1.2. Управление в системах

Процессы управления протекают повсеместно, ежед­невно, ежечасно, ежесекундно и охватывают буквально все стороны и моменты человеческой деятельности.

13

Что же характерно для любого процесса управле­ния?

1. Прежде всего в любом процессе управления есть объект, которым управляют (станок, предприятие, от­расль и т. п.). Далее имеется орган, который осуществ­ляет управление (человек или какое-либо техническое устройство). В процессе управления этот орган получа­ет некоторую информацию о состоянии управляемого объекта и состоянии внешней среды, в которой находит­ся и с которой как-то связан управляемый объект. Эта информация воспринимается управляющим органом, ко­торый вырабатывает на ее основе управляющую инфор­мацию (или, как принято говорить в повседневной прак­тике, принимает решение).. Наконец, на основе принято­го решения некоторый исполнительный орган (рука рабочего, аппарат министерства и т. п.) осуществляет управляющее воздействие на управляемый объект.

Вот эти три основных звена совместно с информаци­онными связями между собой и образуют систему уп­равления.

Часто управляющий и исполнительный органы объединяют в единое понятие — субъект управления, и тогда систему управления можно представить состоящей из двух подсистем: управляемой подсистемы и управляющей подсистемы (рис. 1.1).

Самым сложным звеном из представленных на этой схеме является безусловно управляющий орган — не самым большим, объемным с точки зрения набора ка­ких-то простых элементов, а самым сложным функцио­нально, т. е. способным производить наибольшее разно­образие действий. Это вытекает из самих функций орга­на управления: он должен обладать способностью своев­ременно переработать поступающую информацию, выра­ботать управляющую информацию (принять решение) и довести ее до исполнителя, до объекта управления, при­чем на любое из множества возможных состояний объек­та управления управляющий орган должен отреагиро­вать своим, конкретным для данной ситуации оптималь­ным управляющим сигналом.

Это фундаментальное положение сформулировано в виде закона «необходимого разнообразия», согласно которому для успешного управления управляющий ор­ган должен обладать по крайней мере не меньшим раз­нообразием, чем объект управления.

14

2. Управление всегда осуществляется для достижения определенной цели, вполне конкретной для каждого конкретного объекта управления и связанной с состоя­ниями объекта и среды, в которой он находится.

Очень важно правильно определить цель управления. Подходя с разных точек зрения, можно предлагать раз­личные цели для управления одним и тем же объектом. Определить основную цель управления сложным объектом часто бывает так трудно, что этому вопросу посвящаются целые научные исследования. Но в любом случае цель управления должна быть единственной, а все прочие факторы, которые следует учитывать, зада­ются как ограничения.

Критерием оптимальности управления, показываю-

15

щим степень достижения поставленной цели, является целевая функция управления. Целевая функция управ­ления — это некоторая количественно измеряемая вели­чина, являющаяся функцией входных, выходных пере­менных, параметров объекта управления и времени. Оптимальное управление — это управление, обеспечи­вающее экстремум (максимум или минимум) целевой функции управления при заданных ограничениях.

3. Как видно из обобщенной структурной схемы сис­темы управления, для реализации оптимального управ­ления недостаточно знать целевую функцию управления и заданные для нее ограничения, нужна также информа­ция о состоянии объекта управления и внешней среды и о множестве возможных состояний элементов системы управления. Без информации нет управления. Особое внимание должно быть обращено на качество всех видов информации. Информация должна быть достоверной, полной и своевременной, иначе управляющие воздейст­вия могут оказаться неэффективными и даже вредными.

Например, если поступает неверная информация о потребности народного хозяйства в каком-то продукте, то управление предприятием (а народное хозяйство яв­ляется для предприятия внешней средой) с целью полу­чения максимального выпуска этого продукта может оказаться вредным, ибо лучше было бы уделить в этом случае внимание увеличению выпуска другого, более де­фицитного продукта.

Не менее важной является информация, поступаю­щая в управляющую подсистему по „линии обратной связи от управляемой подсистемы. Обратная связь — это одно из основных понятий в теории управления. В общем виде обратной связью называется любая переда­ча воздействия с выхода какой-либо системы обратно на ее вход.

В системах управления обратную связь можно опре­делить и несколько иначе, а именно как информацион­ную связь, с помощью которой в управляющую подсис­тему поступает информация о результатах управления объектом, т. е. информация о новом состоянии объекта, которое возникло под влиянием управляющих воздейст­вий.

