Системный анализ в управлении - Анфилатов В.С., Емельянов А.А., Кукушкин А.А. (под ред. Емельянова А.А

4.2.1.

СОДЕРЖАТЕЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ФУНКЦИЙ УПРАВЛЕНИЯ

Управление в организационно-технических системах можно представить как последовательность функций, составляющих тех­ нологический цикл управления.

Под функцией управления понимают устойчивую упорядочен­ ную совокупность операций, основанную на разделении труда в управляющей системе.

Основоположником функционального подхода в управлении считается А. Файоль. Он вьщелил пять функций управления: пред­ видение, организация, распорядительская деятельность, коорди­ нация (согласование) и контроль. Одновременно А. Файоль раз­ делил все функции на шесть групп: производство, финансы, ох­ рана, учет, администрирование, техника безопасности. В настоя­ щее время к основным функциям управления относят:

•сбор данных;

•формирование сообщения;

•передачу данных по каналам связи;

•учет;

•контроль;

•анализ;

•прогнозирование;

•планирование;

•оперативное управление;

•организацию и координацию;

•доведение решений.

Для учета человеческого фактора в отдельную группу вьщеляют функции стимулирование и мотивация.

Рассмотрим определения и взаимосвязь основных функций в форме функциональной модели цикла управления (рис. 4.2).

Сбор данных - функция измерения характеристик y^, выпол­ няемая в объекте управления вручную или автоматически. Мо­ дели процессов измерения изучаются в метрологии.

Формирование сообщения (запроса) - преобразование инфор­ мации к виду, пригодному для передачи по каналам связи в уп-

равляющую систему и/или обработки в автоматизированном ре­ жиме. Модели функций формирования сообщений рассматрива­ ются в теории информации, теории баз данных.

Передача данных по каналам связи - осуществляется разными способами, в том числе с использованием средств автоматиза­ ции. Главными требованиями к передаче данных являются: сво­ евременность, достоверность и безопасность обмена информа­ цией. Модели функций передачи данных рассматриваются в тео­ рии информации.

Учет - система функций, обеспечивающих хранение инфор­ мации. Включает ввод-вывод, регистрацию, преобразование формы, поиск, отображение, тиражирование, классификацию, статистическую обработку, выборку, получение агрегирован­ ных данных, обеспечение конфиденциальности и целостности информации. Модели функций учета изучаются в теории баз данных.

Контроль - система функций, обеспечивающих определение состояния ОУ (измерение, сбор, уточнение данных об объекте управления) и оценку степени отклонения текущего состояния от требуемого по заданным критериям эффективности (оценку со­ ответствия состояния системы требуемому).

С английского языка control переводится как управление и часто термин «контроль» используется вместо термина «управ­ ление». Это объясняется тем, что все функции управления вклю­ чают элементы контроля. Мы будем вьщелять эту функцию, так как для ее автоматизации требуется формальная постановка за­ дач наблюдения, классификации и идентификации состояния ОУ.

В зависимости от объекта контроля в эту функцию включа­ ют, например, измерение и оценку достоверности, точности, объе­ ма, своевременности представления данных, прохождения и ис­ полнения документов; рещение задач информационной безопас­ ности.

Различают три вида контроля: предварительный, текущий и заключительный.

Предварительный контроль проводится до начала цикла уп­ равления для оценки ресурсов ОУ и внешних воздействий.

Текущий, или оперативный, контроль осуществляется на про­ должении всего цикла управления в целях обнаружения отклоне­ ний от требуемого состояния.

Заключительный контроль предназначен для оценки степени достижения цели в конце цикла управления.

Функция анализа в общем случае зависит от его цели. Мы бу­ дем понимать под этой функцией средство, обеспечивающее объяснение причин отклонений состояния системы от требуемо­ го и обоснование решения на переход к оперативному управле­ нию или планированию. Например, пусть объект управления ха­ рактеризуется параметром у., который изменяется в пределах Д^,. Если в результате анализа выяснено, что Д>',.< Дд',д^^, где Д>',доп - допустимое отклонение, то в цикле управления осуществляется переход к оперативному управлению. Если Д^,> АД',доп> то осуще­ ствляется переход к функции планирования. Анализ часто в от­ дельную функцию не выделяется, а рассматривается совместно с контролем как составная часть других функций управления.

Функция прогнозирования - это средство снятия неопределен­ ности относительно возможной структуры, свойств или закона функционирования системы в будущем. Типичными целями про­ гнозирования могут служить:

•замедление процесса «старения» принимаемых рещений и предупреждение неблагоприятных ситуаций, в которых может оказаться организационно-техническая система. Решение по уп­ равлению, основанное на правильном прогнозе, не потребуется изменять в ближайшем будущем, т.е. один вопрос не потребуется решать дважды;

•повышение производительности системы с управлением, адаптация к изменяющимся условиям (предсказание ветвлений в суперскалярных микропроцессорах ЭВМ, предсказание будущих значений сигнала в системах связи).

Во всех случаях прогноз - это научно обоснованное суждение о возможных состояниях системы в будущем и/или об альтерна­ тивных путях и сроках достижения целевого состояния.

