2.4. Складні ієрархічні системи.

Безмежна різноманітність складних багаторівневих ієрархічних технічних та організаційних систем і незліченна кількість виконуваних ними функцій зумовлюють складність формального подання задач системного аналізу. Тому основні поняття необхідно формалізувати, а припущення та обмеження описати в термінах задач системного аналізу. Насамперед на основі раніше розкритого поняття складної системи введемо означення складної ієрархічної системи.

Складна ієрархічна система — це цілісний об'єкт, утворений із функціонально різнотипних систем, структурно взаємопов'язаних ієрархічною підпорядкованістю і функціонально об'єднаних для досягнення заданих цілей за певних умов.

Прикладами складних ієрархічних систем можуть служити сучасні виробничі об'єкти, космічні системи зв'язку, навігації, дистанційного зондування, сучасні системи управління регіонами, корпораціями, багатопрофільними фірмами тощо. Аналіз таких систем не зводиться лише до встановлення типів елементів чи типів відношень. Суттєве значення у даному випадку має ієрархічність структури не лише топології цих систем, а й систем управління.

Такі системи, по-перше, відрізняються як різноманіттям типів елементів (різні класи фізичних, хімічних, механічних типів елементів), так і різноманіттям типів відношень (від технологічного, продукційного взаємозв'язку до інформаційного обміну і взаємодії)'

По-друге, для цих класів об'єктів багаторівнева ієрархічна структура складних і великих систем характеризується такими властивостями:

1 .відмінність значимості і можливостей функціональних елементів (ФЕ) для різних ієрархічних рівнів;

2.вільна поведінка ФЕ кожного рівня ієрархії у певних межах, встановлених заздалегідь або у процесі функціонування об'єкта;

3.пріоритет дій або право на втручання ФЕ верхнього рівня у «справи» ФЕ нижнього рівня залежно від функцій, які вони виконують.

Завдяки цим властивостям складна ієрархічна система має кілька принципових особливостей, які визначають як загальні проблеми дослідження, так і конкретні цілі проведення аналізу її структури і функцій, або структурно-функціонального аналізу (СФА).

Розглянемо ці особливості в обсязі, необхідному для розуміння основних цілей і задач СФА складних ієрархічних систем. Насамперед зазначимо, що можливе різне трактування поняття ієрархії, і тому можливі різні види ієрархій. Найсуттєвішу розбіжність ієрархій визначає розбіжність понять рівня в ієрархії. Необхідність введення кількох понять рівня зумовлено складністю і різноманіттям цілей, задач, функцій, властивостей та можливостей реальних багаторівневих ієрархічних систем, а також різ­номаніттям властивостей, особливостей і наслідків штатних, позаштатних, критичних та надзвичайних ситуацій їхнього функціонування. Так, у роботі [104] введено три поняття рівня.

Ешелон — термін, що визначає рівень організаційної ієрархії. Ієрархічна структура об'єкта який відповідає поняттю «ешелон», передбачає, що реальний об'єкт можна зобразити у вигляді багаторівневої організаційної ієрархічної системи, яка має такі властивості:

1 .складається із множини точно виділених і розподілених за рівнями підсистем;

2.має повноваження, чітко розподілені між рівнями і підсистемами одного рівня, виходячи з формування, вибору і прийняття рішень у визначеній сфері відповідальності;

3.забезпечує прямий і зворотний зв'язок з управління між підсистемами різних рівнів, а між підсистемами одного рівня — прямий і зворотний зв'язок із взаємодії. Такі системи прийнято називати багаторівневими і багатоцільовими.

4.Страта — термін, який характеризує рівень опису або абстрагування. Ієрархічна структура об'єкта що відповідає поняттю «страта», припускає, що властивості реального складного об'єкта описано у вигляді деякої сукупності, у якій окремі описи наведено з різних позицій та упорядковано з урахуванням рівня їхньої значимості. Такі ієрархічні системи прийнято називати стратифікованими.

5.Шар — термін, що визначає рівень складності прийняття рішення. Ієрархічна структура об'єкта, що відповідає поняттю «шар», передбачає, що загальну процедуру ухвалення рішення реалізують у вигляді певної послідовності часткових процедур, кожна з яких забезпечує можливість одержання розв'язку з певним ступенем обгрунтованості та вірогідності за різних рівнів неповноти, невизначеності, нечіткості і суперечливості вхідної інформації. Таку ієрархічну структуру прийнято називати багатошаровою, багаторівневою або ієрархічною системою прийняття рішень.

