Организацию любой системы. Поскольку система обладает свойством иерархичности (по определению), то элементом системы является подсистема. И только подсистема низшего уровня (уровня, на котором подсистема уже неделима) является собственно элементом. С другой стороны, конкретную систему можно рассматривать как подсистему большей системы (системы более высокого уровня). ледовательно, в системе можно выделить внутренние связи между ее п дсистемами и связи внешние, устанавливаемые ею с другими системами той большой системы, в которую она входит. Например, если факультет ВУЗа рассматривать как систему, то по дсистемами последней являются кафедры, и в то же время сам факультет наряду с другими факультетами является подсистемой учебного заведения.
Если для архитектора дом плюс отопительная система плюс электросистема плюс водоснабжение -одна большая система, то для инженера-теплотехника системой является отопительная система, а само здание есть внешняя среда. Для социолога -семья есть система, а дом, квартира -это окружение, или внешняя среда для этой семьи.
Если внутренние связи в системе в некотором смысле "сильнее" внешних, то система может существовать как таковая и явля ься подсистемой большей системы. Если же внутренние связи ослабевают и увеличивается сила или число внешних связей с отдельными элементами (подсистемами данной системы), то целостность нарушается, и система в рамках большей системы перестает существовать как целое.
Иерархичность системы. Элементы системы находятся в различных отношениях между собой и место каждого из них является местом на иерархической лестнице системы.
Система хотя и проявляет себя как единичный и целостный объект, но состоит из элементов (подсистем, частей), т.е., систем более низкого порядка. В то же время она сама может быть системой (подсистемой, частью), входящей в состав системы более высокого порядка.
Все элементы нашего мира взаимосвязаны в той или иной степени. Отсюда следует, что в принципе существует только одна Система под названием "Мир" (Вселенная, и т.д.), а всё, что в нём существует, является его элементами (подсистемами, СФЕ, частями, элементами, членами, и т.д.). Мы пока не знаем ни целей этой Системы, ни даже того, существует ли эта Система (Вселенная, доступная нам в изучении) в единственном числе, или их много. Возможно существуют бесконечные продолжения в стороны более высокого или низкого порядков.
Но в любом случае биосфера является органичным элементом этого мира и, в то же время, окружающей средой для организма человека. А организм человека является естественным элементом биосферы, которая воздействует на него и вызывает его реакции. Именно воздействия внешней среды могут привести к различным болезням – поражениям различных СФЕ организма.
Иерархичность систем обусловлена иерархичностью целей. У системы есть цель. А для достижения этой цели необходимо решить ряд более мелких подцелей, для которых большая система содержит ряд подсистем различной степени сложности, от минимальной (СФЕ) до максимально возможной сложности.
Иерархичность – это различие между целями системы и целями её элементов (подсистем), которые являются для неё подцелями. Причём, системы более высокого порядка ставят цели перед системами более низкого порядка. Таким образом, цель высшего порядка подразделяется на ряд подцелей (целей более низкого порядка). Иерархия целей определяет иерархию систем. Для достижения каждой из подцелей требуется специфический элемент (следует из закона сохранения). Управление в иерархической лестнице осуществляется согласно закону "вассал моего вассала не мой вассал". Т.е., прямое управление возможно лишь на уровне "система – собственная подсистема", и невозможно управление системой подсистемы её подсистемы. Царь, если он хочет отрубить голову рабу, он не делает это сам, а приказывает своему подчинённому палачу.
Любой живой организм является частью (системой, подсистемой) системы более высокого порядка – семьи, рода, вида и мира живых существ. А эти системы более высокого порядка, в свою очередь, являются элементами другой системы ещё более высокого порядка, называемой биосферой, которая сама является элементом системы ещё более высокого порядка, называемого "планетой Земля". Элементы живого организма (системы и подсистемы, состоящие из клеток, жидкостей и пр.) являются системами более низкого порядка по отношению к нему самому. Цель организма как системы – выжить в условиях биосферы. Эта цель подразделяется на ряд более мелких целей (подцелей) – двигаться, питаться, снабжать себя кислородом, удалять из себя все конечные продукты метаболизма, и т.д. Для каждой из этих подцелей существуют специфические системы (подсистемы, элементы), каждая из которых имеет только их специфические функции.
2. Суть преобразований в системе
Иерархичность системы состоит в том, что она может быть рассмотрена как элемент системы более высокого порядка, а каждый ее элемент, в свою очередь может являться системой более низкого уровня.
Эмерджентность определяет, что сумма свойств элементов не равна свойствам системы.
Функциональность предопределяет, что все элементы системы действуют и взаимодействуют в рамках своего функционального назначения.
