Структура системы управления. Место и роль информации в этой структуре Именно то, как вы собираете, организуете и используете информацию, определяет, победите вы или проиграете.

Б. Гейтс

Феномен управления долгое время считался присущим исключительно сознательной деятельности человека. Успехи биологических наук, становление и развитие кибернетики как науки об управлении позволили в 50-90-е годы прошлого столетия существенно расширить наши знания о сфере распространенности управленческих процессов и подойти к более глубокому пониманию сущности этого понятия, выявить его связь с понятием "информация".

Остановимся на общей структуре систем управления, составе и функциях, схематически представив себе механизмы управления. Сразу оговоримся, что рассматриваемая далее структура представляет собой существенно упрощенную схематическую модель системы управления, на основе которой вводятся и объясняются базовые понятия теории управления. Предполагается, что читатель владеет в определенной степени математическим аппаратом на уровне понятий "функция", "параметр", "вектор", знаниями в области физики на уровне школьной программы, что, проявляя любознательность, он хотя бы иногда задумывался о том, почему утюг в процессе работы иногда "сам" выключается, а затем вновь включается, почему двери в супермаркетах автоматически открываются при приближении к ним человека, а затем также неожиданно сами закрываются, почему эти "противные" автомобили во дворах имеют свойство "визжать" среди ночи?!

Итак, что вкладывается в понятие "система управления"?

1. В рамках системного подхода к управлению система управления рассматривается как совокупность минимум двух подсистем: управляемой (объекта управления) и управляющей (рис. 2). Данное допущение, несмотря на всю кажущуюся простоту, не так очевидно для сложных и больших систем, какими, в частности, являются социальные и экономические системы. Попробуйте представить себе в таком виде предприятие, город, муниципальное образование… Деление на элементы технических систем вызывает обычно меньше сложностей. Например, обычная лампочка уличного освещения (управляемый объект) и выключатель (орган управления) в системе со светодиодом (управляющий орган) представляют собой классическую систему автоматического управления. При снижении уровня освещенности ниже определенного значения по сигналу со светодиода, чувствительного органа системы, отслеживающего состояние внешней среды, выключатель замыкает контакты и освещение включается. На этом принципе основано действие большинства систем управления бытовой техники, с которой мы имеем дело постоянно: утюги, электропечи, автоответчики…

2. Состояние объекта управления характеризуется совокупностью параметров (признаков), которые обозначим вектором Х(х₁, х₂, …х_n, t). Для предыдущего примера можно ограничиться одним параметром, принимающим два значения: включено, выключено. Параметры могут быть количественными, выраженными конкретными числовыми значениями, либо качественными, описательными, выражаемыми в качественных категориях лучше-хуже; больше-меньше… Конкретные значения параметров состояния объекта определяются с помощью специальных элементов системы управления – индикаторов состояния. В технических системах это различного рода измерительные приборы – датчики физических величин: температуры, давления, скорости, времени… В экономических системах – это количественные и качественные характеристики, выражающие наличие материальных и финансовых ресурсов, персонала, объемов производимой продукции, номенклатуры…

3. Управляемые объекты, как правило - системы открытые. Это означает, что рассматривать такую систему в отрыве от внешней среды, от факторов, оказывающих существенное влияние на состояние системы управления, нельзя. Именно внешние факторы выступают источником "возмущений", под действием которых система все время выводится из "равновесия" и должна изменяться и совершенствоваться, наилучшим образом приспосабливаясь, подстраиваясь к новым внешним условиям, и, тем самым, "обеспечивая" себе право на дальнейшее существование.

Состояние внешней среды, как и состояние управляемого объекта, характеризуется определенным набором параметров. Эти параметры можно включать в состав параметров состояния системы или выделять отдельно, что в общей постановке задачи не принципиально. В данной работе выделим их в самостоятельный вектор Y(y₁, y₂, …y_m, t), чтобы лишний раз подчеркнуть факт их существования и отличия от параметров состояния системы. На рис. 2 этот элемент обозначен стрелкой с надписью "Внешняя среда".

4. Система управления имеет в своем составе исполнительные "органы" – определенные элементы (механизмы) воздействия управляющей подсистемы на управляемую подсистему. Под воздействием управляющей подсистемы через органы управления (называемой прямой связью) управляемая подсистема изменяет свое состояние в соответствии с целью управления. В рассмотренном выше примере об уличном освещении таким органом управления является специальное электронно-механическое устройство – реле, которое замыкает или размыкает контакты электрической цепи в зависимости от поступающего сигнала от светодиода. Соответственно, освещение либо включается, либо выключается. На рис. 2 это воздействие обозначено стрелкой с надписью "управление".

