litceysel.ru
добавить свой файл
1

Лекция 2

Системный подход в АСУ. Сложность и полнота АСУ.

Основы системного и кибернетического подходов. Классификация организационных систем. Методики формализации систем.

Ключевые слова: системный подход, кибернетический подход, организационная система, состояние системы, черный ящик, эмерджентность.

Основы системного и кибернетического подходов


Для разработки АСУ используют системный и кибернетический подходы. Под системным подходом понимают взаимосвязанное комплексное изучение сложных объектов как целостных систем с определенными системными целями и ее частей и подсистем в процессе функционирования. Признаки системного подхода:

  • комплексность;

  • целостность;

  • многовариантность рассмотрения альтернатив;

  • закономерность;

Необходимость приведения в систему сложных явлений мира и результатов развития и использования научно-технического процесса породила понятие системы, ставшее в настоящее время в кибернетике и системотехнике исходным и доминирующим.

Система - множество взаимодействующих элементов любой природы, составляющих целостное образование.

Структура - устойчивая совокупность внутренних связей между элементами системы, выделенными на данном уровне исследования. Благодаря наличию взаимосвязей (отношений) и динамического взаимодействия элементов в системе появляется новое качество - эмерджентность, которое исчезает при декомпозиции. Система как целостное образование отличается от суммы ее составляющих, она выполняет функции, не свойственные составляющим ее элементам.

Основные черты системности:

  • целостность;

  • тотальность;

  • организованность;

  • закономерность.

Состояние системы - совокупность параметров системы, определяющих ее свойства в процессе функционирования системы.

Ситуация (подкласс состояния) - совокупность параметров, определяющих в данный момент времени не только свойства, но и различные виды взаимодействия и отношений ее частей между собой и окружающей средой. Особенно важно фиксировать критические, аварийные ситуации, приводящие к коренной перестройке структуры системы или алгоритмов и целей управления.


Общее множество возможных состояний системы в процессе ее функционирования с учетом различных комбинаций параметров входов, выходов, элементов структуры характеризует разнообразие системы. Разнообразие является характеристикой сложных систем.

Системы могут иметь в своем составе огромное количество структурных единиц. Если учесть возможные комбинации структур элементов в системе, то получим характеристику разнообразия по суммарному числу состояний. Обычно разнообразие измеряется логарифмом с основанием 2 и совпадает с энтропией системы.

Рост связей между элементами в системе пропорционален квадрату числа элементов. Системы со стохастическими или просто непрерывными значениями параметров элементов обладают чрезвычайно большим потенциальным разнообразием в процессе функционирования системы, если не обеспечивается достаточно эффективное управление системой. Оно сводится к поиску наиболее рациональных путей и выдерживанию их на основе переработки информации о фактических состояниях систем в дискретные моменты времени.

В сочетании с системным подходом при построении АСУ необходимо учитывать и специфику кибернетического подхода к СС как к «черному ящику» с заданными входами и наблюдаемыми выходами, реализующими процессы их преобразования или управления посредством оператора или алгоритма без рассмотрения структуры на макроуровне. При кибернетическом подходе к исследованию системы рассматривается динамика ее функционирования во времени.

Представление системы на основе кибернетического подхода показано на рис. 2.1. Признаки кибернетической системы:


  • наличие объекта Sоб и органа управления Sу, связанных обратными и прямыми информационными каналами, образующими замкнутый контур;

  • наличие целей, критериев эффективности Кэф и ограничений;

  • наличие стратегии, плана, алгоритма (инструкции) и программ управления.

При отклонении объекта управления от заданной программы информация по каналам обратной связи поступает от объекта в орган управления. Поступившая информация разрабатывается и сопоставляется с информацией, характеризующей программу (план) достижения целей, определяется рассогласование соответствующих параметров. В управляющем органе вырабатывается и принимается управленческое решение по устранению рассогласований, которое в виде управляющих воздействий подается на объект управления (через специальные исполнительные устройства). Наличие всех необходимых признаков кибернетической системы обеспечивает устойчивость ее функционирования.


В общем случае управление в кибернетической системе управление объектом осуществляется по входам, выходам, по структуре и целям, параметрам внешней среды, если эти источники снабжены специальными средствами сбора, передачи и преобразования информации и каналами обратной и прямой связи с объектом управления.




Рис. 2.1 Принципиальная схема кибернетической системы.


Здесь показаны информационные потоки в зависимости от вида источника и соответствующих каналов обратной связи. Входы и выходы связаны с объектом и представляют собой материальные потоки, перерабатываемые объектом. Каждый компонент материального потока характеризуется совокупностью параметров и переменных, образующих множества информационных признаков, составляющих информационные потоки.

Например, на рис. 2.1 потоки формируются из документов, содержащих значения параметров, полученных по результатам их измерений в процессе контроля за состоянием входов, выходов и объекта в некоторые моменты времени. Эти потоки являются выходными для объекта и входными для органа управления руководства завода, поступающими в по каналам обратной связи. В результате переработки этой информации в подразделениях управляющего органа принимается решение, которое в виде директивных документов, образующих потоки передаются по каналам прямой связи на объект, и реализуется в виде управляющих воздействий.