Найважливіша особливість розглянутих об'єктів полягає в тому, що ^-ч багато процедур формування та аналізу ієрархічної структури є (1^5) принципово неформалізовними, а їхня реалізація носить суб'єктивний (Щ) характер. Ця особливість стосується насамперед загальної структури

ієрархії. Такі процедури, як вибір кількості рівнів (страт, ешелонів, шарів) (О) в ієрархії, виділення елементів на кожному рівні, вибір опису елементів 1^3 кожного рівня, вибір апарату опису взаємозв'язків в ієрархічній структурі,

цілком залежать від ОПР. У практиці проектування таких реальних [¡^3) складних об'єктів, як космічні системи різного призначення, загальну (о) організаційну ієрархію об'єкта (розподіл об'єкта в цілому на підсистеми I-

го рівня або виділення двох верхніх ешелонів, у відповідності до наведеної [¡45) раніше термінології — об'єкта і підсистеми) визначає генеральний

конструктор об'єкта. Розподіл підсистем 1-го рівня на підсистеми 2-го ^ рівня виконує головний конструктор відповідної підсистеми 1-го рівня

тощо. Такий підхід дає змогу здійснювати системну інтеграцію □ и організаційних задач проектування ■ планування робіт, формування [М) колективів розробників, координування робіт різних колективів тощо.

Важливими системними поняттями є також поняття цілі системи і характеристики системи щодо цілі.

Ціль—це кількісна або якісна міра первинних чи вторинних властивостей системи, яку дослідник за певних обставин вважає найкращою. Отже, складну систему можна розглядати з позиції різних цілей. У цьому розумінні система задовольняє багато цілей. Ця особливість, яку ще називають характеристикою системи щодо цілі, може бути виміряна близькістю справжніх та бажаних проявів тих властивостей системи, які передбачені ціллю. Зазвичай її визначають у термінах відповідної функції, яку називають характеристичною функцією.

Зазначимо, що можливі й інші визначення відстаней, а отже, й інші формули для розрахунку.

Припустимо, що для деякої множини систем визначено тип цілі і відповідна характеристична функція. З кожною системою такої множини пов'язано значення характеристичної функції, яке показує ступінь відповідності системи заданій цілі. Це дає змогу визначити поняття ціленаправленої системи, для якої характеристика щодо заданої цілі більша від деякого заданого порогового значення.

Отже, ціль системи можна визначити різними способами, і це дає змогу вважати, що ціль знаходиться «в руках користувача». Поняття цілі і характеристики є базовими для визначення поняття ціленаправлених систем. Система з позитивним ступенем ціленаправленості відносно іншої системи повинна мати деякі властивості, відмінні від властивостей останньої, тобто властивості, які пов'язані з ціллю і визначають можливість поліпшення характеристики цієї системи. Будемо називати їх властивостями вибору цілі. Такими властивостями, зокрема, є деякі додаткові змінні або стани в системах, додаткові елементи або з'єднання у структурованих системах, додаткові елементи або процедури в мети системах тощо.

Отже, для систем, що володіють властивостями ціленаправленості, необхідно відділяти змінні вибору цілі від інших змінних із вимогою, щоб змінні вибору цілі сприяли її досягненню. Дослідження способів породження станів змінних вибору цілі надзвичайно важливе для розуміння природи такого класу систем і, зокрема, для розвитку методів їхнього проектування. Таким системам завжди притаманні принципи (схема, форма) їх створення у термінах породжуваних станів змінних пошуку цілі. Виходячи з викладеного, можна сформулювати поняття ціленаправлених систем.

Ціленаправлені системи — це системи, орієнтовані розробником на виконання суворо визначених цілей. Вони мають чітко обумовлене цільове призначення для заданих умов, а також характеризуються набором обмежень за номенклатурою цілей і заданим діапазоном допустимих змін умов функціонування. Прикладами таких систем є найпростіші автомати І напівавтомати з жорсткою програмою керування або найпростіші механізми. До них можна, зокрема, віднести верстати-автомати для вироб-

ко ництва лише конкретних механічних деталей, побутові і промислові холодильники, автономні системи опалення Щ будинків із напівавтоматичною підтримкою температури у певному діапазоні, автомобілі різного цільового призначення. Принципово іншим є клас цілеспрямованих систем.

