Миронов С.В., Пищухин А.М. Метасистемный подход в управлении

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Оренбургский государственный университет»

С.В. МИРОНОВ, А.М. ПИЩУХИН

МЕТАСИСИСТЕМНЫЙ ПОДХОД

В УПРАВЛЕНИИ

МОНОГРАФИЯ

Рекомендовано к изданию Ученым Советом государственного образова-

тельного учреждения высшего профессионального образования «Орен-

бургский государственный университет» в качестве научного издания

Оренбург 2004

УДК 004.94:658.01

М-73

ББК 65.050.03

Рецензент

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой программ-

ного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных сис-

тем Оренбургского государственного университета Соловьев Н.А.

Миронов С.В., Пищухин А.М.

М-73 Метасистемный подход в управлении: Монография. – Оренбург:

ГОУ ОГУ, 2004.- 338 с.

ISBN

Монография предназначена для специалистов в области системного

анализа и управления. Рассмотрены как общие вопросы системного

анализа, так и особенности метасистемного подхода. Книга может быть

полезна аспирантам, а также студентам, как дополнительный источник

по курсам: «Управление техническими системами», «Теория управле-

ния», «Введение в системный анализ», «Системы автоматизации и

управления».

0605010202

М -------------

6Л9-2000 ББК 65.050.03

ISBN

Введение

О достоинствах системного подхода написано большое количество книг,

эффективность его применения доказана многочисленными примерами. Од-

нако большинство примеров касается структурированных систем (по терми-

нологии американского системного аналитика Джорджа Клира). И хотя часто

говорят об интегрированных системах (метасистемах), достаточно серьезные

исследования методологии решения типовых задач, связанных с ними, отсут-

ствуют. Данная работа призвана, в первую очередь, заполнить этот пробел.

Однако метасистема может быть определена только после того, как опи-

саны все другие типы систем, поэтому к работе приложены необходимые

сведения из системологии Дж. Клира /1/.

С другой стороны, разговор о метасистемах без привязки к предметной

области уведет в абстрактную математику. Нисколько не умаляя достоинств

этого направления, здесь будем рассматривать метасистемный подход в кон-

кретной области - в теории управления. Управление на верхних иерархиче-

ских уровнях неизбежно выходит на некоторое множество совместно рабо-

тающих систем, поэтому здесь метасистемный подход является наиболее ак-

туальным.

Метасистемы можно поделить на два больших класса: с последователь-

ным выбором лишь одной системы, функционирующей в каждый конкрет-

ный момент времени, или некоторого подмножества параллельно функцио-

нирующих. Возможна также комбинация этих двух основных классов. В со-

ответствии с этим разделением в работе рассмотрены особенности постанов-

ки и решения задач оптимального функционирования, а также типовые зада-

чи, возникающие при синтезе и управлении такими метасистемами.

В качестве практических областей применения рассмотренной методо-

логии выбраны: контроль качества готовой продукции, организация меди-

цинского обслуживания, а также выбор методики оценки уровня безопасно-

сти при эксплуатации промышленных объектов. Столь разнообразный спектр

лишний раз подчеркивает широту разработанных методов, двумерность со-

временной науки по выражению Клира.

Авторы признательны рецензентам, прочитавшим рукопись и сделав-

шим массу полезных исправлений.

История зарождения науки об управлении и системах

Человек поднялся над животным миром благодаря, в первую очередь,

своей осознанной деятельности.

Деятельность становится осознанной тогда, когда ставится конкретная

цель, подбираются средства для ее достижения, осуществляются воздействия

в необходимый момент времени, в определенном месте и должной интенсив-

ности, контролируются и корректируются полученные результаты. Все это,

вместе взятое, образует процесс управления.

Исторически организованная деятельность людей потребовалась на са-

мых ранних стадиях эволюции, например, при охоте и рыболовстве. Будучи

мало осознанной, такая деятельность привела даже к созданию первых

самодействующих устройств – автоматов в виде различного рода ловушек.

