Этапы информационного обеспечения процесса управления

Этапы управления	Этапы информационного обеспечения
	Сбор ин­формации	Анализ и синтез	Выбор критериев, оценка альтерна­тив
Подготовка к принятию решения	Поиск и отбор ин­формации	Формули­рование за­дач, выде­ление путей решения	Формирование дерева целей объ­екта и субъекта управ­ления
Принятие решения	Оценка информа­ции и ее аналити­ческая об­работка	Формиро-ваниемно-жества аль­тернатив	Определение ог­раничений, выбор критериев, оценка альтернатив
Организация исполнения, контроль ре­зультатов	Поиск до­полни­тельной информа­ции и ее оценка	Создание моделей решения за­дач управ­ления	Оценка стратегий и условий реали­зации практиче­ских решений

СЛОЖНЫЕ СИСТЕМЫ

Показатели, характеризующие свойства сложных систем

Любую сложную систему мы будем рассматривать как со­вокупность объектов (элементов, подсистем и т. д.), предна­значенную для выполнения некоторого определенного вида ра­бот или решения достаточно четко очерченного класса задач. В соответствии с этим процесс функционирования сложной си­стемы представляется как совокупность действий ее элементов, подчиненных единой цели.

Имеет весьма существенное значение полнота и четкость описания цели функционирования сложной системы, перечня решаемых ею задач. Если цели и задачи системы определены, можно ставить вопрос об оценке качества ее функционирова­ния. Качество функционирования сложной системы будем оце­нивать при помощи показателей эффективности. Под показате­лем эффективности сложной системы будем понимать такую числовую характеристику системы, которая оценивает степень приспособленности системы к выполнению поставленных перед нею задач.

По существу выбор показателя эффективности является за­ключительной стадией формулировки целей и задач системы. В самом деле, без указания показателя эффективности форму­лировка целей и задач системы не приобретает необходимой четкости. Вместе с тем целесообразно подчеркнуть, что выбор показателя эффективности оказывает существенное влияние на интерпретацию свойств системы и результатов ее исследования. Поясним сказанное на следующем примере.

Рассмотрим некоторый производственный процесс как сложную систему. При описании целей и задач этой системы необходимо указать перечень изделий, для выпуска кото­рых она предназначена. Однако, если мы ограничимся только упомянутым перечнем, то не получим нужных сведений для обоснованной оценки качества ее функционирования. Действи­тельно, пусть показателем эффективности рассматриваемого производственного процесса служит производительность, изме­ряемая количеством изделий, выпускаемых в течение фиксиро­ванного интервала времени (за смену, неделю или месяц). Оце­нивая качество производственного процесса с. помощью этого критерия (например, при проектировании производственного процесса), мы будем придавать наиболее существенное значе­ние факторам, способствующим достижению максимальной производительности. При формальном подходе к делу, который для сложных систем по вполне объективным причинам может оказаться преобладающим, обеспечение максимальной произ­водительности неизбежно будет сочетаться с ухудшением других характеристик производственного процесса (экономии сырья, износа оборудования, расхода энергии, фонда зарплаты и т. д.).

Аналогичные рассуждения можно привести и для других по­казателей эффективности. Например, при использовании в ка­честве показателя эффективности величины себестоимости про­дукции такие факторы, как экономия сырья, износ оборудова­ния, расход энергии и фонда зарплаты, будут иметь большой вес, в то время как факторы, связанные с производительностью оборудования, отойдут на второй план.

Заметим, что для производственного процесса могут быть выбраны такие показатели эффективности, которые учитывают как себестоимость продукции, так и производительность обору­дования, например, величина прибыли, рентабельность.

Из рассмотренных примеров ясно, что только выбор пока­зателя эффективности делает описание целей и задач системы вполне законченным.

