существенное место в понятии системы занимает принцип целостности, согласно которому взаимосвязь и взаимодействие объектов порождает новые, системные свойства объекта, не присущие отдельным его элементам.

С точки зрения системного подхода к автоматизации проектирования, процесс проектирования представляет собой многослойную иерархическую процедуру с оптимизацией решений в каждом слое.

Принцип иерархичности в проектировании и управлении, а также принцип целостности обусловливают необходимость построения системы критериев, когда частные критерии, предназначенные для решения задач низшего звена управления (подсистемы), логически совпадают с критериями, применяемыми на более высоком иерархическом уровне.

В процессе проектирования и управления сопоставляются выходные величины, т. е. результат функционирования системы, с критерием. Следовательно, критерий в управляемой системе -- это признак, по которому выбирается наиболее эффективный способ достижения цели. Он является той величиной, которую нужно максимизировать или минимизировать при управлении системой в соответствии с целью ее деятельности.

Таким образом, система -- это достаточно сложный объект, который можно расчленить на составляющие элементы или подсистемы. Элементы информационно связаны друг с другом и с окружающей объект средой. Совокупность связей образует структуру системы. Система имеет алгоритм функционирования, направленный на достижение определенной цели.

Например, при проектировании автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП) его рассматривают как взаимосвязанную совокупность отдельных типовых технологических процессов и аппаратов, при взаимодействии которых возникают статистически распределенные по времени возмущения, т.е. существуют стохастические взаимосвязи между входными и выходными переменными подсистем.

При создании новых технологических процессов или реконструкции старых с целью их оптимизации решаются, как правило, такие задачи:

· организация работы производства и соответствующих узлов и агрегатов в оптимальных режимах по экономическим и энерготехнологическим показателям;

· передача функций управления самому узлу и агрегату через оптимальную организацию материальных и энергетических потоков в узле или агрегате, т. е. структура узла или агрегата организуется кибернетически;

· обеспечение надежности функционирования узла или агрегата.

Исходя из этих основных задач, решаемых при проектировании технологических процессов, необходимо формировать цели, критерии и ограничения на самых ранних стадиях проектирования. Эти требования в равной степени справедливы при конструкторском проектировании.

Глобальную цель проектирования или управления обычно не удается связать непосредственно со средствами ее достижения. Поэтому ее обычно разбивают (декомпозиция) на более частные локальные цели, позволяющие выявить средства их достижения. Такой метод системного анализа называют методом построения дерева целей.

Дерево (рис. 2.2) является удобным средством для представления существующих иерархий. Корень дерева отождествляется с системой, а уровни дерева -- с подсистемами и элементами.

Аналогично строится дерево целей, где корень дерева соответствует генеральной цели, а остальные вершины -- подцелям, причем по мере опускания по уровням дерева цели становятся более частными. Разбиение генеральной цели на подцели продолжается до тех пор, пока не появится возможность связать цели нижних уровней дерева со средствами, обеспечивающими выполнение этих целей.

Таким образом, одна из главных задач построения дерева -- установление полного набора средств, обеспечивающих достижение поставленной генеральной цели и выявление связей между этими средствами.

Рисунок 2.2 Дерево целей

Несмотря на то, что дерево целей формируется на эвристической основе, при реализации метода построения дерева можно выделить два этапа:

· построение первоначального варианта дерева целей;

· определение коэффициентов относительной важности его отдельных элементов и формирование окончательного варианта дерева целей.

Иерархия систем проектирования и управления, определение необходимого числа уровней, установление между уровнями правильных взаимосвязей, организация информационных потоков, создание контуров принятия решений -- все это тесно связанные вопросы рационального выбора схем проектирования и управления. Решение их определяется материальной природой объектов, характером происходящих в них процессов и взаимодействиями между ними, ограничениями на их функционирование, а также алгоритмами управления. Эти факторы оказывают непосредственное влияние на выбор структуры сложной системы.

В работе проводится анализ влияния различных факторов на формирование или выбор структуры сложной технической системы с позиций таких важнейших характеристик структуры, как степень централизации и норма управляемости.

Степень централизации служит в некотором смысле мерой разделения полномочий между уровнями системы. Для каждой пары смежных уровней (i-1,i), i = 2, ... , N степень централизации может измеряться отношением объема w_i задач, решаемых на i^M уровне, к объему w_i-1 задач, решаемых на (i-1)^M уровне, т. е. = w_i/w_i-1 (рис. 2.2).

