1.2. Основные аспекты автоматизированного управления

Важнейшими аспектами автоматизированного управления явля­ются:

• главенствующая роль информации в процессе управления;

• иерархический характер процесса управления;

• системный подход к процессу построения автоматизированных систем.

Все виды деятельности человека по преобразованию природы и общества сопровождались получением новой информации. Логиче­ская информация, адекватно отображающая объективные законо­мерности природы, общества и мышления, получила название науч­ной информации. Ее делят по областям получения или использова­ния на следующие виды: политическую, техническую, биологиче­скую, химическую, физическую и т. д.; по назначению — на массовую и специальную. Часть информации, которая занесена на бумажный носитель, получила название документальной. Любое производство при функционировании требует перемещения доку­ментов, т. е. возникает документооборот. Наряду с научной информа­цией в сфере техники при решении производственных задач исполь­зуется техническая информация. Она сопровождает разработку но­вых изделий, материалов, конструкций, агрегатов, технологических процессов. Научную и техническую информацию объединяют терми­ном «научно-техническая информация».

Верхним уровнем информации как результата отражения окру­жающей действительности (результата мышления) являются знания. Знания возникают как итог теоретической и практической деятель­ности. Информация в виде знаний отличается высокой структуриза­цией. Это позволяет выделить полезную информацию при анализе окружающих нас физических, химических и прочих процессов и яв­лений. На основе структуризации информации формируется инфор­мационная модель объекта. По мере развития общества информация как совокупность научно-технических данных и знаний превращает­ся в базу системы информационного обслуживания научно-техниче- ской деятельности общества.

При анализе процесса управления ввиду сложности объекта про­изводят его расчленение на части по различным признакам. Одним из главных признаков является вид иерархии. Характерны следующие виды иерархии: временная, пространственная, функциональная, си­туационная и информационная. Следует отметить, что деление ка- кой-либо системы на части не может быть однозначным, так как вы­деление границ между частями всегда является в какой-либо мере субъективным. Выбор того или иного принципа выделения состав­ных частей должен удовлетворять следующим основным условиям: обеспечивать их максимальную автономность, учитывать необходи­мость координации их действий для достижения общей цели функ­ционирования, а также совместимость отдельных частей.

Временная иерархия. Признаком деления здесь является интервал времени от момента поступления информации о состоянии объекта управления до выдачи управляющего воздействия. Чем больше ин­тервал, тем выше уровень (ранг) элемента. Управление может осуще­ствляться в реальном времени, с интервалом сутки, декада, месяц, квартал и т. д. Причем управляющий интервал выбирается не произ­вольно, а исходя из критериев, определяющих устойчивость и эффек­тивность функционирования всей системы.

Пространственная иерархия. Признаком деления здесь является площадь, занимаемая объектом управления. Чем больше площадь объекта, тем выше его ранг. Данный признак — субъективный, так как не всегда площадь, занимаемая объектом, соответствует его зна­чимости, и его можно использовать в случае аналогичности парамет­ров элементов одного уровня.

Функциональная иерархия. В основе лежит функциональная зави­симость (подчиненность) элементов системы. Такое разделение так­же является субъективным, так как в этом случае трудно выделить границы между элементами системы.

Ситуационная иерархия. Деление на уровни в данном случае про­изводится в зависимости от эффекта, вызываемого той или иной си­туацией, например от ущерба, возникающего в результате аварии или выхода из строя оборудования.

Информационная иерархия. В настоящее время этот вид иерархии является очень существенным в связи с возросшим значением ин­формации для управления. В основе деления на уровни лежат опера­тивность и обновляемость информации. Именно через эти характе­ристики прослеживается иерархия информации по уровням управле­ния предприятием.

На первом уровне хранится и обрабатывается повторяющаяся, часто обновляющаяся информация, необходимая для повседневной деятельности, т.е. для оперативного управления. Следующий уровень составляет информация более обобщенная, чем оперативная, и ис­пользуемая не так часто. Информация группируется по функцио­нальным областям и применяется для поддержки принятия решения по управлению производством. На верхнем уровне хранится и обра­батывается стратегическая информация для долгосрочного планиро­вания. Для нее характерны высокая степень обобщенности, неповто­ряемость, непредсказуемость и редкое использование.