Расчет показателей эффективности для сложных систем представляет собой весьма сложную задачу, которая требует привлечения специальных математических методов и, как пра­вило, решается с помощью быстродействующих вычислитель­ных машин. Для того чтобы показатель эффективности доста­точно полно характеризовал качество работы системы, он дол­жен учитывать все основные особенности и свойства системы, а также условия ее функционирования и взаимодействия с внешней средой. Таким образом, показатель эффективности должен зависеть от структуры системы, значений се параметров, характера воздействия внешней среды, внешних и внутренних случайных факторов. Другими словами, показатель эффектив­ности определяется процессом функционирования системы. С этой точки зрения можно себе представить множество воз­можных процессов функционирования системы, элементы ко­торого отличаются друг от друга за счет различных условий и режимов работы системы. Каждому элементу этого множества можно поставить в соответствие элемент другого множества, а именно множества значений показателя эффективности си­стемы. Так как значения показателя представляют собой дей­ствительные числа, то можно говорить об отображении множе­ства процессов функционирования системы в множество дей­ствительных чисел, заключенных внутри некоторого интервала (в пределах изменения значений показателя эффективности). На основании сказанного показатель эффективности можно счи­тать функционалом *), заданным на множестве процессов функ­ционирования системы.

*) Функционалом называется оператор, заданный на некотором множе­стве функций (в некотором функциональном пространстве) п принимающий значения из области действительных чисел.

Изучение функционалов, характеризующих процессы функ­ционирования сложных систем, представляет собой важнейшее направление в теории сложных систем. Ниже мы познакомимся с многочисленными примерами такого рода функционалов.

В связи с тем, что сложные системы работают в условиях действия случайных факторов, значения функционалов оказы­ваются случайными величинами. Это создает известные неудоб­ства при использовании их в качестве показателей эффектив­ности. Поэтому при выборе показателей эффективности обычно пользуются средними значениями соответствующих функцио­налов. Примерами таких средних значений функционалов служат среднее количество изделий, выпускаемых за смену, средняя себестоимость продукции, средняя прибыль (для производственных процессов), средняя длительность поездки, сред­няя стоимость перевозки (для городского транспорта), среднее время ожидания в очереди (для систем массового обслужива­ния) и т. д.

Иногда в качестве показателей эффективности используются вероятности некоторых случайных событий, например, вероят­ность успешной посадки самолета (для системы слепой по­садки), вероятность застать абонентскую линию занятой (для системы телефонной связи), вероятность попасть в очередной автобус (для пассажира, находящегося в очереди) и т. д. На первый взгляд кажется, что мы встретились с принципиально новой ситуацией, когда элементам множества процессов функ­ционирования системы ставится в соответствие множество слу­чайных событий. Однако этот случай легко сводится к преды­дущему, если каждому событию поставить в соответствие функ­ционал, принимающий два значения: 1 (событие наступило) и О (событие не наступило). Тогда вероятность события будет равна среднему значению соответствующего функционала.

Мы рассмотрели некоторые функционалы, характеризующие процессы работы сложных систем, используемые в качестве по­казателей их эффективности. На этом пути могут быть по­строены (причем различными способами) совокупности функ­ционалов, характеризующие и другие свойства сложных систем: их надежность, помехозащищенность, качество управления и т. д.

Как показывает опыт исследования сложных систем, наи­большей наглядностью (с точки зрения интерпретации резуль­татов исследования) и стройностью при постановке задач отли­чаются совокупности функционалов, зависящие от показателей эффективности. В самом деле, в большинстве случаев, пред­ставляющих практический интерес, то или другое свойство си­стемы имеет значение не само по себе, а лишь как фактор, влияющий на ее эффективность.

Перейдем к рассмотрению такой совокупности функциона­лов. Начнем с построения показателя, характеризующего на­дежность сложной системы.

Современные сложные системы состоят из огромного числа элементов. Некоторые из них в процессе функционирования мо­гут выходить из строя, требуя замены или ремонта. Задача оценки надежности системы сводится к выяснению влияния от­казов элементов на качество работы системы.

