Анализ децентрализованных систем управления

13 февраля 1922г. в Москве состоялось первое публичное выступление Персимфанса – Первого симфонического ансамбля Моссовета. Это выступление стало настоящей сенсацией для всех профессионалов и любителей музыки. Дело в том, что Персимфанс исполнял музыку без дирижера. Причем исполнялись такие серьезные музыкальные вещи, как Третья (Героическая) симфония Бетховена и его же концерт для скрипки с оркестром. И звучали они настолько слаженно и артистично, что профессионалы уходили после концерта в полном недоумении. Все привыкли к тому, что лишь дирижер, реализующий на языке кибернетики устройство управления оркестром, способен заставить слаженно звучать огромный оркестр. Именно поэтому обычно музыканты сидят так, чтобы видеть дирижера и следовать его указаниям.

Персимфанс реализовал децентрализованный способ управления вместо централизованного. Музыканты оркестра сидели совсем иначе, чем обычно. Струнные сидели, образуя полный круг (частично спиной к зрителям), а духовые располагались в середине этого круга. Каждый музыкант видел каждого, ибо в Персимфансе каждый слушал каждого и всех, а все слушали каждого.

Взаимодействуя непосредственно друг с другом, музыканты легко обходились без дирижера. Оркестр успешно выступал в течение десяти лет.

Подобная ситуация, когда сложный процесс реализуется не за счет централизованных, а за счет децентрализованных (локальных взаимодействий), широко распространен в природе и в человеческом обществе.

По мере развития системы, роста ее сложности и размеров, централизованное управление становится все менее эффективным и приходится переходить к децентрализованным в той или иной степени системам. Этот переход является закономерным порождением эволюции (развития) как естественных, так и искусственных систем.

Рассмотрим классификацию децентрализованных систем управления на основе использования трех характеристик I, R, Q.

Здесь:

I – это информация о состояния объекта управления, о внешней среде и состоянии управляющей системы и о действиях других подсистем.

R – средства, с помощью которых достигается цель, иначе - это способы действий.

Q – критерий, характеризующий эффективность достижения цели (интересы системы).

Будем считать, что децентрализованные системы управления состоят из однотипных подсистем. Если какие либо характеристики I, R, Q у подсистем не совпадают, то будем обозначать такие характеристики звездочкой.

В зависимости от совпадения тех или иных характеристик ниже приводятся восемь различных структур децентрализованных систем управления и соответственно восемь примеров подсистем, одна из которых является биологической, а остальные представляют собой творение человеческих рук и человеческого ума.

1. Характеристики подсистем ( I, R, Q )

Все три характеристики у полсистем совпадают. Пример: пчелиный улей. Когда наступает похолодание, оно грозит гибелью расплоду. Рабочие пчелы собираются плотной массой в районе расплода. Поскольку пчелы обладают способностью повышать температуру своего тела на 10^ºС относительно температуры воздуха, то они спасают расплод от холода. При повышении температуры воздуха выше допустимой, рабочие пчелы покрывают ячейки с расплодом тонкой водяной пленкой и начинают махать крыльями, исполняя роль вентилятора. Т.о. пчелы исполняют роль системы управления температурой в улье. Если в технических системах управления температурой (холодильник, АГВ и т.п.) имеется единственная система управления, то в улье система управления температурой реализуется множеством пчел (подсистем), каждая их которых действует индивидуально. Каждая пчела своими органами чувств ощущает критическую температуру, т.е. каждое тело имеет полную информацию о состоянии улья, поэтому характеристика I у всех пчел одинакова. Пчелы действуют одинаковым способом, поэтому характеристика R у всех пчел одинакова. Пчелы руководствуются одним и тем же локальным критерием Q, соответствующим цели управления – приведению температуры около расплода в допустимый интервал. Локальные критерии каждой пчелы совпадают с глобальной целью управления, поэтому никакие действия по согласованию интересов не осуществляются. Т.о. все три характеристики у всех подсистем одинаковы. Подобные системы относятся к простейшим децентрализованным системам управления.

2. Характеристики подсистем ( I, R*, Q ).

Не совпадают способы действий, система со специализацией по средствам.

Пример: пожарная команда.

Все пожарные имеют одинаковую глобальную цель – потушить пожар. Исходная информация также одинакова. Однако средства, которыми они действуют различны – одни пытаются сбить пламя, другие – топорами и баграми взламывают крышу, под которой находится очаг пожара.

3. Характеристики подсистем ( I*, R, Q ).

Отсутствует или является неполной информация о состоянии и действии других подсистем.

Пример: рыночная система купли-продажи.

Будем считать, что покупатели образуют объект управления, а продавцы – управляющую систему, глобальная цель которой продать весь, имеющийся у продавцов товар. Глобальная цель разлагается на локальные цели отдельных продавцов – продать тот товар, который они привезли на рынок (Q).

Каждый продавец действует автономно. Продавцы действуют одинаково – при отказе очередного покупателя от покупки по запрашиваемой цене, он снижает цену на основании закона изменения цен. Поскольку способы действий одинаковы, имеем R без звездочки. Информация (I*) о состоянии и действиях других продавцов является неполной или вовсе отсутствует. Информация поступает косвенным образом, через некоторую среду, в виде множества покупателей и других продавцов. Эта среда подает продавцу сигналы о необходимости снижения или повышения цен. В такой децентрализованной системе управления происходит установление равновесной цены.

4. Характеристики подсистем ( I, R, Q* ).

Не совпадают критерии (интересы).

Пример: радио-такси.

Предполагается, что средства (автомобили) одинаковы (имеем R без звездочки). Диспетчер предлагает один и тот же заказ (имеем I без звездочки). Принимает заказ один из таксистов в силу того, что критерии различны (т.е. Q*). Отличие критериев может объясняться отличием в расстоянии до места нахождения клиента.

5. Характеристики подсистем ( I*, R*, Q ).

Различны средства (R) и информация (I).

Пример: городской транспорт.

В такой системе имеет место естественная декомпозиция систем управления на подсистемы по видам транспорта (троллейбус, трамвай, автобус, метро и т.п.). В каждой подсистеме имеется свой вид средств (R*). Информация также различна (I*), т.к. различны цены, маршруты и т.д. Критерий (Q) одинаков – максимизация количества перевозимых пассажиров.

6. Характеристики подсистем ( I*, R, Q* ).

Различны информация и критерии.

Пример: телефонная сеть (мобильная связь).

В телефонной компании средства – телефоны – одинаковы, поэтому имеем R без звездочки. Условия оплаты у компаний различны и общеизвестны, т.е. имеем I*. Каждая компания преследует собственные цели, поэтому критерии получения собственной прибыли различны, т.е. имеем Q*.

7. Характеристики подсистем ( I, R*, Q* ).

Различны средства и критерии.

Пример: театральный спектакль.

В ходе спектакля должны согласовано работать такие автономные подсистемы как подсистема музыкального сопровождения, звукорежиссуры, освещения и т.п. Каждая из них имеет свои средства (R*) и критерии (Q*), согласованные с глобальной целью максимизации эстетического наслаждения, которое испытывают зрители. Информация о ходе спектакля у всех одинакова – имеем I без звездочки.

8. Характеристики подсистем ( I*, R*, Q* ).

Различны все три показателя.

Пример: вспомогательные производства (цеха) завода (предприятия).

Если основное производство (главный конвейер) управляются жестко и централизованно, то вспомогательные цеха работают достаточно автономно и децентрализовано. Причем у каждого их цехов (литейного, механического и т.д.) своя информация, средства и критерии.