Неожиданность и эффективность первых крупных результатов от орга-

низованной деятельности людей привела их на волне эйфории к созданию

грандиозных и мало для чего пригодных сооружений в виде пирамид. На

найденных при раскопках осколках глиняных египетских сосудов

сохранились изображения способа их постройки /2/. Большая колонна рабов

несла тяжелую плиту. Впереди этой колонны шли музыканты, которые

музыкальным сопровождением задавали определенный темп и ритм рабам,

осуществляя координацию их индивидуальных усилий. По бокам колонны

шли надсмотрщики с палками (стимулами), которые подстегивали

выбивающихся из общего темпа и ритма рабов. Позади колонны также шли

надсмотрщики, которые добивали тех, кто не мог подняться. Подобные

изображения сегодня можно трактовать как факт трансляции определенных

норм процесса управления, которые по прошествии тысячелетий мало

изменились. Как и тогда, первоначально задают нечто, что позволяет координировать

совокупность индивидуальных усилий, дополнительно к этому обеспечивают

необходимое стимулирование. Затем контролируют соответствие индивиду-

альных усилий заданным условиям. Если есть несоответствие, которое мож-

но устранить, не нарушая процесса, его устраняют (регулирование). Если об-

наруженное несоответствие не поддается регулированию, то освобождаются

от исполнителя или его заменяют. Заметим, что публичное и неотвратимое

избиение палками выбивающихся из общего темпа и ритма служило не толь-

ко средством регулирования и ускоряло процесс выбывания «негодных» ра-

бов, но и стимулировало остальных выдерживать заданные условия процесса.

Но, скорее всего, эти нормы в те времена не воспринимались вне конкретно-

го процесса строительства пирамид и поэтому вряд ли осознавались как нор-

мы управления, по крайней мере, мы не располагаем материалами, показы-

вающими, что у египтян существовал особый термин для обозначения фено-

мена управления.

На основании дошедших до нас исторических документов считается, что

первоначально понятие управления было сформировано греками в XI – X в.в.

до нашей эры. Оно обозначалось как «χυβερνητιχη» (кибернетика) и озна-

чало искусство вождения кораблей, которое было жизненно важным для раз-

вития Греции. Отметим, что корабль – пентеконтера (50 – ти весельное суд-

но) – был самым сложным в то время техническим устройством, которое, как

и многие последующие технические устройства, во многом обусловило соци-

альные процессы того периода (по мнению М.С. Солодкой /2/).

Потребности в точном измерении времени, возникшие в связи с развити-

ем кораблевождения, привели к созданию такого распространенного автома-

та как часы.

Автоматизация в виде механических театров, пишущей куклы, сада с

поющими райскими птицами вызывала у людей восторг и восхищение. И

вместе с тем, самодействие автомата могло вызывать суеверный ужас. На-

пример, при зажигании свечи в храме открывались двери. На самом деле све-

ча нагревала сосуд с водой, которая перетекала в другой сосуд и своей тяже-

стью с помощью шнура открывала дверь. Непосвященному человеку каза-

лось, что это действуют сверхъестественные силы.

Развитие управления как науки началось с использования на производ-

стве паровых машин.

Максвеллом и Вышнеградским была развита теория регуляторов, подоб-

ных регулятору Уатта.

К концу 19 века теория управления развивалась в двух аспектах: управ-

ление государством (governmant) и управление в технических системах (con-

trol).

Появление фабричного производства вызвало необходимость науки об

управлении предприятием (management).

Отечественные ученые Сеченов, Павлов показали, что реакция живот-

ных организмов аналогична действию технических устройств (автоматов).

Завершил обобщение этих разрозненных ветвей в единой теории управления,

названной кибернетикой, Н. Винер.