Оценка надежности производится при помощи специально выбранных функционалов, называемых показателями надежно­сти системы.

Заметим, что на практике часто делаются попытки (как пра­вило, неудачные) использовать для оценки надежности слож­ных систем показатели, заимствованные из теории надежности «простых» систем. Такими показателями обычно служат «сред­нее время безотказной работы системы» (среднее время, в те­чение которого все элементы системы находятся в рабочем со­стоянии), «вероятность безотказной работы системы в течение заданного интервала времени» и некоторые другие [23, 29, 41]. Эти показатели учитывают лишь сам факт появления или от­сутствия отказов в элементах системы и не дают, вообще го­воря, никакого представления о влиянии отказов на конечный эффект функционирования системы.

Очевидно, что для многих сложных систем выход некоторых элементов из рабочего состояния не только не приводит к не­ожиданной потере работоспособности всей системой в целом, но иногда даже является заранее «планируемым» событием. К таким случаям относятся поломки автомобилей в городском транспорте, порывы отдельных линий в телефонной сети, от­казы отдельных каналов в многоканальных системах массового обслуживания и т. д. Здесь может идти речь не о полной потере работоспособности системы, а лишь о снижении качества ее работы, т. е. об изменении эффективности системы.

Постановка задачи об оценке надежности сложной системы сводится к следующему.

Предполагаются известными характеристики, описывающие интенсивность отказов элементов сложной системы: среднее ко­личество отказов за определенный интервал времени, закон рас­пределения промежутков времени между последовательными отказами и т. д. Эти характеристики определяются эксперимен­тально или другими методами оценки надежности «простых» систем.

Очевидно, что для расчета показателей надежности системы, помимо характеристик интенсивности отказов элементов, необ­ходимо также задать характеристики, описывающие затраты времени на восстановление их работоспособности — ремонт или замену.

Аналогично можно ввести показатели, характеризующие и другие свойства сложных систем. Обратимся к оценке помехо­защищенности системы.

Пусть по-прежнему функционал Ф является показателем эффективности сложной системы, и пусть его значение Ф* соответствует функционированию системы в условиях действия помех с заданными характеристиками, а значение Ф° относится к так называемым нормальным условиям, когда помехи отсут­ствуют.

Тогда в качестве показателя помехозащищенности системы можно выбрать абсолютную величину разности

дф = ф° — ф* /I in)

помех помех ' U-lW

показывающую, насколько изменяется эффективность системы под влиянием помех с заданными характеристиками.

Иногда пользуются также относительным показателем по­мехозащищенности, в качестве которого используется отношение величины АФ,_!иж._х к величине какой-нибудь характеристики помехи.

Некоторыми особенностями отличается оценка качества уп­равления в сложной системе. Пусть в данной сложной системе управление может быть организовано несколькими способами. Соответствующие варианты обозначим буквами А, В, С, ... Пусть функционал Ф является показателем эффективности си­стемы, а его значения Ф_д, Ф_в, Ф_с соответствуют указанным вариантам управления. Тогда абсолютная величина разности

Дф -w ₌ ф ф | (1.11)

мо.кст служить сравнительной оценкой вариантов управления А и Ь. Для того чтобы произвести абсолютную оценку качества управления (например, для варианта Л), необходимо знать идеальный вариант управления, при котором эффективность си­стемы оказывается наибольшей.

В общем случае идеальный вариант управления, а также соответствующее значение показателя эффективности оказы­ваются неизвестными. Для некоторых классов систем вели­чину Ф° иногда удается оценить косвенным путем, хотя при этом сам идеальный вариант управления остается неизвестным.

Очевидно, что показателем качества управления вида (1.11) можно пользоваться не только для сравнительной оценки ва­риантов управления в целом. С его помощью могут быть оце­нены и отдельные стороны управления: качество управляющих операторов или алгоритмов, полнота и точность осведомитель­ной информации, темп выдачи управляющей информации и т. д. Естественно, что эта оценка будет носить также сравнительный характер.