Объем w_i решаемых задач может быть оценен, например, через количество перерабатываемой информации на уровне i.

Смещение основной массы решений в сторону высшего уровня (повышение степени централизации) обычно отождествляется с повышением управляемости подсистем и улучшением качества решений с одновременным увеличением объема перерабатываемой информации на верхних уровнях. Смещение решений в сторону нижних уровней (повышение степени децентрализации) соответствует увеличению самостоятельности подсистем, уменьшению объема информации, перерабатываемой верхними уровнями.

Понятие степени централизации тесно связано с другой характеристикой структуры организации -- нормой управляемости. Последняя определяет объем задач, решением которых может эффективно управлять руководитель. Ограничение на "мощность переработки информации" в подсистемах существенно влияет на выбор структуры.

Степень централизации и норма управляемости, как правило, изменяются с переходом от одного иерархического уровня системы к другому. Кроме того, на них существенное влияние оказывает автоматизация управления.

Важным показателем, определяемым при формировании или выборе структуры, считается трудоемкость (сложность) управления. Данный показатель характеризует затраты (стоимость) человеко-машинного времени при выполнении функций управления для систем с заданной структурой и алгоритмом управления.

Функция сложности (трудоемкости) управления зависит от размерности решаемых на различных уровнях задач, числа подсистем на каждом уровне иерархии и числа уровней. Основой для определения необходимого числа уровней иерархии обычно служит либо загрузка возможных звеньев системы, либо некоторая функция сложности управления, определяемая характером и количеством операций при различных схемах управления. Функция сложности может быть определена при заданных алгоритмах работы узлов и взаимосвязях между ними.

В работе [87] приводятся два утверждения, которые необходимо учитывать при выборе структуры. Во-первых, при отсутствии ограничений нельзя увеличить показатель качества управления, увеличивая количество уровней управления. Во-вторых, необходимо стремиться ограничивать число подсистем на данном уровне управления. Тогда задача состоит в нахождении структуры управления с минимальным количеством уровней управления и минимальным количеством подсистем на каждом уровне при допустимой сложности управления.

Быстродействие системы управления определяется ее способностью реагировать с достаточной оперативностью на возникающие возмущения. Быстродействие зависит не только от возможностей технических средств и персонала в осуществлении сбора, обработки и передачи информации, но и от организационной структуры, т. е. от распределения функций управления и необходимых для их реализации полномочий по уровням руководства и структурным подразделениям каждого уровня.

Рисунок 2.3 Допустимые структуры сложных систем

Излишняя централизация удлиняет цепь передачи информации к звеньям, выполняющим решения, в результате чего возможны искажения. Кроме того, вследствие удлинения цепи передачи информации "с места в центр" и передачи решений "из центра на места" удлиняется время между отправкой информации и получением решения.

При оптимизации взаимодействия между уровнями в иерархической системе управления важной является проблема координации.

Цель высшей подсистемы -- влиять на низшие таким образом, чтобы достигалась общая цель, заданная для всей системы. Это и составляет содержание понятия координации.

Согласно изложенному, наилучшая иерархическая структура из допустимых структур, приведенных на рис. 2.3, показана в подпункте "д". Среди структур, имеющих четыре уровня управления (рис. 2.3(б, в, г)), лучшая структура показана на рис. 2.3 (б), т. к. она имеет минимальное число подсистем высших уровней.

Следовательно, любая сложная система может быть реализована на основе различных структур. В связи с этим возникает уже на первых порах проектирования системы проблема выбора (синтеза) при заданных ресурсах оптимальной структуры, которая максимизирует критерий качества (в общем случае векторный) функционирования системы.

Под проблемой синтеза структуры понимается [93]:

· синтез структуры управляемой системы, т. е. оптимальное разбиение множества управляемых объектов на отдельные подмножества, обладающие заданными характеристиками связей:

· выбор числа уровней и подсистем (иерархия системы);

· выбор принципов организации управления, т. е. установление между уровнями правильных взаимоотношений (это связано с согласованием целей подсистем разных уровней и с оптимальным стимулированием их работы, распределением прав и ответственностей, созданием контуров принятия решений);

· оптимальное распределение выполняемых функций между людьми и средствами вычислительной техники;

· выбор организационной иерархии.

Под проблемой анализа структуры понимается определение основных характеристик системы при некоторой выбранной (фиксированной) структуре.

