Исследование систем управления (учебник)

8279

Системное исследование должно начинаться с методологии исследования (рис. 4.2, блок 1), которая включает цели исследования, объект и его границы, основные принципы и подходы к исследованию, а также его концепцию, т.е. комплекс ключевых положений, определяющих общую направленность, структуру и последующие методики исследования.

На основе концепции формируется предварительное описание объекта исследования (блок 2), которое должно включать: характеристику основных элементов, связей объекта и его среды, системные измерения, системные аспекты. Это - первоначальная (концептуальная) модель системы, которая является основой последующих этапов исследования. Чаще всего, это вербальное или слабоструктуризованное описание, которое требует дальнейшей структуризации (декомпозиции) (блок 3). При этом должны быть определены принципы структуризации. Структуризация может осуществляться различным образом

В итоге процесса декомпозиции и анализа мы получаем описательную (дескриптивную) модель системы (блок 4). Полученная модель представляет собой детализированное описание системы. Целью такого описания является снижение неопределенности сложной системы, замена ее “меньшими неопределенностями” и формирование требований к системе (ее совершенствованию). Однако в итоге процесса декомпозиции уменьшается целостное представление об объекте. Поэтому анализ системы предполагает осуществления процесса синтеза. Синтез также должен предусматривать определенную концепцию и методологию (блок 5). Если основой анализа при системных исследованиях является декомпозиция, то основой синтеза – обратный процесс – обобщение, агрегирование, которое также может осуществляться различными способами (блок 6).

Результатом синтеза является обобщенная модель системы (блок 7). При этом если в анализе доминирует описательный (дескриптивный) подход, то в синтезе большее значение имеет нормативный подход, позволяющий ответить на вопрос: “какой должна быть система”.

На рис. 4.2. представлена общая схема. На практике подобное представление не означает, что синтез всегда строго следует после завершения анализа. Эти процессы могут идти последовательно, например, для отдельных составляющих системы. Например, проведя анализ одной подсистемы, мы не переходим сразу к следующей, а определенным образом обобщаем полученную информацию и лишь затем начинаем анализ следующей подсистемы.

4.3. Декомпозиционные методы системного исследования

-понятие декомпозиции;

-«дерево целей»;

-принципы построения «дерева целей»;

-основания декомпозиции;

-общая процедура построения «дерева целей»;

-методы программно-целевого планирования и управления.

Важнейшим подходом, позволяющим исследовать сложные проблемы, яв-

830

ляются методы декомпозиции. Декомпозиция – это представление системы в виде совокупности подсистем (или элементов), называемой декомпозиционным множеством. Декомпозиция и выявление структурных уровней или иерархической структуры широко используется в настоящее время во всех областях науки, где изучение различных вопросов связано с необходимостью управления сложными динамическими системами.

Декомпозиция основана на иерархии. В общем случае термин (греч.) иерархия означает соподчиненность. Первоначально он применялся для характеристики взаимоотношений в аппарате управления государством, армией и т.п.; порядок подчинения низших по должности и чину лиц высшим, а затем понятие иерархии было распространено на любой согласованный по подчиненности порядок объектов. К таким объектам относятся структурные элементы системы: иерархические структуры представляют собой декомпозицию системы в пространстве. Возможна декомпозиция процессов в системе во времени, следствием чего является их представление в виде сети. Объектом декомпозиции в организации также является декомпозиция целей системы, возникающих проблем и задач, необходимых для их решения, функций управления, стратегий. Иными словами, большинство аспектов функционирования организации могут быть подвергнуты декомпозиции.

Потребность в представлении систем для исследований с разной степенью детальности обусловлена причинами как научного (исследовательского), так и организационного характера. В первом случае для изучения объекта (например, исходной цели) оказывается необходимым ее деление на составляющие части так, чтобы стало возможным более подробное непосредственное изучение каждой из них. Во втором случае деление исследуемого объекта необходимо ввиду его интегрированности, когда оно может быть осуществлено усилиями различных блоков системы.