Сделаем одно замечание, относящееся к смыслу величины Ф°, фигурирующей в выражениях для функционалов, характе­ризующих различные свойства сложной системы. В некоторых случаях эта величина (единая для всех показателей) соответ­ствует особому идеальному варианту системы (идеальное уп­равление, абсолютная надежность, отсутствие помех и т. д.). В других случаях величина Ф° может выбираться для каждого показателя особо, например, рассматривается абсолютная на­дежность элементов системы, работающей в условиях действия помех, или идеальный вариант управления при условии, что элементы системы имеют реальную надежность, и т. д.

В заключение настоящего параграфа обратим внимание чи­тателя на проблему устойчивости сложной системы. Качество Функционирования системы естественно оценивать при помощи набора функционалов, являющихся показателями эффективно­сти, надежности, помехозащищенности и т. д., вычисленных для заданных условий функционирования. С этой точки зрения си­стема только тогда обладает требуемыми свойствами, когда упомянутые показатели находятся в заданных пределах. В дей­ствительности условия функционирования сложной системы не остаются постоянными. Они подвержены возмущениям различ­ной природы. Существенно знать, сохраняют ли при наличии возмущений показатели качества системы свои значения, а если нет, то каковы возможные отклонения.

Под устойчивостью функционирования сложной системы мы будем понимать способность системы сохранять требуемые свойства в условиях действия возмущений. Чтобы придать по­нятию устойчивости более точный смысл, необходимо конкретно выделить показатели, сохранения значений которых мы доби­ваемся, установить класс допустимых возмущений п способы их измерения, а также уточнить суть «сохранения требуемых свойств».

Для системы, устойчивой относительно функционала, харак­теризующего некоторое свойство, можно указать такие огра­ничения, налагаемые на возмущения, при которых данный функционал будет сохранять свое значение в некотором, вообще говоря, вероятностном смысле. В случае неустойчивой системы этого сделать нельзя. Более того, может оказаться, что для вы­бранного свойства системы нельзя подобрать ограничений на возмущения, обеспечивающих сохранение значений соответ­ствующего функционала. Другими словами, даже очень малые возмущения могут привести к существенным срывам, значи­тельно снижающим качество функционирования системы, вплоть до полной невозможности ее практического использования.

§ 1.4. Разработка сложных систем

Разработка современных сложных систем представляет со­бой многоэтапный процесс, характеризующийся специфиче­скими техническими и организационными мероприятиями. Ос­новными этапами создания сложной системы обычно являются:

1) формулирование требований к системе и обоснование технического задания на проектирование;

2) разработка технического проекта;

3) создание опытного образца;

4) испытания;

5) изготовление и ввод в эксплуатацию головного образца системы;

6) опытная эксплуатация и доработка головных образцов;

7) организация выпуска, монтаж, наладка и ввод в экс­плуатацию серийных образцов;

8) модернизация системы.

На каждом из перечисленных этапов возникают многочис­ленные вопросы, ответы на которые могут быть найдены только в результате исследования системы и внимательного изучения качественных и количественных данных, полученных при ис­следовании.

Применительно к объектам большой сложности приобре­тает особое значение первый этап. Поскольку разработчики си­стемы еще не определены, исследования по обоснованию тре­бований к системе организует заказчик силами подчиненных или привлекаемых со стороны научных учреждений. В резуль­тате этих исследований должны быть получены: 1) четкое оп­ределение целей создания системы и круга возлагаемых на нее задач; 2) перечень действующих на систему факторов, подле­жащих обязательному учету при проектировании, и их число­вые характеристики и 3) обоснование показателей эффектив­ности, надежности, помехозащищенности и т. д., по которым предполагается оценивать качество системы, и количественные требования к ним.