3. Классификация систем

В системном анализе классификация занимает особое место, учитывая множество критериев, которые характеризуют структуру системы, ее назначение, особенности функционирования и т.д. Наиболее часто применяются при классификации систем такие критерии.

По субстациональныму признаку системы делятся на три класса:

· естественные, которые существуют в объективной действительности (неживая и живая природа, общество). Примеры систем - атом, молекула, живая клетка, организм, популяция, общество;

· концептуальные, или идеальные системы, которые отображают реальную действительность, объективный мир. Сюда относят научные теории, литературные произведения, т.е. системы, которые с разной степенью полноты отображают объективную реальность;

· искусственные, которые созданы человеком для достижения конкретной цели (технические или организационные).

При использовании системного анализа для задач синтеза и анализа сложных систем управления используют классификацию систем по:

· виду объекта - технические, биологические, организационные и др.;

· научным направлением - математические, физические, химические и др.;

· виду формализации - детерминированные, стохастические;

· типу - открытые и закрытые;

· сложности структуры и поведения - простые и сложные;

· степени организованности - хорошо организованные, плохо организованные (диффузные), с самоорганизацией.

Хорошо организованные системы - это такие, для которых можно определить отдельные элементы, связи между ними, правила объединения в подсистемы и оценить связи между компонентами системы и ее целями. В этом случае проблемная ситуация может описываться в виде математических зависимостей, которые связывают цель и средства ее достижения, так называемых критериев эффективности или оценок функционирования. Решение задач анализа и синтеза в хорошо организованных системах осуществляется аналитическими методами. Примеры: описание работы электронного устройства с помощью системы уравнений, которые учитывают особенности работы; аналитические модели объектов управления и др.

Для отображения исследуемого объекта в виде хорошо организованной системы выделяют наиболее существенные факторы и отбрасывают второстепенные. В хорошо организованных системах используется, в основном, количественная информация.

Плохо организованные системы. Для таких систем характерным является отображения и исследование не всех компонентов, а лишь некоторых наборов макропараметров и закономерностей с помощью определенных правил выборки. Например, при получении статистических закономерностей их переносят на поведение систем с некоторыми показателями вероятности. Характерным для этих систем есть использования многокритериальных задач с многочисленными предположениями и ограничениями. Примеры: системы массового обслуживания, экономические и организационные системы.

В плохо организованных системах используется, в основном, качественная информация, в частности нечеткие множества.

Системы с самоорганизацией. Такие системы имеют признаки диффузных систем: стохастичностьсть поведения и нестационарность параметров. В тоже время они имеют четко определенную возможность адаптации к смене условий работы. Частным случаем системы с самоорганизацией для управления техническими объектами являются адаптивные системы с эталонными моделями или идентификатором, которые рассматриваются в дисциплине «Теория автоматического управления».

Существует ряд подходов к выделению систем по сложности и масштабу. Например, для систем управления удобно пользоваться классификацией по числу (количеству) элементов:

· малые (10-10³ элементов);

· сложные (10⁴- 10⁷ элементов);

· ультрасложные (10⁸ - 10³⁰ элементов);

· суперсистемы (10³⁰ - 10²⁰⁰ элементов).

Большая система - это всегда совокупность материальных и энергетических ресурсов, средств получения, передачи и обработки информации, людей, которые принимают решение на разных уровнях иерархии.

В настоящее время для понятий «сложная система» и «большая система» используют такие определения:

сложная система - упорядоченное множество структурно взаимосвязанных и функционально взаимодействующих разнотипных систем, которые объединены структурно в целостный объект функционально разнородными взаимосвязями для достижения заданных целей в определенных условиях; большая система объединяет разнотипные сложные системы.

Тогда определение системы можно записать как

Система - упорядоченное множество структурно взаимосвязанных и функционально взаимодействующих однотипных элементов любой природы, объединенных в целостный объект, состав и границы которого определяются целями системного исследования.

Характерные особенности больших систем:

· значительное количество элементов;

· взаимосвязь и взаимодействие между элементами;

· иерархичность структуры управления;

· наличие человека в контуре управления и необходимость принятия решений в условиях неопределенности.

4. Закономерности больших (сложных) систем

Закономерности больших или сложных систем позволяют рассмотреть их основные свойства независимо от физической природы (устойчивость, развитие, адаптация, саморегулирование и др.).