Прогноз позволяет получить совокупность возможных вари­ антов развития системы. Однако реализованные варианты зави­ сят не от прогноза, а всегда определяются конкретными решени­ ями, принимаемыми в системе управления, и имеющимися ресур­ сами. Так, оптимистический прогноз может не состояться, если ЛПР не предпринимает мер по его реализации. В свою очередь, правильные решения могут смягчить последствия пессимистиче­ ского прогноза.

Прогнозы могут быть разделены на группы по периодам уп­ реждения и по методам прогнозирования.

По периодам упреждения - промежутку времени, на который рассчитан прогноз, различают оперативные (текущие), кратко-, средне- и долгосрочные прогнозы. Оперативный прогноз, как правило, рассчитан на период времени, в течение которого объект управления существенно не изменяется, краткосрочный - на пер­ спективу количественных изменений. Среднесрочный прогноз охватывает период времени, когда количественные изменения преобладают над качественными, долгосрочный - перспективу качественных изменений системы.

Функция планирования состоит в последовательном снятии неопределенности относительно требуемой структуры, свойств, закона функционирования системы или внешней среды. Включа­ ет задачу принятия решений по целеполаганию (ЗПР^) и задачу принятия решения по действиям (ЗПР^) - совокупность проце­ дур по определению требуемого (целевого, оптимального) состо­ яния системы и действий по достижению этого состояния, объе­ диненных в единый процесс. Осуществляется при изменении ус­ ловий функционирования ОУ: целей планирования, воздействий внешней среды, препятствующих оперативному управлению,

идр.

Втерминологии менеджмента ЗПР^ называют стратегическим или перспективным планированием, а ЗПРд - тактическим или текущим планированием.

На стадии стратегического планирования рассматривается необходимость и возможность изменения структуры, свойств или закона функционирования системы.

Тактическое планирование заключается в принятии решения по выбору траектории перевода системы в новое состояние. При этом определяются действия ОУ, порядок использования ресур­ сов, решается задача оптимизации с учетом предполагаемых воз­ действий внешней среды. Детально прорабатываются средства и способы достижения целей, использования ресурсов, необходи­ мые процедуры и технология. Характеристики системы считаются заданными и учитываются как ограничения.

Точную границу между стратегическим и тактическим пла­ нированием провести трудно. Обычно стратегическое планиро­ вание охватывает в несколько раз больший промежуток време-

ни, чем тактическое; оно имеет гораздо более отдаленные послед­ ствия, шире влияет на функционирование управляемой системы в целом и использует более мощные ресурсы.

Оперативное управление обеспечивает функционирование си­ стемы в рамках действующего плана. Заключается в решении за­ дач стабилизации, слежения или выполнения программы управ­ ления. Иногда в эту функцию включают задачу оптимизации. Планирование и оперативное управление являются задачами со­ держательной обработки информации.

Математические модели функций содержательной обработ­ ки информации разрабатываются с использованием теории при­ нятия решений. Решения, принятые при планировании или опе­ ративном управлении, учитываются в блоке учета и доводятся до объекта управления. После этого начинается новый цикл уп­ равления, в котором текущее состояние объекта управления срав­ нивается с требуемым, и в зависимости от величины отклонений управляемых характеристик д^y^ от допустимых отклонений Aj^^^^^j осуществляется переход к оперативному управлению или плани­ рованию.

Функция организации заключается в установлении постоянных и временных связей между всеми элементами системы, в опреде­ лении порядка и условий их функционирования, в объединении компонентов и ресурсов системы таким образом, чтобы обеспе­ чить эффективное достижение намеченных целей.

Функция организации выполняет:

•группировку функциональных элементов и ресурсов в орга­ низационные структуры;

•распределение степени ответственности ЛПР в иерархии подсистем управления.

Функция координации - это согласование действий подсистем в соответствии с целями системы с управлением и поддержание этого согласования на протяжении цикла управления. Наличие нескольких ОУ и подсистем управления приводит к противоре­ чию между их частными целями. Это, в свою очередь, приводит к разобщенности действий. Устранение этих противоречий - основ­ ная задача координации. Функцию координации иногда рассмат­ ривают совместно с организацией в рамках задач оперативного управления или планирования.

Модели координации и организации разрабатываются в об­ щей теории систем, в теории принятия решений, на основе тео­ рии расписаний, в частности, с использованием методов сетево­ го планирования и управления.

4.2.2. МОДЕЛЬ ОБЩЕЙ ЗАДАЧИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ

Процесс принятия решений как функции преобразования со­ держания информации формализуется в терминах теории приня­ тия решений. Центральными понятиями в теории принятия ре­ шений являются:

П- универсальное множество вариантов, альтернатив, планов, из которых осуществляется выбор;

X- предъявление, множество альтернатив, предъявленных для выбора (Х с Q );

осуществляется выбор наилучшей альтернативы, У = С(Х). Функция выбора может задаваться поэлементно или в виде графика какой-либо зависимости, или как целостное мно­ жество, удовлетворяющее некоторым условиям.

Часто в задачах принятия решений используют понятие ме­ ханизма выбора

М = <8, я >.