Цілеспрямовані системи — це системи, які мають властивості сприймати вимоги середовища, зовнішнього по відношенню до неї, та формувати цілі для досягнення цих вимог за умови суттєво мінливих ситуацій, а також визначати альтернативи всіх дій зовнішнього середовища і здійснювати доцільний вибір альтернативи власних дій для досягнення цілей за наявних умов.

Найважливішою властивістю цілеспрямованих систем є здатність динамічно змінювати цілі і способи їхнього досягнення у разі зміни ситуації. Цілеспрямовані системи принципово відрізняються від ціленаправлених високою гнучкістю, динамічністю і здатністю реагувати на зміну зовнішнього середовища шляхом адаптації потреб, цілей і дій У ситуаціях, що складаються. Системи даного класу можуть змінювати функції, властивості і навіть структуру як функціональних елементів, так і системи загалом.

Характерною особливістю цілеспрямованих систем є те, що вони мають інтелект — природний, штучний чи створений у результаті поєднання обох його видів. Більшість відомих цілеспрямованих систем належить до класу організаційно-технічних або експертних, Головними елементами є оператори, а також різного роду технічні засоби підтримки рішень, що мають інтелектуальну складову. Як приклади таких систем можна навести гнучкі комп'ютеризовані виробництва, здатні у процесі функціонування змінювати номенклатуру та обсяг продукції, диспетчерські служби великих аеропортів, морських портів, здатні одночасно обслуговувати від кількох десятків до кількох сотень повітряних або морських суден за мінливих погодних умов, тощо. Ілюстрацією здатності цілеспрямованих систем до адаптації до умов зовнішнього середовища є дії персоналу електростанцій, великих металургійних, гірничодобувних, хімічних та інших виробництв у критичних і аварійних режимах.

Структурована система — об'єкт дослідження, відображений у вигляді певної ієрархічної структури функціональних елементів з урахуванням взаємозв'язків, взаємозалежностей і взаємодій між ними.

Структурована вихідна система — це набір вихідних систем даних, даних систем або породжу вальних систем, що мають спільну параметричну множину. Системи, які утворюють структуровану систему, зазвичай називають її елементами. Деякі змінні в них можуть бути спільними. їх звичайно називають єднальними змінними. Вони є взаємодією між елементами структурованої системи.

Спільні змінні використовують як під час дослідження, так і під час проектування складних систем. У дослідженнях реальних об'єктів за елементи приймають їхні технологічні і конструктивні складові, котрі реалізують певні технологічні процеси або функції керування. Наприклад, у разі дослідження діючої АЕС як елементи системи можна виділити атомний реактор, турбомашину, електрогенератор, кожен з яких є кон­структивно і технологічно цілісним об'єктом і реалізує відповідно такі технологічні процеси: перетворення атомної енергії в теплову, теплової в механічну та електричну. Слід особливо наголосити, що кожен із перелічених елементів АЕС є складною механічною системою. Тому у разі проектування нового об'єкта, наприклад, чергової АЕС, можна паралельно вирішувати кілька системних задач. Серед них необхідно виділити такі: проектування АЕС загалом, проектування кожного із зазначених раніше функціональних елементів, а також проектування системи інфраструктури, яка забезпечує житлові, торговельні та інші будівлі, сховища, підсобні приміщення тощо. У загальному випадку такі задачі містять системні формулювання різних вимог і умов, пов'язаних із взаємовідношеннями між різними частинами і між частинами та об'єктом загалом. Проблеми на кшталт частина-ціле і частина-частжа, що виникають під час дослідження і ^ проектування складних систем, суттєво відрізняються одна від одної. Так, у разі проектування головні труднощі полягають у тому, щоб вибором структури та елементів системи забезпечити досягнення заданих цілей на основі раціонального компромісу суперечливих вимог до об'єкта загалом. У дослідженні така проблема: як на основі раціонального керування функціонуванням реального об'єкта певної структури, що складається з конкретних елементів, забезпечити виконання заданих вимог у реальних умовах експлуатації.