Целостность системы. Здесь рассматривается две взаимосвязанных стороны:

· свойства системы, как целого, не являются суммой свойств элементов или подсистем;

· свойства системы, как целого, зависят однозначно от свойств элементов, подсистем.

В этом проявляется сложность системы, ее поведение относительно внешней среды и внутреннее развитие. При выделении отдельных элементов или подсистем они также могут быть сложными системами, но для других задач. При оценке целостности выделяется два фактора:

· прогрессирующая факторизация, т.е. стремление системы к такому состоянию, когда отдельные части приобретают независимость;

· прогрессирующая систематизация, т.е. уменьшение системой определенной автономности элементов или систем.

Интегрированность системы - эта закономерность соединена однозначно с предыдущей (целостностью), но интегрированность подчеркивает внутренние процессы системы. Главным в интегрированности являются системообразующие и системосохраняющие факторы.

Для сложных систем управления и компьютерно-интегрированных структур этими факторами являются ЭВМ и микропроцессорные средства, объединенные в соответствующие сети. В технических системах, особенно компьютерно-интегрированных структурах, рассматриваются такие виды интеграции:

· программная интеграция;

· техническая интеграция;

· алгоритмическая интеграция;

· организационная интеграция.

Коммуникативность системы. Эта закономерность характеризует особые связи системы с внешней средой, дает возможность выделить элементы, как системы низших порядков. Для КИСУ коммуникативность проявляется в потоках информации, а также в структурах, т.е. в сетях разного уровня и назначения, в том числе корпоративных.

Корпоративная сеть - это вычислительная сеть на предприятиях, фирмах или их объединениях, в которой одновременно циркулирует информация разного назначения, т.е. технологическая и технико-экономическая.

Иерархичность системы - это закономерность, которая показывает, что живая природа и технические системы всегда имеют несколько уровней организации, принятие решений, задач и т.д. Для автоматизированных технологических комплексов выделяют разные виды управления: технологический аппарат, отделение, предприятие. Здесь главными являются такие стороны:

· с помощью иерархических представлений можно отображать системы с разными неопределенностями;

· определение количества уровней, построение всей иерархической системы всегда зависит от задачи и от цели системы.

В теории систем определяющим являются понятия функции или задачи, которые распределяют по уровням на подзадачи, т.е. образовывается иерархическая структура подзадач. Иерархической структуре подзадач отвечает своя структура математических моделей и ограничений. Эти две структуры находят отображение в технической структуре, т.е. в иерархии технических средств.

Закон необходимого разнообразия. Доказано, что для создания системы, которая может решить сложную проблему, имеющую разнообразие, необходимо, чтобы система управления имела еще большее разнообразие. Важно, чтобы это разнообразие могло создаваться в самой системе. В ТАУ существует принцип сложности, согласно которому для управления сложным объектом должна использоваться также сложная система управления.

Обобщение понятий сложных систем.

Общими признаками сложных систем (биологических, технических, социально-экономических) является то, что каждая из них представляет собой структурно организованную совокупность более простых частей (подсистем), взаимосвязанных и взаимодействующих в процессах целенаправленного функционирования системы.

Каждая из систем входит как подсистема в состав более крупной системы (старшего ранга); в свою очередь подсистемы (кроме элементарных), могут представляться как системы младшего ранга.

Системы взаимодействуют с внешней средой, которая реализуется через внешние связи: входные и выходные.

Процесс функционирования системы в узком смысле - процесс преобразования ресурсов на входе в целевые конечные результаты основной деятельности на выходе.

Эффективность основной деятельности системы характеризуется отношением целевых конечных результатов к затратам ресурсов на достижение этих результатов и на устранение (или ограничение в допустимом диапазоне) отрицательных следствий функционирования.

Целеустремленность процессов функционирования проявляется в намерении поддерживать и повышать высокую эффективность системы, адаптируясь к изменениям внешней среды.

Процессы функционирования системы (в широком смысле) - совокупность процессов основной деятельности в разных по масштабам процессов развития и усовершенствование систем.

Математическое описание процессов функционирования системы - математическая модель, но при действии нестационарных случайных сигналов процессы функционирования часто нельзя описать математически, т.е. формализовать.

Процессы функционирования систем нуждаются в управлении, которое реализуется за счет целенаправленных действий и обратных связей.

Процесс управления: сбор информации; ее анализ и контроль; изготовление управляющего действия; ее реализация.

Совокупность органов управления системы и подсистем всех уровней вместе с информационными связями (внутренние и внешние) - это иерархическая система управления.