Суть общей задачи декомпозиции (структуризации) состоит в делении целого на части по определенным правилам. Одним из таких правил является то условие, что цель более высокого уровня иерархии (исходная или генеральная цель) может быть достигнута только через достижение детализирующих (обеспечивающих) ее подцелей. Структура целей формируется в виде упорядоченной иерархии («дерева») целей, выражающей их соподчинение и внутренние взаимосвязи. Таким образом, основная задача структуризации целей – последовательное развертывание исходной цели на множество обеспечивающих ее подцелей и задач для формирования детального и полного информационного представления о процессе достижения исходной цели.

«Дерево целей» является традиционным методом декомпозиции. Идея данного метода впервые была при разработке методики ПАТТЕРН. Затем эта идея была реализована У. Черчменом в промышленности. Термин «дерево» подразумевает использование иерархической структуры, полученной путем разделения общей цели на подцели, а их, в свою очередь, на более детальные составляющие, которые можно называть подцелями нижележащих уровней.

Как правило, термин «дерево целей» используется для иерархических

841

структур, имеющих отношения строго древовидного порядка, но сам метод иногда применяется и в случае «слабых» иерархий (см. рис. 4.2 а) и б)).

Данный метод используется для структуризации различных элементов организации. Например, его применяют для выявления и уточнения стратегий и функций управления. При структуризации проблем формируют «дерево проблемы»; при структуризации результатов деятельности – «дерево результатов». Древовидные структуры могут применяться и для исследования факторов внешней среды организации.

Метод «дерева целей» ориентирован на получение полной и относительно устойчивой структуры целей, проблем, направлений, т. е. такой структуры, которая на протяжении какого-то периода времени мало изменялась при неизбежных изменениях, происходящих в любой развивающейся системе.

При построении дерева целей (ДЦ) необходимо учитывать ряд правил

(принципов):

соподчиненность – элементы ДЦ нижнего уровня обусловлены элементами более высокого уровня и обеспечивают их реализацию;

независимость – каждая обеспечивающая цель, детализирующая исходную, должна быть независимой в смысле существования и быть необходимой для достижения исходной;

сопоставимость – на каждом уровне детализации рассматриваются элементы, сопоставимые с точки зрения их содержания и влияния на элементы более высокого уровня. Это позволяет оценить степень их влияния в количественном выражении;

полнота – выполнение всех обеспечивающих целей должно быть достаточным для достижения исходной цели;

правило перехода – переход от исходной цели ко множеству обеспечивающих ее достижение подцелей осуществляется на основе некоторого правила, обосновывающего необходимость перехода к следующему уровню детализации;

конечность процесса – результатом процесса должно быть конечное дерево; иначе, процесс структуризации должен заканчиваться за конечное чис-

ло шагов.

Основная проблема декомпозиции – необходимость компромисса между полнотой «дерева» (проблема должна быть рассмотрена всесторонне) и простотой (дерево должно быть обозримым «вширь» и «вглубь» и приемлемым для реальной работы). Это достигается с помощью следующих правил:

852

существенности (в модель включаются только компоненты, существенные для целей анализа);

элементарности (доведение декомпозиции до простого, понятного, реализуемого результата);

постепенной детализации модели;

итеративности (возможности введения новых элементов в основания декомпозиции и ее продолжение по ним на разных ветвях дерева). Возможны различные основания декомпозиции (т.е. признаки деления):

декомпозиция целей;

функциональная декомпозиция;

структурная декомпозиция (декомпозиция по подсистемам);

декомпозиция по структуре проблемы;

декомпозиция по типам ресурсов системы (по входам);

декомпозиция по результатам (выходам);

декомпозиция по источникам воздействия на систему (основным компонентам среды);

декомпозиция по видам деятельности;

декомпозиция по процессу (по стадиям смены состояний системы);

декомпозиция по этапам жизненного цикла (системы, проблемы, продукта и т. д.).