Благодаря наличию обратных связей сложные систе­мы оказываются в принципе способными выходить за пределы действий, предусмотренных и предопределенных

их конструктором, ибо обратная связь Создает у систем новое качество, а именно способность накапливать опыт, определять свое будущее поведение в зависимости от своего поведения в прошлом, т. е. самообучаться.

Управляющие воздействия, поступающие из управ­ляющей подсистемы в управляемую, могут иметь раз­личный характер: энергетический, материальный, инфор­мационный — в зависимости от природы управляемого

объекта.

Среди всех систем особое место занимают системы, управляемый объект у которых — люди, коллективы людей. Подобные системы получили название систем организационного управления (или просто организационных систем), ибо управляющие воздействия в них направлены на организацию (согласование) подведе­ния коллективов людей и имеют информационный ха­рактер. Для таких систем полностью справедливо сле­дующее кибернетическое определение управления: уп­равление есть процесс целенаправленной переработки информации. (Поскольку энергетические и иные мате­риальные управляющие воздействия косвенно также яв­ляются носителями информации, то, вообще говоря, данное определение может быть распространено на сис­темы управления любой природы.)

1.3. Кибернетика — наука об управлении

Кибернетика — молодая наука, формирование кото­рой началось лишь после второй мировой войны. Тем не менее она развивалась и развивается настолько стре­мительно, что уже сейчас оказывает большое влияние на методы исследования и способы решения практических задач в самых разнообразных областях науки и техни­ки: в биологии и медицине, технике связи и автоматике, в вычислительной технике и экономике.

В основе кибернетики лежит идея возможности раз­вить общий подход к рассмотрению процессов управле­ния в системах различной природы. Сила этой идеи заключается в том, что оказалось возможным кроме об­щих рассуждений методологического характера предло­жить также мощный аппарат для количественного опи­сания процессов, для решения сложных задач управле­ния, основанный на методах прикладной математики.

16

17

Итак, кибернетика — наука об общих закономернос­тях процессов управления в системах любой природы. Предметом изучения кибернетики являются информаци­онные процессы, описывающие поведение этих систем. Цель изучения — создание принципов, методов и тех­нических средств для наиболее эффективных в том или ином смысле результатов управления в таких систе­мах.

Можно приближенно разделить сферы наук следую­щим образом. Естественные науки — это науки, связан­ные с изучением закономерностей природы. Обществен­ные науки изучают закономерности человеческого обще­ства. Кибернетические науки — это науки, связанные с исследованием закономерностей передачи и обработки информации в объектах, явлениях и процессах, происхо­дящих в природе и обществе.

Основные особенности кибернетики как самостоя­тельной научной области состоят в следующем.

1. Кибернетика способствовала тому, что классичес­кое представление о мире, состоящем из материи и энер­гии, уступило место представлению о мире, состоящем из трех составляющих: энергии, материи и информации, ибо без информации немыслимы организационные систе­мы.

2. Кибернетика рассматривает управляемые системы не в статике, а в динамике, т. е. в их движении, развитии, при этом в тесной связи с другими (внешними) система­ми. Это позволяет вскрывать закономерности и устанав­ливать факты, которые иначе бы оказались невыявленными.

3. Как бы детально и строго мы ни старались изучать поведение системы, мы никогда не сможем учесть все бесчисленное множество факторов, прямо или косвенно влияющих на ее поведение. Поэтому всегда следует вводить различные ограничения, считаться с неизбежностью наличия некоторых случайных факторов, являющихся результатом действия этих неучтенных процессов, яв­лений и связей. Кибернетика очень широко практикует именно такие вероятностные методы исследования, поз­воляющие хотя и не определенно, лишь в вероятностном аспекте, т. е. в среднем, но строго и четко предсказать поведение сложных систем.

4. В кибернетике часто применяется метод исследо­вания систем с использованием «черного ящика». Под

18

«черным ящиком» понимается система, в которой иссле­дователю доступна лишь входная и выходная информа­ция этой системы, а внутреннее устройство неизвестно. При этом оказывается, что ряд важных выводов о пове­дении системы можно сделать, наблюдая лишь реакции выходных сигналов на изменение входных. Такой под­ход, в частности, открывает возможности объективного изучения систем, устройство которых либо неизвестно, либо слишком сложно, чтобы можно было вывести их поведение из свойств составных частей этих систем и структуры связей между ними.

Значение «черного ящика» в исследованиях трудно переоценить, благодаря этому методу уже сделаны де­сятки крупнейших изобретений и открытий. «Черный ящик» незримо присутствует в исследованиях в любых областях природы, при разгадке тех или иных явлений. Классический пример «черного ящика» — телевизор. Большинство людей, которые им пользуются, не имеют ни малейшего представления о том, как он устроен внутри. Но повернув ручку включения телевизора (вход­ной управляющий сигнал), они ожидают выходного сигнала — изображения и звука.