Необходимым условием системного образования является:
наличие как минимум двух элементов;
наличие связи между элементами;
наличие функции;
наличие цели;
наличие тектологической границы.
Элемент – это неделимая часть системы. Дальнейшее деление элементов приводит к разрушению его функциональных связей с другими элементами и получению свойств выделенной совокупности, неадекватной свойствам элемента как целого.
Связь - это то, что соединяет элементы и свойства системы в единое целое. Связи между элементами и подсистемами одного и того же уровня называются горизонтальными, а связи системы со всеми подсистемами соподчиненных иерархических уровней называются вертикальными.
Подсистема - выделенное по определенным правилам и признакам целенаправленное подмножество взаимосвязанных элементов любой природы.
Каждую подсистему можно разделить на более мелкие подсистемы. Система отличается от подсистемы только лишь правилом и признаками объединения элементов. Для системы правило является общим, а для подсистем – более индивидуальным. Исходя из этого, систему можно представить и как нечто целое, состоящее из подсистем, каждую из которых можно рассматривать относительно самостоятельно. Подсистемы, выделенные на одном горизонте, являются подсистемами одного уровня. Деление подсистем на подсистемы более низкого уровня называется иерархией и означает подчинение более низкого уровня системы более высокому.
Тектологические границы как область соприкосновения взаимодействия нескольких систем (элементов систем), являются контурами системы.
Цель системы – это "желаемое" состояние ее выходов, т.е. некоторое значение или подмножество значений функций системы. Цель может быть заданной извне или поставлена системой самой себе, в этом случае цель будет отражать внутренние потребности системы.
Функция системы задается из вне и показывает, какую роль данная система выполняет по отношению к более общей системе, в которую она включена составной частью, наряду с другими системами, выступающими для нее внешней средой. Любое изменение функции, производимое средой, вызывает смену механизма функционирования системы, а это приводит к изменению структуры системы и связей. Система существует пока она функционирует.
Структура системы представляет собой совокупность устойчивых связей и отношений элементов, конкретизированных по величине, направлению и назначению.
Множество систем, существующих в окружающем нас мире, можно классифицировать в зависимости от ряда признаков.
Наиболее часто используются следующие подходы к классификации:
по взаимодействию с окружающей средой;
по степени сложности;
по возможности действия системы во времени;
по назначению объекта;
по формальным свойствам формальной системы.
По взаимодействию с окружающей средой системы подразделяются на закрытые и открытые.
По степени сложности различают простые и сложные. Простые системы характеризуются небольшим количеством внутренних и внешних связей.
По возможности действия системы во времени системы делятся статические и динамические. Статические системы характеризуются не изменчивостью, т.е. их параметры не зависят от времени. Динамические системы, в отличие от статических, изменчивы, т.е. их параметры связаны со временем.
По назначению объекта системы подразделяются на: организационные, энергетические, технические, управленческие и т.д.
По формальным свойствам формальной (например, математической) системы: линейные, нелинейные, непрерывные, дискретные и другие системы.
С позиции системного подхода управление рассматривается как многомерная система и предполагает выделение в системе:
управляемой системы, являющейся объектом управления;
управляющая система, субъект управления, является частью системы;
управления, осуществляющей управленческое воздействие.
- системы произвольной природы (технические, экономические, биологические, социальные) и назначения, имеющие многоуровневую структуру в функциональном, организационном или каком-либо ином плане. ИСУ изучаются в кибернетике технической, в системотехнике, кибернетике экономической и кибернетике биологической. ИСУ весьма разнообразны, встречаются они в различных областях деятельности человека и в природе. Типичными примерами технических ИСУ являются объединенные энергетические системы, транспортные системы, системы связи, пром. комплексы типа нефтеперерабатывающих и хим. заводов, горнопром. предприятий, включающих в себя шахты, обогатительные фабрики и пр. Широкое использование электронныхцифровых вычислительных машин (ЭЦВМ) для управления производством особо повлияло на многообразие ИСУ, с которым теперь приходится сталкиваться (см. Управляющая вычислительная машина). Классическим примером в этом смысле может служить ИСУ крупными металлург, предприятиями. На рис. 1 приведена такого рода система управления металлург, комбинатом, имеющаячетырехуровневую иерархию ЭЦВМ. В комбинат входят коксовые печи и цехи: шихтовый, чугуноплавильный, сталеплавильный, слябинговый, горячей и холодной прокатки и обработки изделий. ЭЦВМ верхнего уровня (1) предназначается для решения генеральных задач планирования, эконом, прогнозирования, регулирования запасов и др. задач чисто организационного, а не технологического характера. ЭЦВМ 3-го уровня (2 и 3) используются для составления долгосрочных календарных планов работы комбината, причем одна из них (2) предназначена для планирования работы подготовительных цехов (коксового, чугунолитейного и сталеплавильного), а с помощью второй - (3) осуществляется составление календарных планов работы для остальных цехов и участков.