Обычно декомпозиция осуществляется по нескольким основаниям. Порядок их выбора зависит от целей исследования, особенностей проблемы и системы, а также предпочтений системного аналитика.

В основу построения ДЦ могут быть положены два основных подхода:

1 – «чисто целевой», когда элементы дерева разбиваются на элементы той же природы: исходная цель - подцели второго уровня - подцели третьего уровня и т.д.

2 - «ресурсный» – по схеме: цели - средства их достижения - требуемые ресурсы. Здесь на каждом уровне включаются элементы, последовательно конкретизирующие направления и содержание работ по достижению целей, представленных на высших уровнях. Это дает возможность сопоставить требуемые ресурсы с имеющимися, уточнить саму структуру ДЦ, сделать его осуществимым на практике. Путем сопоставления ресурсов проводится окончательный отбор элементов уровней, предшествующих ресурсным. Если поставленные цели не могут быть полностью достигнуты из-за ограниченности ресурсов, то следует уточнить эти цели и пути их достижения.

Глубина детализации элементов ДЦ определяется, главным образом, целями исследования.

Основные этапы построения дерева целей

Возможны различные подходы к построению ДЦ. Мы приводим наиболее общую схему построения дерева. Она включает следующие основные этапы.

863

1.Формулирование генеральной (исходной) цели, т.е. некоторого желаемого состояния системы.

2.Формирование перечня обеспечивающих подцелей. Осуществляется на основе анализа исходной проблемы, а также экспертным путем.

3.Упорядочение целей, т.е. построение ДЦ. Также осуществляется экспертным путем. При этом должны быть учтены сформулированные выше правила построения.

4.Определение критериев оценки целей. Критерии – это стандарты, с помощью которых производится оценка элементов данного уровня. Количество и содержание критериев зависит от специфики проблемы. Например, в качестве критериев оценки могут выступать – минимум затрат, вероятность и время реализации целей, максимум прибыли и т.п. Целесообразно установление целевых нормативов – количественных и качественных показателей реализации соответствующей подцели. Такие нормативы могут выступать в качестве критериев оценки для определения «вклада» подцелей в реализацию генеральной цели.

5.Установление коэффициентов относительной важности элементов уровней ДЦ на основе сформулированных критериев. При этом должен быть определен «вклад» элементов дерева в реализацию генеральной цели с точки зрения выбранного критерия. Это позволяет определить приоритеты в очередности достижения тех или иных целей; приоритеты в распределении материальных, трудовых и финансовых ресурсов для их достижения.

Если ДЦ строится на основе «чисто целевого» подхода, то на этом этапе процедура завершается. Ее результатом является структуризация генеральной цели и характеристики (количественные и качественные) составляющих ее подцелей. Однако, как правило, процесс на этом не заканчивается. В последнем случае далее осуществляются следующие шаги

6.Разработка комплекса мероприятий, обеспечивающих достижение поставленных целей. Эта разработка представляет собой поиск возможных путей достижения целей. Наличие альтернативных вариантов достижения той или иной цели обусловливает многовариантность мероприятий. Для выбора наиболее целесообразных из них должны быть определены критерии выбора.

7.Формирование критериев выбора мероприятий. В качестве критериев выбора могут выступать: минимальные затраты труда, минимальное время достижения цели, минимальные затраты ресурсов, эффективность мероприятий, их реализуемость и т.д.

8.Выбор оптимальных мероприятий на основе заданных критериев. Выбор может осуществляться как на основе экспертных оценок, так и на основе применения формальных методов и экономико-математических моделей.

9Определение состава и объемов ресурсов для реализации выбранных мероприятий.

Такова общая схема процедуры формирования ДЦ.

Построение ДЦ – процедура, основанная на широком привлечении экспертов. Использование экспертных оценок позволяет компенсировать недостаток или отсутствие статистической информации при изучении сложных систем и

874

слабо структуризованных проблем. С помощью экспертов получают само дерево целей, а также коэффициенты относительной важности элементов разного уровня.