5. Для определения формы и степени воздействия на управляемую систему управляющая система должна "знать" законы функционирования системы, на основе которых формируется управляющее воздействие, ее текущее и желаемое состояния и цель управления как функцию этих параметров. Правила выработки управляющего воздействия, обозначим их Z(z₁, z₂, …z_m, t), принято называть законом управления. Следовательно, система управления должна содержать "чувствительные" элементы (датчики), способные "измерить" параметры текущего состояния управляемой системы, на основе которых управляющая система сможет выработать конкретные управляющие воздействия. Светодиод – это и есть тот чувствительный элемент, который определяет состояние освещенности в примере с включением-выключением освещения. В теории управления определение состояния управляемой системы (измерение) и процесс передачи полученных данных субъекту управления называется обратной связью в противоположность прямому воздействию субъекта управления на объект управления, называемому прямой связью. Обратная связь носит ярко выраженный информационный характер, подтверждая, что информация является важнейшим элементом процесса управления, без которого последний в принципе невозможен. Нужно отметить, что информационные процессы как процессы сбора, хранения, обработки и передачи информации имеют место и во всех других подсистемах. В частности, воздействия внешней среды опосредовано носят информационный характер: ее факторы могут быть учтены и компенсированы управляющей системой лишь в том случае, если они выявлены, измерены (оценены количественно или качественно) и переданы в управляющую систему. Как известно, в наиболее распространенной трактовке информация – это сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые уменьшают степень неопределенности, неполноты знаний. Кибернетическое представление об информации напрямую связано с информационными процессами в самоуправляемых кибернетических системах.

6. Объект управления, рассматриваемый в свою очередь как система, имеет смысл только при наличии цели или совокупности целей функционирования, на достижение которых направлено управление. Степень достижения или не достижения цели определяется на основе вычисления или анализа некоторого интегрального, качественного или количественного показателя, зависящего от параметров состояния системы, внешних факторов и управления - целевой функции F(X, Y, Z).

Цели управления условно можно подразделить на два вида. В одном случае цель управления заключается в переводе системы из текущего состояния (начального) в желаемое состояние (конечное), например процесс приготовления кулинарного блюда определенного содержания и качества. В другом случае целью является сохранение определенных свойств системы во времени в условиях существенного влияния и воздействия на систему внешней среды, "пытающейся" вывести ее из "равновесия". Так, целью существования коммерческого предприятия может быть получение максимальной прибыли¹⁵, используемой для повышения благосостояния учредителей. С другой стороны, эта же цель может быть сформулирована как желание получать стабильную прибыль в долгосрочной перспективе, не обязательно максимальную в каждый рассматриваемый промежуток времени.

В сложных и больших системах, например, социально- экономических, проблема выявления, определения и постановки цели их существования и функционирования представляет собой достаточно трудную задачу. Даже само понятие "цель", несмотря на кажущуюся простоту, достаточно неопределенно. Так, для оценки эффективности развития территории и деятельности государственных и муниципальных органов власти все чаще в качестве такого показателя используется критерий качества жизни населения на управляемой территории¹⁶. Наряду с термином "цель" при анализе систем управления часто встречаются взаимосвязанные, но все же различные по смысловому содержанию термины, такие, как "видение", "миссия", "задача".

Чтобы убедиться в сказанном, попробуйте, например, определить цель существования своего города как объекта муниципального управления и городской власти, как управляющей системы в этой структуре.

Рис. 2 демонстрирует нам простейший замкнутый контур управления с обратной связью.

Для разнообразия рассмотрим пример того, как человек реагирует, прикасаясь рукой к горячему предмету? Вы скажете – отдернет руку. Но давайте внимательнее присмотримся к этому процессу. С точки зрения управления рука будет выступать в роли управляемой системы, а рецепторы, нервная система, головной мозг, мышцы – в роли управляющей. Из биологии известно, что вся поверхность тела, в том числе и кончики пальцев, содержат чувствительные элементы – рецепторы, которые реагируют на температурные воздействия среды через ощущения. Цель существования такой системы – самосохранение. Таким образом, на простейшем уровне наше поведение можно представить в виде такой последовательности кадров взаимодействия во времени, не претендующей на строгую научность: касание; "измерение" температуры поверхности с помощью рецепторов и передача этой информации в головной мозг; анализ полученных данных и определение наличия "угрозы" жизни; приведение в действие управляющих органов – мышц; перемещение руки. У внимательного читателя при рассмотрении данного примера возникнет много вопросов. Как, например, наш организм определяет, что горячо – это плохо для него? В какую сторону нужно отдергивать руку?