В общем виде функциональная модель процесса управления представлена на рис. 1.6. Учет информации об объекте управления состоит в регистрации, классификации и идентификации. На основе разнообразных математических моделей, описывающих реальное и

Рис 1.6. Функциональная модель системы управления

требуемое состояние объекта, и критериев оптимальности анализи­руют информацию о состоянии объекта управления. Окончательную модель прогнозируемого состояния объекта управления формируют в виде плана. Возникающие за счет внешних воздействий отклонения от плана корректируют путем сравнения учетной и плановой инфор­мации, нового анализа и формирования управляющих воздействий (регулирования).

В большинстве случаев при информационном анализе процесса управления обычно рассматривают пассивную форму проявления информации, отражающую свойства внешней среды, объекта управ­ления и самой управляющей системы. Однако не менее важное значе­ние имеет и активная форма информации, являющаяся причиной из­менения состояния управляемого объекта.

Принято выделять следующие качественно различимые формы проявления информации: осведомляющую Iос, преобразующую Iп, принятия решения Iпр и управляющую Iу.

К осведомляющей относят информацию о состоянии внешней среды, объекта управления и управляющей системы. Преобразующая включает информацию, содержащуюся в алгоритмах управления. Информация принятия решения является отражением образов и це­лей на конечное множество принимаемых решений. Управляющая информация вызывает целенаправленное изменение состояния объ­екта управления.

В любой системе управления можно выделить два информацион­ных канала: целевой и рабочий. В целевом канале на основе инфор­мационных процессов происходит выбор цели и принятие решения по выбору управляющего воздействия. В рабочем канале формирует­ся информация, реализуемая исполнительным органом, осуществ­ляющим целенаправленное изменение состояния объекта управле­ния через вещественно-энергетические характеристики. Целевой ка­нал может находиться как на одном уровне иерархии с рабочим, так и на более высоком. На рис. 1.6 выделены целевой и рабочий каналы, а также приведены основные формы проявления информации.

Классическое проектирование автоматизированных систем берет свое начало в 70-х годах прошлого столетия. Одно из первых направ­лений получило название «каскадной» схемы проектирования. Она широко использовалась при проектировании АСУ и включала сле­дующие стадии проекта: запуск, обследование, концепцию техниче­ского задания, эскизный проект, технический проект, рабочий про­ект, ввод в действие (внедрение). Основной особенностью данной методики является последовательная организация работ при разбие­нии структуры проектируемой системы на заранее определенный ряд подсистем: организационное, методическое, информационное, про­граммное и аппаратное обеспечения. В западной литературе такая схема организации работ получила название «водопадной модели» (waterfall model) и включала дополнительно итерационные процеду­ры уточнения требований к системе и рассмотрения вариантов про­ектных решений. Основными недостатками «каскадной» схемы про­ектирования являются запаздывание получения конечных результа­тов и низкая эффективность.

В процессе совершенствования разработки автоматизированных систем появилась схема непрерывной разработки (рис. 1.7), исполь­зовавшаяся при реализации больших проектов фирмы IBM в 70—80-х годах XX в. Характерной особенностью данной методики стал непре­рывный спиральный процесс разработки автоматизированных сис­тем с планируемыми точками передачи в эксплуатацию новых версий и новых функциональных подсистем.

Развитие схемы непрерывной разработки связано с совершенст­вованием циклических форм проектирования. Пример такого подхо­да — ускоренный метод проектирования, получивший название «бы­строе прототипирование». В проектный цикл дополнительно были включены стадии разработки макета-прототипа и его опробования. Недостатками схемы непрерывной разработки являются жесткость

Рис. 1.7. Схема непрерывной разработки

используемых моделей проектирования и закрытость создаваемых автоматизированных систем.

Следствием недостатков классических методов проектирования стал переход к системному проектированию.