Першим етапом проектування є визначення так званої породжувальної системи. Це — задум завдання, яке повинна виконати система. У загальному випадку цим завданням є перетворення станів відповідних вхідних Змінних у стан вихідних змінних. Отже, отримана породжувальна система завжди є ціленаправленою. Під час збирання вихідної інформації про об'єкт аналізу необхідно ^

045) враховувати, що на практиці більшість об'єктів є відкритими системами.

(§§) Під відкритими будемо розуміти такі системи, для яких властивий обмін різними ресурсами, зокрема енергією та інформацією, із зовнішнім

(О) середовищем. Тому завжди важливо визначити межі відкритої системи

Са5 або, простіше кажучи, встановити, де закінчується досліджуваний об'єкт і починається навколишнє середовище. При цьому визначальним фактором

0\5) завжди є мета аналізу. Наприклад, якщо метою системного аналізу є

О визначення джерела втрат електроенергії у деякій системі, то необхідно аналізувати всю електроенергетичну мережу цієї системи. Якщо ж метою

045 системного аналізу є, скажімо, створення економного електрогенератора, то всі функціональні елементи за його межами можна вважати зовнішнім

■—* середовищем.

ІИ Однак ці приклади скоріше виняток, ніж правило. У переважній ^{и и} більшості практичних задач системного аналізу визначити фізичні межі 045) об'єкта дослідження з відомої сукупності цілей досить складно.

Суперечливі цілі вказують на різні межі, а орієнтація на супремум цих меж веде не лише до надмірного їх розширення, але й, що суттєво важливіше, — до значного ускладнення розглянутої задачі. Крім того, у багатьох випадках, наприклад, на ранніх стадіях розробки унікального об'єкта, практично невідомі кількісні дані щодо ступеня впливу різних функціональних елементів на рівень досягнення цілей і фізичні межі об'єкта дослідження. Більш того, найчастіше не можна стверджувати, що об'єкт дослідження визначений цілком, оскільки кожен функціональний елемент описує, зазвичай, певна сукупність показників, які характеризують деяку множину властивостей. Але ступінь впливу різних властивостей на різні цілі системної задачі може бути суттєво різним. Тому природне прагнення аналітика виключити з розгляду властивості тих функціональних елементів, ступінь впливу яких достатньо малий. Однак у таких випадках виникає запитання: що прийняти за критерій малості впливу? Відповідь на нього неоднозначна, причому вона ускладнюється у випадку, коли аналіз необхідно виконати для цілеспрямованих систем.

Для заданої структурованої системи існує інша, пов'язана з нею система, визначена всіма змінними елементів, що входять у неї. Цю систему розглядають як деяку повну систему, тобто систему, подану у вигляді певного об'єднання усіх вхідних змінних. Із цього погляду елементи будь-якої структурованої системи можна інтерпретувати як підсистеми відповідної повної системи, а повну систему — як суперсистему стосовно цих елементів. Отже, структуровані системи стають по суті відображеннями повних систем у вигляді різних підсистем.

Поняття повної системи або підсистеми, зрозуміло, не є однозначним. Наприклад, якусь систему в одному контексті можна розглядати як елемент структурованої системи, а в іншому — як повну систему, підсистеми якої утворюють структуровану систему. Аналогічна неоднозначність характерна для вихідних систем, систем даних або породжувальних систем. Це дає можливість зобразити будь-яку повну систему як багаторазове вкладення структурованих систем. Наприклад, структурована складна система може містити елементи, що, в свою чергу, є структурованими складними системами, елементи яких також являють собою структуровані складні системи, і так до елементів, що складаються з простих змінних.

Необхідність відображення повної складної системи у вигляді сукупності її підсистем може бути обумовлена багатьма причинами. Однією з головних є її складність, пов'язана з доступністю для огляду такої системи, інша — стосується спостережень і вимірів. Якщо параметри і характеристики складної системи залежать від часу, то буває технічно неможливо або недоцільно одночасно спостерігати за всіма змінними, що мають відношення до мети дослідження. У цьому випадку дані можна збирати лише частково, для найбільшої можливої підмножини змінних. В інших випадках дослідник змушений використовувати непрямі дані, які зібрано різними опосередкованими способами і покривають лише частину змінних, необхідних для роботи.