Перечисленные сведения оформляются в виде технического задания на проектирование, которое служит руководящим до­кументом на всех этапах создания системы. В качестве прило­жения к техническому заданию представляется отчет, с пример­ным названием «Обоснование технического задания», содержа­щий более полные сведения по анализу экспериментальных данных о действующих факторах, оценке возможных вариантов системы и ее основных элементов, экономическим расчетам, а также предложения по организации разработки и срокам вы­полнения работ. Отчет заканчивается построением сетевого гра­фика, освещающего последовательность этапов разработки и согласования их по времени, размерам капиталовложений, фон­дам на предметы материально-технического снабжения.

Заказчик, после обсуждения и соответствующей корректи­ровки технического задания, согласует его с головным разра­ботчиком и соисполнителями и представляет на утверждение в вышестоящие инстанции.

Головной разработчик, получивший утвержденное техниче­ское задание, приступает к проектированию системы. Проекти­рование сложных систем имеет две достаточно ярко выражен­ные стадии. Первая относится к функционально-структурным вопросам и может быть названа макропроектированием или внешним проектированием системы.

Внешнее проектирование охватывает выбор структуры си­стемы, основных ее элементов, организацию взаимодействия ме­жду элементами, учет воздействий внешней среды, оценку по­казателей эффективности и соответствия рассматриваемого ва­рианта системы общим требованиям технического задания.

Вторая стадия — микропроектирование или внутреннее про­ектирование — связана с проектированием элементов сложной системы как физических единиц оборудования. Микропроекти­рование включает технические решения по основным элемен­там системы, их конструкции и параметрам, режимам эксплуа­тации, а также по организации опытного и серийного произ­водства.

В настоящее время накоплен большой и полезный опыт микропроектирования и создания элементов оборудования. Внешнее проектирование является сравнительно новой зада­чей.

Первые работы по обобщению опыта макропроектирования и развитию соответствующей методики появились всего 20 лет назад. Они и положили начало системотехнике. Внешнее про­ектирование сложных систем предъявляет особые требования к специализации инженеров-проектировщиков. Здесь нужны в первую очередь специалисты широкого профиля. Инженер-си­стемотехник, кроме знания соответствующей области техники, должен иметь серьезную подготовку по автоматическому уп­равлению, комплексной автоматизации, вычислительной тех­нике, математическому моделированию, исследованию опера­ций и системному анализу. Он обязан владеть методами оценки эффективности, надежности, устойчивости и других свойств сложных систем.

В группу, занимающуюся внешним проектированием, од­нако, включаются и инженеры, знающие работу отдельных эле­ментов системы, а также экономисты, специалисты по инженер­ной психологии, организации труда, строительству, коммуналь­ному хозяйству и др.

Работа по внешнему проектированию начинается с изуче­ния технического задания и рассмотрения возможных вариантов построения системы. Следующим шагом является оценка ва­риантов и выбор одного из них для более детального исследо­вания. Выбранный вариант подвергается всестороннему анализу с целью проверки соответствия его требованиям технического задания. Для этого проводится оценка эффективности системы, а также оценка ее надежности, помехозащищенности, устойчи­вости и других основных свойств.

Типичным методом исследования сложных систем на этом этапе проектирования является моделирование их на ЭВМ. По­скольку представление об элементах системы еще весьма по­верхностное, в моделях они обычно заменяются упрощенными эквивалентными схемами. Тем не менее модель должна удовле­творять следующим требованиям: 1) хорошо отражать струк­туру системы и быть чувствительной к таким ее изменениям, которые обычно производятся в процессе внешнего проектирования; 2) отражать специфику функционирования элементов системы с учетом условий внешней среды; 3) содержать все параметры системы, определяемые в результате макропроекти­рования.

В результате моделирования получаются зависимости, ха­рактеризующие влияние структуры и параметров системы на ее эффективность, надежность и другие свойства. Эти зависи­мости используются для определения оптимальной структуры и оптимальных значений параметров с точки зрения выбранных показателей эффективности.