Процесс управления, как осознанное достижение цели, органично требу-

ет применения системного подхода, то есть выстраивания средств достиже-

ния цели в некоторую систему. Однако лишь развитие вычислительной тех-

ники в конце 60-ых годов 20 века привело к пониманию того, что любое яв-

ление, обращенное в цифры и введенное в компьютер, приобретает некото-

рые общесистемные черты, когда его конкретная физическая сущность теря-

ется. С этого момента активно начал развиваться системный подход при изу-

чении любых процессов и явлений.

1 Основные понятия и определения

1.1 Основные понятия системного анализа

Основы теории систем являются наиболее общими и развились в резуль-

тате интеграции знаний многих наук. Такие понятия, как система, структура,

среда, состояние, информация, управление приобрели статус общенаучных

/3/.

Под системой первоначально будем понимать совокупность взаимосвя-

занных элементов, каждый из которых связан с элементами системы более

тесно, чем с элементами, не входящими в систему и объединенными в каче-

стве внешней среды. Система может выделяться исследователем из окру-

жающего мира в соответствии с поставленной целью либо создаваться для

достижения некоторой цели.

Такое определение, хотя и не является строгим, все же позволяет отте-

нить два следующих понятия, возникающих при синтезе системы: необходи-

мость элементов системы и их достаточность (полноту). Первое означает,

что в систему включены элементы, только самые необходимые, без которых

ее функционирование невозможно. Второе – что включенных в нее элемен-

тов достаточно и не нужны другие, слабо связанные с ней.

С другой стороны, система должна обладать некоторым «системным»

свойством, не возникающим от обычного сложения свойств составляющих ее

элементов, то есть эмерджентностью. Например, отдельные детали двига-

теля внутреннего сгорания являются пассивными элементами, а собранные

вместе образуют активный элемент – двигатель, обладающий свойством со-

вершать механическую работу.

1.2 Основные понятия теории управления

В данной работе рассматриваются особенности системного подхода

применительно к управлению технологическими процессами. В связи с этим

обсудим ряд относящихся сюда понятий.

Любой технологический процесс осуществляется рабочими операциями

и операциями управления. Соответственно замена человека в рабочих опера-

циях называется механизацией, а замена человека в операциях управления

называется автоматизацией /4/.

Как видим из определения, в основе автоматизации лежит процесс

управления.

Управление есть целеобусловленное, целеподчинённое субъектно-

объектное взаимодействие, в результате которого достигается в той или иной

степени цель субъекта.

Главным в процессе управления является цель. Цель – это желаемый

мысленный конечный результат. Если есть цель, то начинается управление,

нет цели - не может быть и управления. Цель - первична, она - основопола-

гающая всего процесса управления.

Цель управления ставится человеком или группой людей, называемых

субъектом управления.

Для достижения поставленной цели субъект ищет средства. Под средст-

вами понимается все, что способствует достижению цели: от орудий труда и

энергетических источников до друзей, которые могут помочь. К средствам

относится и последовательность операций в процессе управления (алгоритм

управления). С использованием выбранных средств проводится управление и

достигается результат, пусть не всегда точно соответствующий цели, а хотя

бы в пределах допустимых отклонений. Такое взаимодействие ЦЕЛЬ-

СРЕДСТВА-РЕЗУЛЬТАТ показано на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Схема достижения цели

Понятия: цель, средства, результат имеют существенные различия.

Цель – идеальный образ, мысленная модель желаемого. Средства могут

быть реальными и абстрактными; это может быть и умственная работа и

вполне конкретные орудия труда, это и общественная деятельность и кон-

троль конкретного технологического процесса и многое, многое другое. Ре-

зультат – это конкретно существующее достижение (или недостижение) за-

данной цели.

В соответствии с поставленной целью субъект управления выделяет из

окружающей природы главное из средств достижения цели – объект управ-

ления и воздействует на него управляющими воздействиями, чтобы добиться

определенного его состояния или поведения. При этом объект подвержен

возмущающим воздействиям, которые обычно препятствуют достижению

цели.

