Часть I

ИЕРАРХИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Глава 1

ПРИМЕРЫ

Многоуровневые иерархические системы до сих пор еще не являлись объектом математических теорий или хотя бы подробного теоретического изучения. Это, однако, не означает, что ученые и философы не интересовались «иерархическим порядком» или не сознавали его важности; предмет этот достаточно много обсуждал­ся. Тем не менее можно утверждать, что имевшие место обсужде­ния этих проблем не были направлены на создание теоретиче­ских основ, а тем более математического формализма для исследо­вания иерархических явлений и не привели к их созданию. В результате среди исследователей-теоретиков до сих пор отсут­ствует единое мнение относительно сущности иерархических си­стем. Можно даже сказать, что важность и широкая распростра­ненность многоуровневых систем еще не достаточно хорошо осоз­наны.

В данной главе мы постараемся в самой сжатой форме описать некоторые из существующих многоуровневых систем, примени­тельно к которым была разработана излагаемая в этой книге теория.

Основное назначение приводимых ниже примеров — возбудить интерес читателя, показав, насколько широко в действительности распространены многоуровневые системы. Точнее говоря, мы при­водим многочисленные примеры из различных областей, отобран­ные с таким расчетом, чтобы облегчить понимание вводимых далее понятий и используемого на протяжении всей книги математиче­ского формализма.

Читатель, не интересующийся описанием существующих систем, но чувствующий необходимость создания теории многоуровневых систем и проявляющий интерес к теории как таковой, может начать чтение непосредственно с гл. 2 или 3.

Для читателя же, интересующегося только проблемой коор­динации, достаточно будет ознакомиться с ч. II, обращаясь, в случае необходимости, к гл. 4 части I.

На этом мы закончим наши вступительные замечания и при­ступим к качественному рассмотрению различных иерархических систем.

1. Иерархические системы в крупных автоматизированных промышленных комплексах

Ниже приводятся три примера, взятые из сталелитейной, нефтехимической и энергетической отраслей промышленности. Чтобы избежать трудностей, связанных со специфическими осо­бенностями той или иной отрасли, мы, как правило, будем описы­вать гипотетические случаи, синтезированные на основании опи­санных в технической литературе реальных данных.

Сталелитейная промышленность

Уже довольно давно стало очевидно, что для повышения экономичности производства стали необходима более полная автоматизация производственных процессов. Перечислим причины, ускорившие внедрение интегрированных систем управ­ления сталелитейными комплексами на базе ЭВМ.

1. Размер, сложность, разнообразие. На большом сталелитей­ном заводе «может одновременно храниться, готовиться к обработке и перерабатываться 500 000 и более тонн материалов, над которыми производятся сотни операций» [1]. Обработка информации, контроль и управление, осуществляемые в настоящее время руко­водством предприятий, административными работниками и опера­торами, требуют поистине колоссального труда. Поэтому исполь­зование специального оборудования (например, ЭВМ), облегчаю­щего этот труд и повышающего его производительность за счет более эффективной обработки информации и рационализации про­цесса принятия решений, представляется весьма привлекатель­ным.

2. Широкий спектр времени отклика в системе. Сталелитейный завод, рассматриваемый как динамическая система, подвергается внешним воздействиям с очень широким спектром частот; работа всего завода обычно строго регламентируется недельным планом, составляемым на несколько недель вперед. В то же время прокат­ный стан работает со скоростью до 1200 м/с, так что «на учете каждая секунда» [1]. Однако в такой системе неизбежно возникают расхождения между заранее составленным планом и его фактическим выполнением. Легко видеть, что отсутствие координации мо­жет в такой ситуации привести либо к частичным срывам выполне­ния заказов (из-за недопустимых отклонений параметров от задан­ных значений), либо к чрезмерному увеличению складских запа­сов.

3. 

