1. Основные принципы управления сложными системами

1.1. Особенности системного подхода в вопросах управления

Для рассмотрения основных задач системного подхода введем определения и понятия, принятые в общей теории систем.

1. Система – это совокупность элементов, которые в свою очередь, при определенных условиях могут рассматриваться как системы, а сама исследуемая система – как один из элементов более широкой системы.

2. Для любых систем характерно наличие интегративных качеств (свойств). Интегративными называются качества, присущие системе в целом, но не свойственные ни одному из ее элементов в отдельности. Отсюда следует важный вывод: система не сводится к простой совокупности элементов. Расчленяя систему на отдельные части и изучая каждую из них в отдельности, нельзя познать все свойства системы в целом.

3. Для любых систем характерно наличие существенных связей между элементами, превосходящих по мощности (силе) связи этих элементов с элементами, не входящими в данную систему. Указанное свойство позволяет выделить систему в виде целостного объекта из окружающей среды.

Изучение любой системы предполагает создание модели системы, позволяющей предсказывать ее поведение в определенном диапазоне условий. Модель – описание системы, отображающее определенную группу ее свойств. Описание системы можно рассматривать с трех точек зрения: а) функциональной; б) морфологической; в) информационной.

Функциональное описание необходимо для того, чтобы осознать важность системы, определить ее место, оценить отношение к другим системам и к внешней среде. Для построения функционального описания системы вводятся понятия. Состояние – множество существенных свойств, которыми система обладает в данный момент времени. Внешняя среда множество элементов, которые не входят в систему, но изменение их состояния вызывает изменение состояния среды. Модель функционирования (поведения) системы – модель, предсказывающая изменение состояния системы во времени.

Морфологическое описание должно дать представление о строении системы. Глубина описания определяется назначением системы и целью исследования. Изучение морфологии начинается с элементарного состава. Под элементом в данном случае понимается подсистема, внутрь которой описание не проникает. Морфологические свойства системы существенно зависят от характера связей. Обычно выделяют: информационные, энергетические и вещественные связи. В результате морфологического описания возникает понятие структуры. Структура – совокупность элементов и связей между ними.

Информационное описание системы должно давать представление об организации системы. Оно определяет зависимость морфологических и функциональных свойств системы от качества и количества внутренней (о самой себе и среде) и внешней (поступающей из среды) информации.

1.2. Водохозяйственные системы

Отдельные элементы водного хозяйства естественного происхождения образуют разветвленные системы, а естественные связи между ними постоянно дополняются элементами и связями искусственного происхождения. Таким образом, водное хозяйство представляет собой наиболее типичный пример, когда для эффективного использования водных ресурсов необходимо разрабатывать разветвленную систему, включающую источники воды, потребителей и учитывающую другие факторы, воздействующие на водное хозяйство.

Для оптимального решения всех, порой противоречивых задач, связанных с водохозяйственными системами, необходим системный подход как метод комплексного рассмотрения всех внутренних и внешних зависимостей, использующий новые дисциплины теории систем и современную вычислительную технику.

Элементы водной системы могут быть как естественными (осадки, водотоки, озера, грунтовые воды и т.п.), так и искусственными (водохозяйственные объекты и установки, водохранилища, каналы, гидроэлектростанции и т.п.). Элементы могут иметь как прямые, так и опосредованные через другие элементы связи, материальные (например, подача воды) и нематериальные (например, организационные связи). Водохозяйственные системы в большинстве случаев являются «открытыми», т.е. элементы этих систем имеют связи друг с другом и внешней средой.

Если часть элементов в системе имеет между собой более тесные связи, чем с остальными элементами той же системы, то внутри ее образуется достаточно самостоятельная система, которую можно назвать подсистемой. Взаимосвязи между элементами и подсистемами водохозяйственных систем могут быть территориальными, гидрологическими, техническими, экономическими и т.п. Таким образом, целевая водохозяйственная система представляет собой комплекс материальных элементов, целей и функциональных связей. В соответствии с их назначением водохозяйственные системы могут быть гидромелиоративными, гидроэнергетическими и навигационными, могут предназначаться для водоснабжения, разведения рыбы, а также быть одно- и многоцелевыми.

Одноцелевая водохозяйственная система включает в себя множество элементов, функции которых подчинены достижению одной цели (например, система гидроэлектростанций, комплекс сооружений для защиты от наводнений и т.п.). Цель, для которой предназначена такая система, задается с самого начала разработки проекта, часто в виде определенных технических параметров (например, расход воды, мощность энергоустановки и т.п.).

Многоцелевые водохозяйственные системы состоят из множества элементов и предназначены для различных целей. Основная задача при их расчете заключается в поиске такой комбинации этих элементов и их свойств, которая явилась бы оптимальной. Поскольку отдельные цели могут быть взаимоисключающими, поиск оптимального решения является сложной задачей. Задача существенно упрощается, если одну из целей (например, снабжение водой) выбрать в качестве основной. Тогда можно будет исследовать многоцелевую систему как одноцелевую и рассматривать остальные цели как ограничительные условия.

Многоцелевые водохозяйственные системы имеют все признаки сложных систем:

• большая протяженность с большим числом подсистем и элементов, входов и выходов, а также функциональных связей;

• изменение одной величины влечет за собой изменение целого ряда связанных с ней переменных величин;

• динамичность, т.е. зависимость параметров системы от времени (например, изменение гидрогеологических условий);

• входные гидрогеологические данные и нагрузки в системе имеют случайный характер (расход, потребление и качество воды точно не установлены; процессы, происходящие в системе, являются случайными и характеристики системы имеют в лучшем случае статистический характер);

• требования к функциям многоцелевых водохозяйственных систем являются взаимоисключающими (повышение потребления воды для одной цели вызывает сокращение потребления для других нужд);

• при управлении и реализации функций многоцелевых водохозяйственных систем используют большое количество оборудования и вычислительной техники;

• функции таких систем не могут быть выражены лишь в технических или экономических параметрах; т.к. данные системы являются существенной частью среды обитания необходимо применение экологических показателей.

При решении задач, связанных с водохозяйственными системами, возможны следующие варианты:

• водохозяйственная система существует и необходимо оптимизировать ее функции путем изменения условий эксплуатации;

• водохозяйственная система существует и необходимо ее дополнить с тем, чтобы она выполняла свои функции более качественно или же выполняла и некоторые другие функции;

• водохозяйственная система не существует и необходимо спроектировать и внедрить ее; при этом возможно введение в новую систему некоторых уже существующих элементов.