5. Очень важным методом кибернетики, часто исполь­зующим понятие «черного ящика», является метод мо­делирования. Сущность этого метода, ставшего одним из самых мощных орудий развития науки и техники, сос­тавляет замена реального интересующего нас объекта или процесса его моделью, т. е. некоторым другим объ­ектом, процессом или формализованным описанием, бо­лее удобным для рассмотрения, исследования, управле­ния, интересующие нас характеристики которого подоб­ны характеристикам реального объекта.

После такой замены исследуется уже не первичный объект, а модель и результаты этих исследований рас­пространяются на первичный объект (конечно, с извест­ными оговорками).

Разработано большое число различных типов моде-лей. В экономических исследованиях, например, наи­большее распространение получили абстрактные модели объектов, выполненные в виде формализованных описа­ний на языке математики, — экономико-математические модели.

Практические приложения общих методов киберне­тики изучаются в таких прикладных науках, как техническая

19

кибернетика, биологическая кибернетика, эконо­мическая кибернетика и др. Особое место в кибернетике занимает методология исследования операций. Эта об­ласть кибернетики в наибольшей мере носит прикладной характер и непосредственно связана с решением акту­альных хозяйственных задач. Центральным понятием исследования операций, как явствует из названия самой науки, является понятие операции. Под словом «опера-ция» в данном случае понимают совокупность действий, направленных на достижение определенной цели и вы­полняемых под чьим-либо руководством. Примеры опе­раций: запуск космического корабля, проектирование новой машины, автоматизированной системы, промыш­ленного предприятия и т. д.

Предметом исследования операций является количе­ственный анализ любой человеческой целенаправленной деятельности, т. е. исследование операций — это прик­ладная математическая наука, связанная с процессами управления.

Математические методы исследования операций весь­ма разнообразны, разнообразны в той мере, в какой сложны и разнообразны объекты и процессы, для кото­рых эти методы используются. Но несмотря на это, мож­но сформулировать целый ряд требований, общих для всех математических методов исследования операций.

В частности, математические методы должны обеспе­чить:

достоверность описания исследуемого класса процес­сов или объектов управления, т. е. метод должен соответствовать сущности описываемых явлений, не ис­кажать их содержания;

своевременность решения, т. е. решение должно быть своевременным, а не вырабатываться тогда, когда на­добность в нем отпала;

результативность, т. е. метод должен давать конкрет­ное конструктивное решение, а не указывать на возмож­ность решения вообще;

реалистичность решения — решение могло бы быть реализовано при заданных ограничениях (точность и время решения, затраты на управление);

устойчивость к исходным данным, т. е. метод должен быть массовым, пригодным не только для данной част­ной реализации исходных данных, но и для всех после­дующих, в которых могут быть некоторые отклонения;

20

определенность, т.е. метод должен давать совершенно точные, не допускающие неоднозначности, рекомендации

и решения;

экономичность в отношении точности — нет смысла искать абсолютно точное, оптимальное, но сложное ре­шение, если затем эта точность все равно не будет дос­тигнута (например, из-за неточности технических средств, из-за отклонений параметров процесса); в этом случае предпочтительнее менее точное (конечно, в до­пустимых пределах), но простое решение.

Проследим последовательно путь исследования от постановки задачи до получения результата.

1. Первичная формулировка задачи идет обычно от практики управления. В дальнейшей ее формулировке участвует уже специалист по исследованию операций или группа таких специалистов. Они изучают особеннос­ти конкретной обстановки и при необходимости привлекают более узких специалистов. Совместно они анализи­руют информационную структуру процесса, обсуждают возможные критерии, рассматривают и уточняют цели управления, уточняют постановку задачи, вырабатывают приближенную целевую функцию управления. Здесь важно содружество специалистов различных профилей, чтобы разумно отбросить второстепенные факторы и не упустить существенные связи.

Этот период можно кратко назвать этапом общей постановки задачи исследования и разработки содержа­тельного описания процесса.

2. Формулировка математической постановки задачи и разработка математической модели. Трудность этого этапа — перевод описания задачи на язык математики и окончательное формирование целевой функции управ­ления. Математические методы в чистом виде при иссле­довании больших систем, как правило, неприменимы: методы приходится комбинировать, следует учитывать денежные и временные ресурсы, отпущенные на иссле­дования.