Единство механизмов управления в природе и обществе. Обобщенная модель структуры управления

Благо везде и повсюду зависит от соблюдения двух условий: правильного установления конечной цели; отыскания соответствующих средств, ведущих к цели.

Аристотель

Сегодня многие ученые сходятся в том, что механизмы управления в природе и обществе едины. В частности, исследования, проведенные в 50-60-е годы XX века в физиологии, позволили выявить большую аналогию между управлением и связью в живом организме и в информационно–технических устройствах.

По мнению Р.Ф. Абдеева¹⁷, механизм управления не дан нам изначально, а возник и развивался в ходе эволюции, переходя от низших форм к высшим (рис. 3), составляя основу процессов саморегуляции, саморазвития живой природы, общественных систем, экономики, процессов познания.

Необходимой предпосылкой его возникновения, считает он, явилось изначально простое физическое взаимодействие объектов и элементарные формы отражения как всеобщего свойства материи (этап 0, рис. 3a). Далее Абдеев выделяет три этапа в становлении и развитии механизма управления:

• 1-й этап (рис. 3b) характеризуется возникновением систем с простейшим замкнутым контуром управления с обратной связью, обеспечивающим жесткую реакцию на текущие внешние воздействия. В качестве цели выступает функция самосохранения системы. Такова реакция птицы на замах человека палкой;

• на 2-м этапе (рис. 3c) управляющая система в ответ на разнообразие внешних воздействий приобретает способность изменять характер управляющего воздействия на объект по жестко заданной программе, что значительно повышает "живучесть" системы. Так, в частности, можно объяснить поведение человека в критических ситуациях на основе заранее отработанных и доведенных до автоматизма действий;

• 3-й этап (рис. 3d) развития универсального механизма управления связан со становлением второго контура обратной связи и памяти, названного Р.Ф. Абдеевым "контуром отбора и накопления информации, опыта, контуром адаптации, самообучения и, следовательно, саморазвития". Сущность второго контура управления заключается в отборе "полезной" информации из первого контура управления, ее накоплении, обобщении, систематизации, синтезе в определенные структуры, повышающей уровень организации системы, ее активность и "живучесть". Такой механизм управления характерен для самоорганизующихся, сложных систем.

Для подтверждения факта использования "памяти" в механизме управления живых систем в литературе часто приводят известный из биологии факт, когда куколки некоторых насекомых, в клетках которых находится вода, остаются зимой на открытом воздухе при минусовой температуре и не погибают. Исследования этого явления показали, что с наступлением холодов в клетках образуется глицерин, снижающий температуру замерзания воды и, тем самым, предохраняющий куколку от гибели. Эта приспособительная функция появилась благодаря запоминанию реакций на прошлые воздействия внешнего мира ("приобретение опыта") в генетическом коде с последующим использованием ее в процессе жизнедеятельности этого вида.

На основе анализа Р.Ф. Абдеев сформулировал обобщенную модель структуры механизма управления, представленную на рис. 4.

Формирование механизма управления в основном завершается образованием II контура обратной связи (на рис. 3 показан пунктиром).

Как следует из рис. 4, процесс управления является циклическим. В каждом цикле его идет накопление информации, циркулирующей в первом контуре управления, ее упорядочение и структурирование для последующего анализа. В процессе многократных, раз за разом повторяющихся циклов управления, во втором контуре отбирается, "выкристаллизовывается" полезная информация о состоянии управляемого объекта, степени его реакции на управляющие воздействия и внешнюю среду, которая, складываясь в определенные структуры, превращается в гипотезы, теории, законы, совершенствующие механизм управления. Этот процесс направлен на достижение цели существования системы, повышения ее живучести и обеспечения целостности.

Т аким образом, механизм управления по Р.Ф. Абдееву – это "закономерно возникшая в процессе эволюции специфически организованная форма движения материи, заключающаяся в целенаправленном, многоцикличном преобразовании информации в двух взаимосвязанных, замкнутых обратными связями контурах и функционально реализующая как сохранение устойчивости управляемого объекта, системы (I контур обратной связи), так и развитие, дальнейшее повышение уровня ее организации (или создание новых структур) путем отбора и накопления информации (во II контуре обратной связи)".