Построение ДЦ позволяет:

1.получить развернутое представление о целях системы и их взаимо-

связях;

2.получить представление о направлениях и объемах работ, требуемых для достижения целей;

3.получить количественные оценки относительной важности целей и, следовательно, определить приоритеты достижения тех или иных целей во времени, а также получить приоритеты распределения материальных, финансовых и трудовых ресурсов, необходимых для достижения целей.

Процедура построения ДЦ лежит в основе методов программно-целевого планирования и управления, в которых цели планов увязываются с ресурса-

ми с помощью программ. Эти методы используются, главным образом, для долгосрочного планирования сложных задач различных уровней управления – общехозяйственных, региональных, отраслевых. Применяются данные методы и для конкретных организаций. На основе разработки ДЦ выявляются ключевые проблемы (цели), требующие решения. Для достижения важнейших (генеральных) целей средства их достижения конкретизируются в комплексных программах, которые становятся ядром перспективных планов. Разработка целевых комплексных программ осуществляется по наиболее важным научнотехническим, экономическим и социальным проблемам. На рис. 4.3. приведена декомпозиционная схема разработки целевой комплексной программы.

Приведенная общая схема построения дерева целей не дает конкретного руководства для декомпозиции, поэтому в течение многих лет, начиная с возникновения самой идеи, предлагаются различные методики декомпозиции.

научно-технических разработок

IV уровень: отдельные аспекты

885

V уровень: мероприятия

VI уровень: ресурсы

Рис. 4.3. Схема разработки целевой комплексной программы.

Первой методикой системного анализа, в которой были определены порядок, методы формирования и оценки приоритетов элементов структур целей (названных в методике "деревьями целей"), была методика ПАТТЕРН (PATTERN - Planning Assistance Through Technical Evaluation from Relevant Number)' , разработанная корпорацией RAND. Основной целью методики была разработка программы военного развития США в долгосрочной перспективе. Перед разработчиками методики ПАТТЕРН была поставлена задача - связать воедино военные и научные планы правительства США. В качестве основы для формирования и оценки "дерева целей" разрабатывались "сценарий" (нормативный прогноз) и прогноз развития науки и техники (изыскательский прогноз).

Существуют попытки регламентировать процесс декомпозиции, предложить некоторый общий алгоритм. В то же время, процедура декомпозиции – творческий процесс и строго регламентировать его невозможно. Разрабатываемые методики могут лишь помочь в обосновании собственной структуры «дерева целей», предложить некоторые его образцы.

4.4.Морфологический метод системного анализа

-идея морфологического анализа;

-процедура морфологического анализа;

-«морфологический ящик»;

-морфологические карты.

Термином «морфология» в биологии и языкознании определяется учение о внутренней структуре исследуемых систем (организмов, языков) или сама внутренняя структура этих систем. Идея морфологического опроса мышления восходит к Аристотелю и Платону. Однако в систематизированном виде методы морфологического анализа сложных проблем были разработаны швейцарским астрономом Ф. Цвикки, и долгое время морфологический подход к исследованию и проектированию сложных систем был известен под названием метода Цвикки.

Основная идея морфологического подхода — систематически находить наибольшее число, а в пределе — все возможные варианты решения поставленной проблемы или реализации системы путем комбинирования основных

896

(выделенных исследователем) структурных элементов системы или их признаков. При этом система или проблема может разбиваться на части разными способами и рассматриваться в различных аспектах. Иначе, морфологический анализ – это систематическое выведение всех возможных решений из структуры поставленной проблемы.

Отправными точками морфологического исследования Ф. Цвикки считал: а) равный интерес ко всем объектам морфологического моделирования; б) ликвидацию всех ограничений и оценок до тех пор, пока не будет получена полная структура исследуемой области; в) максимально точную формулировку поставленной проблемы.

Кроме этих общих положений, Ф. Цвикки предложил ряд отдельных способов (методов) морфологического моделирования. Наибольшую известность получил метод «морфологического ящика».