Объект управления может иметь любую природу: и физическую, и хи-

мическую, и биологическую, и социальную. Естественно, что природа объек-

та управления в сильной степени влияет на характер процесса управления. В

англоязычной литературе нет единого термина, эквивалентного нашему по-

нятию “управление”. Там существует три самостоятельных термина: govern-

ment – государственное управление, management – управление в сфере бизне-

са, control – управление в технических системах. Введение различных терми-

нов для обозначения управления различными объектами подчёркивает, что

имеющиеся особенности процесса управления, являющиеся следствием раз-

личной природы объектов, весьма существенны.

Объект управления может быть не только материальным (например, в

случае управления роботом), но и идеальным объектом (например, при

управлении проектами). В качестве объекта управления можно рассматри-

вать технологический процесс изготовления какого-либо продукта. Таким

образом, объект управления – часть объективной реальности, которую выде-

ляет субъект в соответствии с поставленной целью управления.

От объекта управления зависят средства управления. Они различны, но

Цель Средства Результат

всегда соответствуют объекту, а объект согласован с целью, то есть сущест-

вует закон соответствия. В простейших случаях этот закон приводит к пол-

ной детерминированности процесса управления, то есть чёткой определённо-

сти в каждый момент времени. Например, пусть объектом управления явля-

ется резервуар с жидкостью, в котором уровень жидкости может понижаться

за счёт ее расхода. Цель управления будет состоять в обеспечении возможно-

сти в любой момент пользоваться этой жидкостью (например, для полива).

Она характеризуется конкретным параметром – уровнем жидкости в резер-

вуаре и, следовательно, технически формулируется постоянством этого

уровня. Средство управления должно обеспечивать долив жидкости при по-

нижении её уровня. Результат может оцениваться точностью поддержания

заданного уровня.

Таким образом, организация процесса управления включает постановку

цели, поиск средств ее достижения и организацию их системного взаимодей-

ствия для достижения поставленной цели. Если эта задача теоретически ре-

шена, то следующим действием является правильное согласование взаимо-

действий в рамках модели цель – средство – результат. Рассмотрим этот

аспект подробнее.

1.3 Системные составляющие процесса управления

Выясним, как связано управление с рассмотренной выше схемой: цель –

средство – результат. К понятию «средство» в рассматриваемой системе

управления относятся: субъект управления, объект управления с действую-

щими на него возмущениями, ресурсы управляющих воздействий.

В качестве субъекта управления могут выступать и отдельный индивид,

и руководящий коллектив предприятия, или даже социальная группа. В

автоматических устройствах, работающих без участия человека, субъект

управления присутствует, образно говоря, «незримо». Он ставит цель управ-

ления, рассчитывает алгоритм работы, создает конструкцию и отлаживает её

работу. В этом случае автомат становится средством.

Результат управления достигается взаимодействием субъекта с объек-

том, при котором каждый из них проходит свою часть пути. Поэтому управ-

ление определено выше как субъектно-объектное взаимодействие.

Процесс управления заключается в деятельности субъекта, который на-

правляет управляющие воздействия с учётом определённых запасов – ресур-

сов управляющих воздействий, добиваясь результата в соответствии с по-

ставленной целью.

Ресурсы управляющих воздействий – это материальные и идеальные

средства, используемые субъектом управления при воздействии на объект

управления для достижения его целевого состояния или поведения.

В общем случае эти ресурсы управляющих воздействий могут как под-

водиться к объекту, так и отводиться от него. Так, для увеличения скорости

вращения двигателя необходимо подвести к нему дополнительную энергию,

а при уменьшении – отвести часть энергии.

В качестве ресурсов управляющих воздействий может быть использова-

на, прежде всего, энергия (электрическая, механическая, тепловая и так да-

лее), а также вещество, например, жидкость для поддержания заданного

уровня или песок для приготовления цементного раствора и так далее. В ка-

честве ресурсов может выступать даже информация.