5. Системный анализ процесса управления в сложных системах

Системный анализ многоуровневых иерархических структур

Современный этап развития автоматизации производства характеризуется внедрением сложных систем управления, которые реализуются с помощью многоуровневых иерархических структур на основе компьютерных сетей разного уровня и назначения. В основе разработки таких структур лежит понятие иерархии подзадач (функций), которые решаются системой со своими объектами и критериями. Эта иерархия отображается в иерархии математических моделей с соответствующими ограничениями и иерархии технических средств. Иерархические структуры (системы) управление имеют такие основные характеристики:

· последовательное вертикальное расположение подсистем, которые составляют систему (вертикальная декомпозиция);

· приоритет действий или права вмешательства подсистем верхнего уровня;

· зависимость действий подсистем верхнего уровня от фактического выполнения нижними уровнями своих функций.

Названные особенности нуждаются в специальных подходах к математическому описанию процесса функционирования сложной системы управления, на основе которой можно было бы проявить зависимости показателей эффективности от параметров системы и внешней среды, ее структуры и алгоритмов взаимодействия элементов. Кроме того, математические модели дают возможность решить главную системотехническую задачу - синтез оптимальной структуры. Это возможно лишь на основе многоуровневого иерархического описания с применением разных формальных языков, которое дает возможность подать исследуемую систему как элемент (подсистему) более широкой системы: рассматривать ее как единое целое; определить структуру с необходимой степенью детализации. Для возможности обеспечения нужной точности и удобства, учет многих характеристик системы используют разные уровни описания. Первый уровень отвечает информационному описанию, т.е. рассматриваются информационные связи системы с внешней средой и ее роль в получении и переработке информации. Второй уровень обнаруживает множество функциональных элементов и отношения между ними. Третий уровень - системотехническое описание, которое дает возможность определить техническую структуру системы с соответствующими средствами.

Многоуровневое описание системы имеет ряд общих свойств:

· выбор уровня описания зависит от цели исследования, разработка моделей на разных уровнях может проводиться параллельно, т.е. независимо;

· требования к условиям работы подсистем верхнего уровня выступают как ограничения подсистем нижнего уровня;

· на нижних уровнях описания выполняется наибольшая детализация, но назначение и содержание системы раскрываются на верхних уровнях.

При функционировании сложной системы управления возникает ряд особенностей, связанных со взаимодействием подсистем:

более крупные подсистемы функционируют на верхнем уровне, который определяет более широкие аспекты поведения системы в целом. Подсистема верхнего уровня есть «командной» по отношению к другим и координирует работу подсистем нижнего уровня;

период принятия решений на верхнем уровне всегда больший, чем на нижних. При этом необходимо учитывать такое обстоятельство: сигналы от верхнего уровня не могут поступать чаще, чем информация от нижних, так как иначе не будет координации нижних подсистем;

подсистема верхнего уровня всегда имеет дело с более медленными аспектами поведения всей системы, она всегда ожидает результаты реакции подсистем нижних уровней, например, реакцию подсистем разных уровней можно разбить по частоте действующих возмущений;

на верхних уровнях описание и проблемы менее структурированы, имеют больше неопределенностей, более сложные для формализации. Таким образом, проблемы принятия решений на верхних уровнях более сложные.

Основные задачи управления рассматриваются и используются как на стадии проектирования, так и в период эксплуатации.

На стадии проектирования решаются задачи:

· синтеза структуры, выбора технических средств, алгоритмического, информационного, программного и технического обеспечения на всех уровнях иерархии;

· декомпозиция объектов и задач управления;

· оценка экономической эффективности алгоритмов управления.

К задачам управления на стадии эксплуатации относят в первую очередь анализ возмущений: их амплитуда, частотный спектр, период возникновения существенно влияют на совокупность задач управления:

· получение и первичная обработка информации;

· регулирование и программно-логическое управление;

· оптимизация режимов;

· координация работы подсистем;

· оперативное управление.



Список используемой литературы

1. Суходольский Г.В. Структурно-алгоритмический анализ и синтез деятельности. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1976. - 120 с.

2. Николаев В.И., Брук В.М. Системотехника: методы и приложения. - Л.: Машиностроение, 1985. - 199 с.

3. Солодовников В.В., Тумаркин В.И. Теория сложности и проектирование систем управления. - М.: Наука, 1980. - 162 с.

Размещено на Allbest.ru