Здесь 8 - совокупность сведений, позволяющая сопоставлять варианты или группы вариантов. Представляет собой структуру на множестве альтернатив. Задается в виде бинарных отношений, например, сходства, превосходства, несравнимости, отношений предпочтения, графа и другими способами;

л - правило выбора. Это инструкция, указывающая, как, ис­ пользуя структуру 8, вьщелить из X подмножество У.

В зависимости от степени формализации введенных понятий различают три типа задач принятия решений (табл. 4.1).

1. Задача оптимального выбора. Множество альтернатив {И} однозначно определено и принцип выбора С строго формализо­ ван. Для решения таких задач используются, например, аналити­ ческие методы, методы исследования операций, специальные ме­ тоды оптимального выбора. Примером задач данного вида яв­ ляются многокритериальные задачи оптимального управления.

Получаемые решения не зависят от субъективных мнений ЛПР, являются наилучшими из возможных для заданных усло­ вий, поэтому и называются оптимальными. Однако при измене­ нии условий решение становится неоптимальным. Это ограни­ чивает возможности приведения реальных задач к данному виду, поскольку учесть все факторы, влияющие на решение, в рамках данной задачи невозможно.

Так, первоначально при развитии ЭВМ прилагались значи­ тельные усилия для решения задач в экономике методами опти­ мизации. Однако более чем 30-летний опыт показал, что полу­ ченные результаты достаточно скромны. Эти методы, как прави­ ло, используются в технических системах, например в системах связи, реализующих оптимальный прием, оптимальное кодиро­ вание, оптимальное управление системой автоматической под­ стройки фазы, частоты сигналов.

2. Задача выбора. Множество альтернатив {Q} однозначно определено, но принцип выбора С не может быть формализован. В этом случае выбор зависит от того, кто и на какой основе его делает. При решении таких задач обычно используются имита­ ционное моделирование, методы экспертных оценок, теория по-

лезности. Получаемые решения не могут считаться оптимальны­ ми. Но они признаются рациональными.

3. Общая задача принятия решений (ОЗПР). Множество аль­ тернатив {Q} может дополняться и видоизменяться, а принцип выбора С не формализован. В этом случае даже один и тот же человек может изменять свое решение при обнаружении новой альтернативы.

Такие задачи наиболее характерны для решения проблем в сложных системах. При этом под общей задачей принятия реше­ ния понимают ситуацию, когда требуется вначале сформировать множество альтернатив, затем из множества альтернативных ре­ шений выделить некоторое подмножество, в частном случае - одну альтернативу. Выбор альтернатив производится на основе представления ЛПР об их качестве, для чего требуется сформу­ лировать принцип выбора.

Формально модель ОЗПР можно представить в следующем виде:

ОЗПР: <Г . /з„/зых . ^реш . ^'С>'

где Т ~ цель принятия решения (например, выбор альтернативы или упорядочение множества альтернатив);

/g^ - исходные данные для порождения альтернатив;

^вых ~ множество порожденных альтернатив, I ^ - выбранная альтернатива;

Р- правило порождения альтернатив;

С- правило выбора наилучшей альтернативы.

Исходные данные для порождения альтернатив и множество порожденных альтернатив для ОЗПР могут включать детерми­ нированную, вероятностную и неопределенную информацию.

Правила порождения и выбора альтернатив могут быть пред­ ставлены в форме аналитических, логических, эвристических ре­ шающих правил, в том числе как скалярные, векторные, состав­ ные критерии.

Графически структура ОЗПР представляется в виде последо­ вательности правил порождения и выбора альтернатив, обеспе­ чивающих преобразование исходных данных в решение (рис. 4.3).

ОЗПР относятся к слабоструктурированным задачам. В на­ стоящее время для их решения интенсивно создаются методы об­ работки знаний (логико-лингвистического моделирования) в рам-

Рис. 4.3. Структура общей задачи принятия решений

ках новой научной дисциплины - инженерии знаний. Такие ме­ тоды обеспечивают преобразование данных и вывод допустимых решений как в аналитической форме, так и в форме выражений естественного языка. При этом используются все известные тео­ ретические модели представления: Z^^, 1^^^^, I ^ Р, С, а также неформализуемый опыт специалистов-практиков.

4.2.3. МОДЕЛЬ ФУНКЦИИ КОНТРОЛЯ

Задача контроля объекта управления включает решение трех частных задач: задачи наблюдения, классификации и идентифи­ кации (распознавания образов).

Решение задачи наблюдения заключается в отыскании тако­ го отображения

g-':Y-^Z,

которое каждой наблюдаемой реализации выходных характери­ стик Y ставит в однозначное соответствие внутреннее состояние ОУ Z. Это означает, что для контроля требуется обеспечить по­ тенциальную наблюдаемость внутренних состояний ОУ по вне­ шним признакам.

Решение задачи классификации состоит в отьюкании такого отображения

if-.Y^E,

которое обеспечивает разбиение всего множества возможных реализаций выходных характеристик Y на ограниченное число классов Е, обладающих теми или иными общими свойствами (ви­ дов агрегированных состояний ОУ). Определенные заранее та-