Специальные главы информатики и вычислительной техники. Учебник

Система – организованная целостность селективно избранных компонентов, взаимодействие и взаимосвязь которых в процессе управления обеспечивает достижение поставленных целей в условиях противодействия среды.

С учетом этого определения оценим, на какие классы можно разделить технические, организационные и управленческо-хо- зяйственные системы, которые объединены по общим признакам наличия технических средств, систем передачи информации, лица, обеспечивающего решения (ЛОР), ЛПР. Под организационной системой будем понимать группу людей, обладающих совокупностью средств, методов, ресурсов и ориентированных на достижение фиксированной цели в рамках созданной структуры. Под управленческо-хозяйственной системой будем понимать совокупность организационных и технических систем, призванную изменять объем и состав общественных потребностей. Всю номенклатуру систем этого класса можно разделить на три группы: простые, сложные и большие системы.

Простые системы (simple system). Простой системой является такая техническая система, в которой, несмотря на любое количество элементов, отказ одного из них приводит к прекращению функционирования всей системы. Подобный класс систем представляет чисто теоретический интерес. К нему относятся простейшие сигнализаторы и бытовые приборы первых поколений.

Сложные системы (complex system). К этому классу относится все многообразие технических систем без учета наличия в них человеческого звена. Система становится сложной, как только она приобретает дополнительные свойства за счет иерархической структуры, многоканальности и многофункциональности, наличия обратных связей, разного вида избыточности.

Большие системы (large system). Большая система – это такая техническая, организационная или управленческо-хозяй- ственная система, в которой объединены сложная система и человеческое звено в виде оператора, диспетчера, ЛОР, ЛПР и т.д. При этом система приобретает дополнительные качества, так как кроме оценки коэффициентов значимости человека надо вводить характеристику, учитывающую психофизиологические реакции человека, обоснованность и своевременность его решений. К этому классу систем относятся системы АСНИ (автоматизиро-

При этом не только появляются новые системные свойства, но могут исчезнуть отдельные свойства компонентов, наблюдавшиеся до включения в систему. Интегративность также устанавливает связи между внутренними параметрами системы и ее поведением

EC = EC (A,S,D,T,F),

где А – свойства компонентов системы; S – структура системы;

D – внутреннее системное время; Т – текущее реальное время;

F – способ функционирования.

2.  Единство противоположностей компонентов. В качестве компонентов могут выступать элементы, функциональные ячейки, устройства, представляющие иерархию структуры, а также процессы или отношения, характеризующие природу компонентов. Компоненты, несовместимые с системой, отторгаются системой. Функционирование компонентов является основой существования системы. По своему назначению компоненты могут быть основными, обеспечивающими и служащими для связи и управления. В целом относительно самостоятельные компоненты разной физической природы создают целостность системы.

3.  Структура. Устанавливает внутреннюю организацию и способы взаимосвязи и взаимодействия компонентов.

4.  Системное время. Подчеркивает, что поведение системы обязательно должно рассматриваться в динамике, т.е. развиваться во времени и пространстве, включая все значимые этапы в процессе функционирования системы, такие как зарождение, становление, развитие, регресс и гибель.

5.  Функционирование. Направлено на достижение поставленных целей, является источником развития системы. Для его описания надо задать наборы компонентов и функций. Б.С. Флейшман отмечает следующие принципы усложняющегося процесса функционирования:

а)  вещественно-энергетический баланс (соблюдение законов сохранения);

б)  гомеостазис (греч. homeo stasis – подобный неподвижному) введен как термин физиологом Л. Кенноном. Он обладает рядом особенностей:

––каждый механизм приспособлен к своей цели;

––целью его является поддержание значений основных переменных внутри заданных границ (регулирование освещенности в помещении, содержание глюкозы в крови, устойчивое

иоптимальное функционирование экономической системы

визменяющейся социальной среде и т.п.);

––в основе гомеостазиса лежит механизм обратных связей (пример – регулятор Уатта);

в)  самоорганизация на основе выбора и коррекции; г)  преадаптация, т.е. приспособление к возможным и

предвидимым изменениям в условиях функционирования системы;

д)  рефлексия – это вид функционирования, когда происходит взаимодействие искусственного и естественного интеллектов и осуществляется бесконечная цепочка взаимосвязанных рассуждений или взаимодействий.