Системный подход оперирует рядом категориальных понятий. Фундаментальным понятием системного подхода является понятие системы, при определении которой необходимо преследовать кон­кретную цель. Если целью является познание уже существующей сис­темы, то вполне пригодным оказывается ее дескриптивное определе­ние, которое заключается в следующем: система — это совокупность объектов, свойства которой определяются отношением между этими объектами [45]. Объекты называют подсистемами или элементами системы. Каждый объект при самостоятельном исследовании может рассматриваться как система. Функции объекта определяются внут­ренним устройством объекта. Таким образом, дескриптивное опреде­ление системы играет познавательную роль для объяснения функ­ций, реализуемых системой. Функции системы проявляются в про­цессе взаимодействия ее с внешней средой. При этом важно опреде­лить границу между внешней средой и создаваемой системой на основе конструктивного определения системы. Для технических сис­тем особое значение имеет конструктивный подход. Любая техниче­ская система создается под заранее известную цель. Цель такой систе­мы обычно является субъективной, поскольку она предлагается раз­работчиком, но эта цель должна исходить из объективных потребно­стей общества. Таким образом, можно считать, что цель формируется в процессе взаимодействия между явлениями окружающей действи­тельности. При этом возникает ситуация, которая заставляет строить новую систему. Ситуация может стать проблемной, если она не разре­шается имеющимися средствами и приводит к необходимости созда­ния новых недостающих средств.

Все, что не вошло в состав системы, относят к окружающей среде. Очевидно, что окружающая среда включает в себя другие системы, которые реализуют свои цели функционирования. Входы и выходы системы связаны с внешней средой. На модельном уровне выделяют модель системы, модель внешней среды на входе системы, модель внешней среды на выходе системы и модели связей между системой и внешней средой на входе и выходе.

Дескриптивный подход реализуется путем изучения функции либо структуры системы. В соответствии с этим в теории систем полу­чили применение функциональный и структурный подходы.

Учитывая, что структура отображает связи между элементами системы с учетом их взаимодействия в пространстве и во времени, можно утверждать, что структурный подход есть развитие дескрип­тивного подхода. Он служит для изучения (познавания) какой-то су­ществующей системы. Функциональный подход отображает функции системы, реализуемые в соответствии с поставленной перед ней це­лью. Поэтому функциональный подход есть развитие конструктив­ного. Функции системы должны быть заданы при ее построении и должны реализовываться при функционировании системы.

Структура системы описывается на концептуальном, логическом и физическом уровнях. Концептуальный уровень позволяет качест­венно определить основные подсистемы, элементы и связи между ними. На логическом уровне могут быть сформированы модели, опи­сывающие структуру отдельных подсистем и взаимодействия между ними. Физический уровень означает реализацию структуры на из­вестных программно-аппаратных средствах. Так как техническая система создается искусственно, цель ее функционирования заранее субъективно известна. Можно считать, что этой цели соответствуют определенный перечень функций и некоторая оптимальная структу­ра системы. Такая структура получила название формальной. Под ней понимают совокупность функциональных элементов и отношений между ними, необходимых и достаточных для достижения системой заданной цели. Формальная структура есть некоторая идеальная, не имеющая физического наполнения. Эта структура реализуется раз­личными средствами, поэтому формальной структуре может соответ­ствовать ряд материальных как реальных наполнений формальной структуры. Внешняя среда, взаимодействуя с информационной тех­нологией как с системой, может выступать как метасистема, ставя пе­ред ней определенные задачи и формулируя цели. Внедрение инфор­мационных технологий в жизнь общества за конечный временнбй интервал будет иметь эффект, если будут типизированы системы, в которые внедряются информационные технологии, и определены типовые структуры информационной технологии. В зависимости от системы, в которую внедряются информационные технологии, воз­можно различное пространственное распределение пользователей и средств информационной технологии. Разным может быть и ком­плекс решаемых задач. Характер и временнбй интервал реализации целей автоматизированного управления также зависят от того, в ка­кой области оно используется, т.е. в промышленности, научных ис­следованиях, проектировании, обучении и т. д. Весьма важно согла­сование структуры информационных технологий с организационной структурой той системы, в которой она используется.