На рисунке 1.2 показана взаимосвязь элементов системы в процессе

управления. Здесь указано только пять типов ресурсов управляющих воздей-

ствий, хотя их, конечно, гораздо больше.

Возмущающие воздействия – это те воздействия на объект управления,

которые субъект управления не может изменять по своему желанию.

Условно все виды возмущающих воздействий можно разделить на три

группы.

Первая группа - полезная нагрузка. Обычно это основное противодейст-

вие для достижения поставленной цели.

Вторая группа – внешние возмущающие воздействия среды.

Рисунок 1.2 – Взаимосвязь элементов системы в процессе управления

Третья группа – внутренние возмущающие воздействия, которые прояв-

ляются, прежде всего, в объекте управления, а, может быть, и в ресурсах

управляющих воздействий.

Суть процесса управления заключается в том, чтобы достичь цели

управления, несмотря на влияние всех возмущающих воздействий на объект

управления и при этом рационально использовать ресурсы управляющих

Процесс управления

Средства дос-

тижения цели

управления

Цель

Субъект

управления

вещество, энер-

гия, кадры, фи-

нансы, инфор-

мация и т.д.

Объект

управления

Возмущающие

воздействия

нагрузка,

внешнее воз-

действие,

внутренние по-

мехи

Ресурсы управ-

ляющих воздей-

ствий

Результат

воздействий.

Этого можно добиться различными способами, например опережением

подачи управляющего воздействия. Когда субъекту управления заранее из-

вестно о наступлении какого-то вида возмущающего воздействия, то можно

повысить эффективность процесса управления - можно заранее направить на

объект управления управляющие воздействия. Например, зная, что завтра

похолодание, заранее прогреть дом. Перед часом пик на общественном

транспорте увеличить число автобусов на маршруте и так далее.

На основании произведённого анализа средств, используемых в процес-

се управления, можно сделать следующие выводы:

а) совокупность цели, средств управления, объекта с учётом возмущаю-

щих воздействий образует систему управления. Причём цель и средства

управления образуют управляющую систему, а объект управления с учётом

возмущающих воздействий – управляемую систему;

б) система управления создаётся для достижения поставленной цели

управления. При этом предусматривается рациональное использование

имеющихся ресурсов;

в) для успешного достижения цели управления необходимо изучить со-

вокупность возмущающих воздействий. Более того, нужно рассмотреть сис-

тему, состоящую из внешних и внутренних возмущающих воздействий.

Таким образом, рассмотрение этих вопросов с точки зрения системных

понятий позволяет шире охватить всё многообразие процессов управления,

глубже разобраться в их специфических особенностях, полнее и качествен-

нее проводить синтез, то есть получать системы управления, удовлетворяю-

щие самым высоким требованиям.

1.4 Согласованность составляющих системы и методы ее достиже-

ния

Как выяснено выше, система - это совокупность элементов и взаимосвя-

зей между ними. Можно разбить процесс синтеза системы на три этапа: этап

формирования состава, этап упорядочивания и обеспечения взаимосвязи

элементов, этап согласования элементов и системы в целом. Реализация пер-

вых двух этапов частично обсуждена выше и будет обсуждаться далее.

Третьему этапу посвящен данный параграф.

При синтезе важна цель, которую ставит исследователь, выделяя ту или

иную систему, а также цель, которая достигается самой системой, если она

активная (целенаправленная). Кроме того, отдельным элементом необходимо

задавать внешнюю для системы среду. Таким образом, элементы, взаимосвя-

зи и цели образуют фундаментальные составляющие системы /5/.

Следующим вопросом, предъявляемым выделенной (или синтезированной)

системе, является вопрос об ее эффективности. Очевидно, что система будет

наиболее эффективной, если ее составляющие максимально согласованы

друг с другом.