6.  Целесообразность. Она определяет смысл создания системы, состоящий в выполнении поставленной перед ней цели. Сложные и большие системы, как правило, являются многоцелевыми, причем цели под воздействием внешних условий могут изменяться. Цель является одним из главных системных факторов и определяет локальные цели компонентов.

7.  Коммуникационность. Она определяет связи системы с внешней средой, что является необходимым условием существования системы. Содержанием коммуникаций является обмен со средой материей, энергией и информацией.

8.  Внутренние противоречия. Позволяют прогнозировать развитие компонентов системы, связей между ними и их функций и являются источником движения и развития системы.

9.  Внешние противоречия. Включают взаимоотношения между системой и средой и формируют саму систему, ее цели и функции.

10.  Способность к управлению и самоуправлению. Это свойство достаточно подробно рассмотрено в разделе  1.

2.5.2.  Принципы системного подхода

Число однотипных систем управления по мере реализации системных концепций убывает, а сложность возрастает. На рис.  2.5 показана тенденция, характерная для развития современных систем, в частности АСУ.

С

N

Рис.  2.5. Влияние степени интеграции на развитие АСУ: С – стоимость; N – степень интеграции

Можно отметить, что с возрастанием сложности одновременно возрастает и эмергентность систем. Кроме того, появление информационных технологий внесло коррективы в системные принципы. Поэтому целесообразно рассмотреть основные принципы системного подхода с учетом высказанных соображений.

1.  Принцип целеобусловленности. Цель первична. Для ее реализации создается система в терминах подраздела  2.4. Для проектирования системы и решения задач анализа и синтеза необходимо определить более общее формирование (надсистему), куда проектируемая система будет входить как компонент. Глобальная цель позволяет сформулировать ряд локальных целей, решение каждой из которых приведет к выполнению главной цели. Процесс формирования локальных целей трудно формализуем, так как могут существовать различные множества потенциальных локальных целей, приводящих к выполнению глобальной цели. Задачей проектирования является сужение круга возможных локальных целей и установление на усеченном множестве отношений порядка (асимметричности, транзитивности, рефлексивности). При задании ряда глобальных целей должен быть задействован принцип разумного компромисса.

При изменении цели структура или принцип функционирования в большинстве случаев претерпевают существенные изменения. Для того чтобы отслеживать выполнение цели в процессе функционирования, необходимо выполнение двух условий:

1)  цель должна быть задана количественно измеримыми параметрами;

2)  должен существовать механизм достижения цели, позволяющий учитывать, сопоставлять, анализировать информацию о параметрах системы и вырабатывать управляющие сигналы.

2.  Принцип относительности. Одна и та же совокупность компонентов может рассматриваться самостоятельно, либо как управляемая часть подсистемы, либо как управляющая для подсистем.

Из этого принципа следует, что проектируемая система не может рассматриваться изолированно. Цель является внешней категорией по отношению к системе и формируется надсистемой. В этом принципе прослеживается известная идея замены типовых элементов. Действительно, анализ какого-либо элемента невозможен без установления его связей с надсистемой и подсистемами. В результате этого анализа определяется структура, которая представляет собой иерархию, т.е. многоуровневую структуру. Такая структура присуща сложным системам, а иерархическая упорядоченность по уровням координации позволяет ввести такие понятия, как важность и приоритет.

3.  Принцип управляемости. Создаваемая система должна быть способной изменять свою фазовую траекторию под воздействием сигналов управления.

Цели и структура системы не могут быть жестко детерминированы, изменение внешних условий заставляет систему динамично их отслеживать, что и делает данный принцип весьма важным для проектирования систем. При этом возникает необходимость создания в системе модулей управляемых контуров, представляющих собой механизмы управления в виде управляющих и управляемых частей, соединенных прямыми и обратными связями.

На рис.  2.6 приведена структура модуля управляемого контура.

Иерархия времени ПС

У НС

Иерархия подчиненности

Рис.  2.6. Структура модуля управляемого контура: ОС – обратная связь; ПС – прямая связь; У – управляющая часть надсистемы (НС); у – управляемая часть исследуемой

системы (ИС)

Смещение вниз (рис.  2.6) по вертикали характеризует иерархию подчиненности; смещение вправо по горизонтали представляет иерархию по времени. Другими словами, любые действия с ИС возможны, когда ей будет поставлена цель надсистемой. Параметры цели передаются по прямой связи, а по линии обратной связи передается информация о выполнении цели. В связи с принципом относительности входные и выходные сигналы не показаны, так как при сдвиге иерархии система может стать управляющей или управляемой, а направление входов/выходов поменяет знак. Исходя из сказанного, проектируемая система должна быть представлена иерархией управляемых контуров, что приводит к следующему принципу.