   Возрастающие требования к рентабельности. Фактор из­держек производства стали приобретает все большее значение как в связи с увеличивающейся конкуренцией, так и в связи с возраста­ющими потребностями в продукции высокого качества с минималь­ными допусками. Доходы сталелитейной промышленности, а также отношение количества гото­вой стали к количеству исход­ного сырья неуклонно уменьша­ются, как хорошо видно из фиг. 1.1 [2]. Именно для решения этих проблем обычно и используется автоматизация.

Автоматизация в сталелитейной промышленности основана на принципе объединения всех функций обработки информации и управления в единой системе, охватывающей все эта­пы от получения заказов до уп­равления скоростью подачи и температурой. В результате возникает неразрывная связь между планированием выпуска про­дукции и непосредственным управлением производственными операциями в цехах — весьма желательная ситуация как для технологов, так и для руководства.

Обобщенная блок-схема функциональных задач, решаемых в процессе управления сталелитейным заводом, представлена на фиг. 1.2 в виде многоуровневой системы с иерархией организационного типа. Полная задача управления заводом определяется с помощью трех страт, так что вся система представляет собой стратифицированную систему (в соответствии с определением, данным этому термину в гл. 2). Система состоит из большого числа блоков и должна выполнять много задач (на одном подобном пред­приятии предполагалось использовать 9 ЭВМ [3]). Мы здесь, однако, опишем только ее основные функции.

С общесистемной точки зрения рассматриваемая система дол­жна выполнять следующие три основные функции: а) планирование производства, б) составление рабочих заданий и координация работ и в) управление технологическими процессами. Эти функ­ции составляют основу для иерархической организации под­систем.

Блок управления высшего уровня принимает заказы, а затем группирует и распределяет их так, чтобы повысить рентабельность производства в пределах ограничений, накладываемых сроками поставок; на выходе этого уровня получается недельный план. Он составляется на несколько недель вперед и в последнюю мину­ту корректируется на основании информации, поступающей по каналам обратной связи, о фактическом выполнении производ­ственных планов за истекший период.

Недельный план поступает на вход блоков управления более низкого (среднего) уровня, которые разбивают его на частные

задания по отдельным технологическим процессам. Они сравнива­ют фактические показатели с плановыми; они получают данные об объеме производства и качестве продукции и могут потребовать полного изменения графика работы всего завода, если это необ­ходимо. Их основная функция — координирование. Так как про­изводство непрерывно (а в некоторых подсистемах скорости его весьма велики!), то работа отдельных подсистем должна непрерыв­но координироваться из единого центра, для того чтобы избежать возникновения узких мест, которые замедляют темпы производства или вызывают непроизводительные расходы. Рассмотрение именно этих процессов, управление которыми требует хорошо развитых методов координации, и привело к созданию концепций и теории, изложенных в гл. 2 этой книги.

Блоки управления нижнего уровня управляют самими техно­логическими процессами; они осуществляют функции контроля и управления физическим процессом производства продукции отдельными подэлементами, входящими в комплекс. На этом уровне производится оптимизация некоторых подпроцессов (с точки зрения минимизации стоимости продукции); осущест­вляется текущий контроль за ходом физических процессов, про изводится прямое цифровое управление процессами и т. д. К этому уровню также относятся входные и выходные устройства, измери­тельные приборы и средства индикации.

К этому краткому описанию следует добавить ряд замечаний.

1. Каждый из уровней, показанных на фиг. 1.2, может содер­жать ряд подуровней; «трехуровневая» структура соответствует первому дополнительному расчленению, или «вертикальной де­композиции», всей задачи.

2. Система в своих действиях обладает значительной автоно­мией. Сообщалось, например, что подобная система может прини­мать решения по таким вопросам: когда следует заказать допол­нительное количество стали в связи с возрастанием брака; не находится ли в переработке излишнее количество материала и если да, то можно ли использовать его для выполнения других зака­зов [3]. Весь завод действует как адаптивная система с автомати­чески меняющимся производственным графиком и может даже отвергнуть некоторые заявки, если их выполнение потребовало бы нежелательной перестройки всего хода производственного процесса.