Нередко данные внешнего проектирования оформляются в виде эскизного проекта системы. Эскизный проект является лишь предварительной наметкой общих контуров системы и служит промежуточным звеном между разработкой техниче­ского задания и техническим проектом. Тем не менее эскизный проект должен содержать достаточные сведения о путях техни­ческой реализации элементов системы, режимах их эксплуата­ции, функциональном контроле, объеме оборудования. Эти све­дения могут быть получены не только расчетным путем или по результатам моделирования. В некоторых случаях создаются действующие макеты различных видов аппаратуры и оборудо­вания, позволяющие подтвердить реализуемость принципов, заложенных в эскизный проект, и оценить особенности функ­ционирования элементов системы. В эскизном проекте отра­жаются также экономические расчеты, порядок дальнейшей разработки системы и ее испытаний и ряд организационных вопросов.

По результатам эскизного проекта производится корректи­ровка или уточнение технического задания, решаются вопросы, связанные с изготовлением опытного образца системы, состав­ляются проектные задания на строительство и монтаж обору­дования.

Разработка технического проекта системы относится, глав­ным образом, к микропроектированию ее элементов и конкрет­ной реализации взаимодействия элементов в процессе функ­ционирования. Но и на стадии технического проекта могут возникать вопросы, связанные с пересмотром и уточнением ре­шений, полученных при внешнем проектировании. В частности, на практике встречаются случаи, когда требования, предъявляе­мые к некоторым элементам системы, приводят к невыгодным техническим или конструктивным решениям. Тогда приходится проводить корректировку структуры и основных параметров системы до получения приемлемых результатов.

Разработка современной сложной системы сопровождается различными автономными и комплексными испытаниями. Авто­номные испытания относятся к элементам системы и имеют целью проверку правильности функционирования оборудования и получение экспериментальных данных для оценки параметров и режимов эксплуатации. Комплексные испытания системы в целом (или ее представительного фрагмента) предназначаются для отработки взаимодействия между элементами и подсисте­мами на различных уровнях иерархии и проверки соответствия системы техническому заданию.

Подробное обследование элементов на стадии автономных испытаний позволяет освободить комплексные испытания от не­нужных деталей, а также сократить объем регистрируемой ин­формации. Существенное значение имеет распределение сил и средств, испытательных стендов и регистрирующей аппаратуры, средств обработки и передачи информации между различными видами испытательных мероприятий.

На стадии комплексных испытаний приходится регистриро­вать не только общесистемные параметры, но и некоторые па­раметры элементов системы. Это объясняется тем обстоятель­ством, что в процессе автономных испытаний, когда элементы системы функционируют изолированно друг от друга, условия испытаний отличаются от условий их работы в составе си­стемы.

Для испытаний сложных систем характерно широкое ис­пользование различных видов имитации воздействий внешней среды. Любое воздействие на систему приводит к возникнове­нию информации, которая становится составной частью потоков информации, циркулирующей в системе. Нередко информация, появляющаяся в результате воздействий, может быть заменена искусственной информацией, вырабатываемой при помощи спе­циальной имитирующей аппаратуры. Например, натурные ис­пытания системы управления полетами самолетов крупного аэродрома, с использованием большого числа самолетов, од­новременно находящихся в воздухе, оказывается дорогостоя­щим мероприятием. Проведение испытаний с малым числом самолетов искажает результаты, так как оно создает нереаль­ные условия функционирования системы. Существенная эконо­мия средств и времени, без искажения результатов, может быть достигнута в том случае, когда в натуре осуществляются по­леты некоторой малой группы самолетов, а полеты остальных самолетов имитируются на ЭВМ и соответствующая информа­ция вводится в каналы связи и вычислительные устройства. При этом создается нормальная загрузка всех трактов пере­дачи и переработки информации в требуемых режимах.

Материалы автономных и комплексных испытаний оформ­ляются в виде протоколов и служат основанием для принятия решений, связанных с дальнейшей разработкой и вводом в экс­плуатацию сложной системы.