Таким образом, формируются контуры управления , , , которые в свою очередь могут быть представлены в виде нескольких подконтуров, в зависимости от разбиения потоков информации:

  • по периодичности ее поступления (текущая, оперативная);


  • по видам и характеру информации (виды ресурсов, кадры, финансы, материалы), продукции, технологии, оборудования, специализации подразделений предприятия и т.п.

Все эти потоки информации в свою очередь можно организовывать и различать по количественным и качественным признакам, а также детализировать или укрупнять их при использовании на различных уровнях управленческой иерархии.

Для более детального изучения сложных систем (типа завода) в кибернетическом аспекте можно произвести декомпозицию «черных ящиков» первичной модели в виде двух наборов «черных ящиков» внутри каждого из них, отражающих выделенные основные структурные элементы объекта и органы управления. К таким элементам можно отнести:

  • элементы оборудования производственных линий, механизмов, станков, роботов-манипуляторов;

  • устройства приема и переработки и информации;

  • средства и каналы связи и т.п.;

  • персонал.

Взаимодействующие элементы системы соединяются функционально-информационными параметризованными (и при необходимости структурными) связями, образующими локальные специализированные потоки и контуры управления. При этом исходные черные ящики «светлеют» и становятся серыми, так как в них образуются определенные структуры из элементов в соответствии с логическими отношениями отображаемых ими элементов кибернетической системы.

Этапы построения кибернетической системы:

  1. выявление функций системы, реализующих поставленную задачу;

  2. выбор варианта выполнения функций, т.е. выбор структурных элементов системы;

  3. синтез системы - выбор сочетаний компонентов системы.

Классификация организационных систем


Организационная система – это система со сложной устойчивой структурой, наделенная определенными самостоятельными функциями.

По сложности организации системы делятся на:


  • простые;

  • сложные;

  • большие.

Признаки сложных систем:

  • сложная структура с мостиковыми, обратными, стохастическими и др. связями;

  • сложное поведение;

  • стохастические входы и выходы.

Признаки больших систем (в добавление к признакам сложных систем):

  • наличие целей и системы управления (самоуправления, адаптации) ;

  • большое разнообразие по связям, функциям и информационным состояниям;

  • крупные размеры;

  • высокая степень автоматизации происходящих в них процессов.

Виды сложных и больших систем:

  • системы с человеком–оператором;

  • системы с коллективом людей;

  • технические системы.

Организационные системы - системы с человеком-оператором и коллективом людей. Из класса организационных систем выделяют класс организационно-производственных систем (ОПС).

Различают следующие виды организационно-производственных систем:

  • производственно-технологические (в т.ч. ГАПы) – перерабатывают потоки материалов и ресурсов;

  • управленческие – перерабатывают информацию для реализации функций управления;

  • информационно-вычислительные (ИВС) – для сбора, хранения и обработки информации (производители и поставщики информации).

Все организационные системы являются динамическими функциональными системами.

Методика формализации систем

Взаимодействие элементов в процессе функционирования сложной системы рассматривается как результат совокупности воздействий каждого элемента на другие элементы. Воздействие представленное набором своих характеристик, часто называют сигналом, т.о. взаимодействие элементов сложной системы может быть рассмотрено в рамках механизма обмена сигналами. Сигналы передаются по каналам связи между элементами. Начало данного канала – выходной полюс, конец канала – входной полюс элемента. Идеальный канал – передача сигнала мгновенно и без искажений. Полностью и правильно формализованная система имеет только идеальные каналы связей. Физические каналы связи не являются идеальными. Такие каналы связи необходимо рассматривать как самостоятельные элементы системы (электрические соединительные провода – отдельные резисторы), функционирование которых сводится к соответствующим задержкам и искажениям сигнала. Т.о. окончательная формализация моделируемого объекта может привести к сложной системе, которая по составу элементов и конфигурации связей между ними отличается от конструкции, полученной в результате первоначальной структуризации этого объекта. При построении математической модели сложной системы необходимо учитывать взаимодействие её с внешней средой. Внешняя среда рассматривается как некоторая совокупность объектов, воздействующих на элементы сложной системы, а также испытывающих воздействия, поступающие от элементов сложной системы. Механизм обмена сигналами и формализованная схема взаимодействия элементов сложной системы между собой и с объектами внешней среды включает наборы следующих составляющих:


  • процесс формирования выходного сигнала соответствующим элементом системы;

  • определение адреса передачи для каждого выходного сигнала;

  • прохождение сигналов по каналам связи и компоновка входных сигналов для элементов системы, принимающих сигналы;

  • реагирование элементов на поступающие входные сигналы.

Первая и четвертая составляющие описываются в рамках математических моделей элементов. Третья составляющая связана с заменой реальных физических каналов идеальными. Вторая составляющая механизма обмена сигналами в сложной системе обеспечивает адресацию характеристик выходных сигналов и их компоновку во входные сигналы элементов, т.е. схему сопряжения элементов (иногда говорят структуру связности).

Т.о., построение математической модели функционирования сложной системы представляет собой математическое описание элементов сложной системы на единой концептуальной основе и построение соответствующей схемы сопряжения элементов. Для моделирования технических систем применяют структурные методы, теория автоматического управления, методы электрического аналогизирования, метод графов связей, метод, использующий библиотеку моделей компонентов – элементов и связей, тензорные методы и др.