4.  Принцип связанности. Исследуемая система должна быть управляемой по отношению к надсистеме и управляющей по отношению к подсистемам.

Принцип связанности заставляет определить для любой большой системы механизм связанности надсистемы, исследуемой системы и подсистем, связанных прямыми и обратными связями в единичный контур управления. Исследуемая система руководствуется внешними критериями, задаваемыми надсистемой, и формирует выходные критерии для подсистем. Исследуемая система при распределении заданных для нее ресурсов решает прямую задачу оптимизации, а именно стремится оптимизировать стратегию выполнения заданных внешних критериев.

5.  Принцип моделируемости. Исследуемая система должна содержать механизм прогнозирования ее поведения во времени, позволяющий оптимизировать ее фазовую траекторию.

Таким механизмом являются математические модели, позволяющие либо непосредственно оценить ситуацию, либо использовать машинную имитацию.

6.  Принцип симбиозности. Исследуемая система должна строиться с учетом объединения в контуре управления естественного и искусственного интеллектов.

Человек воспринимается как звено системы управления. Человек создает концепцию системы, ее модель, анализирует их качество, принимает решения. Применение информационных технологий в процессе исследования и проектирования изменило роль искусственного интеллекта, поскольку часто возникают ситуации, когда человек превращается в управляемое звено, принимая и перерабатывая решения, выданные искусственным интеллектом в процессе управления. Последовательная смена приоритетов человека и ЭВМ в процессе управления характерна для современного этапа использования информационных технологий. Очевидно, такая связь интеллектов должна поддерживаться специальными языками общения человека и ЭВМ.

7.  Принцип оперативности. Реакция на изменение параметров функционирования должна происходить своевременно, т.е. в реальном масштабе времени.

Естественно, значимость рассогласования во времени изменения сигнала и реакции на это изменение неравноценна на разных этапах функционирования системы. Так, при посадке самолета время рассогласования недопустимо, а при полете с помощью автопилота это время может быть достаточно большим. Поэтому в системе должен присутствовать механизм регулирования работы в реальном масштабе времени, сочетающий оперативность информации в виде образов, кодов и точность информации в виде буквенно-цифровых таблиц. Ряд авторов в качестве принципов системного подхода приводят закон необходимого разнообразия. У. Эшби или принцип внешнего дополнения С. Бира. Часто этот принцип именуется законом адекватности «системы управления и управляемого объекта», утверждающего, что для описания

«размытых» объектов нужно применять столь же «размытый» математический язык, или неоптимальность детального описания «размытых» объектов. Закон У. Эшби обосновывает оправданность использования иерархического языка с управляемой степенью адекватности описания систем, в частности развивающихся систем, в которых происходят необратимые и закономерные изменения их состояний, определяющие направленность развития систем. Подобные системы должны обладать свойствами самоорганизации и интеллектом, реализующим управление нужного качества при всем разнообразии «жизни» объекта, сводящихся к изменениям внешней среды (например, нарушения нормальной реакции горного массива на технологические воздействия) и внутренней среды (отказы датчиков, каналов связи, действие помех и пр.). По нашему мнению, указанные принципы У. Эшби и С. Бира рассматривают более тонкие моменты проектирования и должны использоваться при специальных рассмотрениях. Для проектирования современных АСУ вполне достаточно семи указанных принципов.

2.6.  Современные тенденции и проблемы формирования новых информационных технологий

Такие научные направления, как компьютерное проектирование и моделирование, системный анализ, принятие решений в условиях неопределенности не мыслятся сегодня без развития и использования методов теории информации. В работах [6, 10, 17, 20] обоснована принципиальная возможность применения к синтезу алгоритмов, приборов систем управления, автоматизированных систем разного назначения, измерительных систем информационных критериев, например минимума потерь информации, минимума ожидаемой информации на выходе и т.п. При проектировании приборов, ИУ, информационных систем управления, представляющих собой устройства, передающие информацию (сигнал) из одной точки в другую, важно найти алгоритмы, процедуры выбора их параметров, при которых распределение ошибок между элементами системы обеспечило бы заданную динамическую точность