3. Исследование модели, т. е. практическое решение задачи на модели. Раньше исследование модели выпол­нялось вручную, в лучшем случае применялись арифмо­метры; теперь используются ЭВМ, позволяющие проиг­рывать сотни, тысячи вариантов.

Но при использовании ЭВМ возник еще один промежуточный этап — создание алгоритма и программы

21

исследования модели на ЭВМ. Программирование — трудоемкий процесс. Кроме умения быстро считать ма­шина в исследование ничего полезного не вносит. Зна­чит, и серию расчетных вариантов, и все исходные дан­ные, и последовательность решения готовит человек, он же анализирует результаты решения и обобщает их.

На этом этапе к группе по исследованию операций подключается специалист с производства, хорошо знаю­щий исследуемый процесс.

Союз науки и практики позволяет сократить про­грамму исследований.

4. Получение результатов решения, выводов и реко­мендаций — все это выдается заказчику. Последнее сло­во остается за заказчиком, т. е. исследователи операций не принимают решений, а выдают лишь рекомендации. Заказчик может принять рекомендации к немедленному руководству, просто принять во внимание или даже от­вергнуть — это правомерно, так как, с одной стороны, исследование велось на модели, а любая, даже самая совершенная модель всегда беднее оригинала; с другой стороны, даже на модели проигрывалось лишь ограни­ченное число вариантов — опыт руководителя, как пра­вило, гораздо богаче.

Исследователь должен быть независим от заказчика, иначе заказчик невольно будет оказывать на исследова­теля нежелательное давление. Исследователь должен преобразовать свои решения и рекомендации в набор инструкций и правил, предназначенных для руководите­лей и непосредственных исполнителей и понятных этому кругу работников.

1.4. Информация в управлении

Выше неоднократно употреблялось понятие «инфор­мация». Что же такое информация и какое значение она имеет в системах управления?

Существует множество определений информации, но ни одно из них не характеризует это понятие достаточно полно и подробно. Само слово «information» в переводе с латинского означает разъяснение, осведомление, изло­жение. С позиций материалистической философии ин­формация есть отражение реального мира, сведения, ко­торые один реальный объект содержит о другом реаль­ном объекте. С более узких, практических позиций, с

22

точки зрения ее использования в целях управления, ин­формация — это совокупность сведений, являющихся объектом хранения, передачи и преобразования.

Сама по себе информация может быть отнесена к ка­тегории абстрактных понятий типа математических, но ряд ее особенностей приближают ее к материальным объектам. Так, информацию можно получить, записать, стереть, передать; информация не может возникнуть из ничего. Однако при распространении информации про­является такое ее свойство, которое не присуще мате­риальным объектам: при передаче информации из одной системы в другие количество информации в передающей системе может не уменьшаться, хотя в принимающих системах оно обычно увеличивается. Если бы информа­ция была лишена этого свойства, то преподаватель, чи­тая лекцию студентам, терял бы информацию и стано­вился неучем.

Итак, информация не материальна, но информация является свойством материи и не может существовать без своего материального носителя — средства перене­сения ее в пространстве и во времени. Носителем ин­формации может быть как непосредственно наблюдае­мый физический объект или тело, так и энергетический субстрат. В последнем случае информация представлена в виде сигналов: электрических, световых, звуковых и т.д. При отображении на носителе информация кодиру­ется, т. е. ей ставятся в соответствие форма, цвет, струк­тура и другие параметры элементов носителя.

От выбора носителя и способа кодирования информа­ции при выполнении конкретных информационных про­цедур во многом зависит эффективность функционирова­ния системы управления. В связи с этим при преобразо­вании в процессе управления информация, как правило, неоднократно изменяет не только свой код, но и тип

носителя.

Весьма распространенным способом кодирования ин­формации является ее представление в виде последовательности символов определенного алфавита. Читая книгу, мы как раз и воспринимаем информацию, запи­санную на ее страницах, в виде кодовых комбинаций. (слов), состоящих из последовательности символов (букв, цифр) принятого алфавита. То же самое можно сказать и относительно информации, сообщаемой в про­цессе устной речи.

23

Существуют три аспекта рассмотрения любой информации: синтаксический, семантический и прагматический.

Синтаксический аспект предполагает рассмотрение формы представления информации, не принимая во вни­мание ее содержание (смысл) и полезность. При этом учитываются тип формы носителя информации, способ представления (кодирования) информации, размеры ко­дов представления информации, скорость передачи и обработки, надежность и точность преобразования этих кодов и т. п. Информацию, рассматриваемую только с синтаксических позиций, часто называют данными.