Идея морфологического ящика состоит в определении всех возможных параметров, от которых может зависеть решение проблемы, и представления их в виде матриц-строк, а затем в определении в этой морфологической матрице- «ящике» всех возможных сочетаний параметров по одному из каждой строки. Полученные варианты решений подвергаются оценке и анализу с целью выбора наилучшего.

Построение и исследование морфологического ящика согласно Ф. Цвикки проводится в пять этапов.

1)точная формулировка поставленной проблемы;

2)определение параметров (классификационных признаков) Pi, от которых зависит решение проблемы (процедура анализа может быть итеративной с уточнением или изменением набора Pi по мере уточнения представлений об исследуемом объекте или процессе принятия решения);

3)деление параметров Pi на их значения (свойства – независимые и неприводимые) piki (формирование классификаторов по выбранным признакам) и

представление их в виде матриц-строк; Эти матрицы-стороки могут быть представлены в следующем виде :

p11 , p11 ,............. p1k1

p21 , p21 ,............. p2k2

pn1 , pn1 ,............. pnkn

Если использовать эту систему матриц-строк для построения n-мерного пространства, то мы получим морфологический ящик. Набор значений (по одному из каждой строки) различных параметров представляет собой возможный вариант решения исследуемой проблемы («морфологическую цепочку»), на-

пример, вариант - p12 , p21 ,........... pn2 . Общее число вариантов, содержащихся в

9087

морфологическом ящике, равно R=k1 x k2 x .....х kn, где ki (i = 1,2, ..., n) — число значений i-го параметра;

Важно, что до данного момента исследования не ставится вопрос о ценности того или иного решения. Но как только получено все множество решений, можно сопоставлять их с любой системой принятых критериев.

4)оценка всех имеющихся в морфологическом ящике вариантов решений;

5)выбор из морфологического ящика оптимального варианта решения за-

дачи.

Сматематической точки зрения идея морфологического перебора базируется на получении размещений с повторением из k по n, число которых в общем случае подсчитывается как показано выше, а в частном случае при одинаковом числе значений каждого из параметров (т. е. при равенстве всех k), определяется с помощью известной в комбинаторике формулы:

Rkn k n

где n — число строк; k — число элементов в каждой строке.

Для сокращения перебора этапы 3 и 4 могут быть совмещены, и явно неприемлемые варианты можно сразу исключить из рассмотрения в п. 5. Следует также отметить, что, строго говоря, речь об оптимизации идти не может. Идею поиска наилучшего решения (вариантов решения) точнее квалифицировать как постепенно ограничиваемый перебор, который с самого начала сокращается благодаря формированию морфологического ящика, затем область выбора решения ограничивается в результате отбрасывания явно неприемлемых вариантов, а дальнейшее ограничение области возможных решений осуществляется путем введения и учета количественных, а потом (при прочих равных условиях) и качественных критериев.

Возможны следующие пути выбора решений из морфологического ящика:

применение одного критерия, полностью исключающего все варианты решений, кроме одного;

последовательное применение нескольких критериев, постепенно исключающих все варианты, кроме одного;

расчленение проблемы на подпроблемы (или задачи на подзадачи) и последовательное применение нескольких критериев для выбора по одному варианту решения каждой из подпроблем (подзадач), которые вместе взятые и составляют искомое решение.

Впоследнем случае может быть получено не одно решение, составленное из решений подзадач, а несколько таких (равноценных) решений, и тогда уменьшение числа этих вариантов, дальнейшее сужение области решений осуществляется путем введения дополнительных критериев.

Ф. Цвикки назвал полную матрицу n-мерным морфологическим ящиком. Частичное представление его в двух измерениях (с двумя параметрами) принимает форму двумерной прямоугольной матрицы – «морфологической карты». Подобные матрицы широко используют и помимо морфологического анализа. Например, компании используют такой подход, чтобы выявить и «заблокиро-