Семантический аспект имеет в виду учет смыслового содержания информации. При этом анализируются те сведения, которые отражает информация, рассматрива­ются смысловые связи между кодами представления ин­формации.

Прагматический аспект рассмотрения связан с цен­ностью, полезностью использования информации для вы­работки правильного управляющего решения. С этой точки зрения анализируются потребительские свойства информации. Ценность информации для управления за­висит от двух факторов: от качества информации и спо­собности, готовности потребителя правильно воспользо­ваться этой информацией. Второй фактор в системах управления обычно учитывается теми требованиями, ко­торые формулирует потребитель к содержанию и фор­мам представления результатной информации.

Качество информации определяют три ее основных параметра.

1. Полнота информации. Информацию считают полной, если на ее основе можно принять правильное уп­равляющее решение. Излишняя информация может быть так же вредна, как и недостаточная, — на базе и той и другой могут быть приняты неверные решения. По от­ношению к недостаточной информации это очевидно; излишняя информация, излишние подробности могут настолько перегрузить управляющую подсистему, что она не сможет своевременно выработать управляющую информацию и решение будет принято без ее учета, т. е. на базе неполной информации.

2. Верность информации. Под верностью инфор­мации понимают ее соответствие объективной реальнос­ти, которую она отражает. Количественной характеристикой

24

верности является достоверность, которая показывает степень этого соответствия (обычно в веро­ятностном аспекте).

Наряду с понятием «верность (достоверность) инфор­мации» существует понятие «верность (достоверность) данных». Верность данных означает безошибочность от­ражения кодом соответствующей ему информации. Дос­товерность данных (Д) обычно измеряется вероятностью отсутствия ошибки в информационном коде. Очень часто вместо значения достоверности данных задают величину вероятности наличия ошибки (Р), поскольку . Следует заметить, что не всегда искажение данных при­водит к искажению информации, например при кодиро­вании информации корректирующим кодом с автомати­ческим исправлением ошибок.

3. Своевременность информации. Своевре­менной является такая информация, которая может быть учтена при выработке управляющего решения без нару­шения установленной процедуры.

1.5. Измерение информации и данных

Терминологически принято говорить о количестве информации и об объеме данных.

Объем данных в сообщении измеряется количе­ством символов (разрядов) принятого алфавита в этом сообщении. Часто информация кодируется числовыми кодами в той или иной системе счисления. Естественно, что одно и то же количество разрядов в разных системах счисления может передать различное число состояний отображаемого объекта. Действительно, , где N — число всевозможных отображаемых состояний; т — основание системы счисления (разнообразие сим­волов, применяемых в алфавите); п — число разрядов (символов) в сообщении.

Поэтому в различных системах счисления один раз­ряд имеет различный вес и соответственно меняется единица измерения данных. Так, в двоичной системе счисления единицей измерения служит «бит» (Binary di-qit — двоичный разряд), в десятичной системе счисле­ния — «дит» (десятичный разряд). Например: а) сообщение в двоичной системе 101110111 имеет объем данных бит; б) сообщение в десятичной системе имеет 275903 имеет объем данных дит.

В современных ЭВМ наряду с минимальной единицей данных «бит» используется укрупненная единица измерения «байт», содержащая 8 бит.

Единицами измерения количества информации в синтаксическом аспекте служат те же единицы («бит», «дит», «байт»), что и для измерения объема данных. Но определить количество информации в сообщении непос­редственно по его виду нельзя, ибо количество ин­формации означает количество новых сведений, но­вых знаний, получаемых в этом сообщении.

Определение количества информации невозможно без рассмотрения понятия неопределенности состояния сис­темы (энтропии системы). Действительно, получение ин­формации о какой-либо системе всегда связано с изме­нением степени неосведомленности получателя о состоя­нии этой системы.

Y — характеризует лаконичность сообщения. С увеличением У уменьшаются объемы работы по преобра­зованию информации (данных) в системе. Поэтому стремятся к повышению информативности, для чего разра­батываются и используются специальные методы опти­мального кодирования информации — методы сжатия информации.

Что касается ценности информации, то при ее измере­нии всегда присутствует субъективный фактор оценки, обусловленный особенностями использования этой ин­формации в той или иной системе. Ценность информации Целесообразно измерять в тех же самых единицах (или близких к ним), в которых измеряется целевая функция управления системой.

Тогда в автоматизированной системе управления про­изводством, например, ценность информации определя-

В такой постановке единицей измерения ценности информации в АСУ является рубль.