1. Иерархическая система управления металлургическим комбинатом.
С помощью ЭЦВМ 2-го уровня иерархии (4-9) осуществляется разработка краткосрочных детальных календарных планов работы для каждого из цехов, а также производится сбор и обработка информации, необходимой для осуществления процесса автоматизированного управления работой цехов и их отдельных участков. ЭЦВМ 1-го уровня (10-16) предназначены для автомат, управления технологическими процессами и отдельными агрегатами (шихтовочными машинами, домнами, конвертерами и пр.).
Иерархические структуры встречаются также в различных системах административного управления, системах управления военными операциями, а также при изучении разнообразных проблем экономики, напр., система управления нар. х-вом СССР может быть представлена в виде семиуровневой иерархической структуры (рис. 2). Первые три нижних уровня относятся к проблематике, связанной с решением задач автоматического или автоматизированного (т. е. с участием человека) управления производством. На этих уровнях большую роль в процессе управления играют автомат. средства, а не человек, в то время как на остальных (верхних) уровнях осуществляется административное и организационное (планирование экономики) управление, и большее значение в процессе этого управления принадлежит людям, а не автомат, устройствам.
Часто иерархические структуры встречаются II при решении различных вычислительных задач, в графов теории, в логике математической, лингвистике математической, программировании эвристическом и во многих др. случаях. Столь широкое распространение ИСУ и универсальный характер их обусловлен рядом преимуществ, которыми они обладают по сравнению с системами централизованного (радиального) управления. Оси. из преимуществ: 1) свобода локальных действий (в течение интервалов времени, обусловленных моментами поступления управляющих воздействий со стороны вышележащего по иерархической лестнице уровня); 2) возможность целесообразно сочетать различные для каждого из уровней системы локальные критерии оптимальности и глобальный критерий оптимальности системы в целом; 3) отсутствие необходимости пропускать очень большие потоки информации через один пункт управления, т. к. при использовании ИСУ информация с нижнего уровня передается на верхний в осреднением (обобщенном) виде; 4) повышенная надежность системы управления и большие возможности введения элементной избыточности в систему на необходимом уровне управления; 5) гибкость системы управления и широкие возможности приспособления ее к изменяющимся условиям; 6) универсальность при решении однотипных в целом, но отличающихся в деталях проблем управления; 7) в ряде случаев - экономическая целесообразность по сравнению с системами управления иной структуры. Поэтому ИСУ уделяется большое внимание и производятся попытки построить теорию, позволяющую рационально проектировать ИСУ для самых различных целей. Основными разделами теории ИСУ, разработанными к настоящему времени в определенной мере, являются: а) структурный анализ и синтез ИСУ, б) проблема координации действий ИСУ, в) оптимизация функционирования ИСУ.
Задачи структурного анализа и синтеза ИСУ весьма разнообразны. Многое в этих вопросах зависит от того признака, который положен в основу при подразделении сложной системы на соответствующие уровни иерархии. При этом одну и ту же систему можно расчленять на различное к-во уровней иерархий в зависимости от того, какой признак положен в основу при построении структуры ИСУ. Чаще всего это организационный признак и это позволяет отображать фактически существующую субординацию. Напр., при рассмотрении административных или военных проблем этот подход является вполне естественным, да и в большинстве других случаев имеются основания принять в качестве основного организационный принцип. Это утверждение справедливо, в частности, и при выборе структуры управления многими производствами и в иных случаях. При этом каждый из уровней можно подразделять еще на ряд подуровней уже по другому признаку. В качестве последнего можно, в частности, использовать избранный принцип управления: 1) с отрицательной обратной связью, 2) с самонастройкой или, вообще, адаптивный, 3) обучение,
4) самоорганизация и др. На рис. 3, а изображена схема, которая демонстрирует расчленение ИСУ на осн. уровни по указанным на рис. признакам с дальнейшим подразделением каждого из уровней на подуровни в соответствии с осн. принципами управления. В ряде других случаев подразделение на осн. уровни или расчленение осн. уровней на подуровни можно производить по признаку, характеризующему определенный аспект деятельности системы. Так, на рис. 3, б указано такого рода подразделение на три уровня, характеризующих технологический, информационный и эконом, аспекты функционирования ИСУ.
(см. скан)
2. Иерархическая структура системы управления народным хозяйством СССР (по В. А. Трапезникову).
Иногда процесс расчленения на уровни по последнего рода признакам именуют спец. термином - стратифицированием системы, а сами уровни называются стратами.
Подразделение системы на иерархически связанные друг с другом уровни производят и по временному признаку. В этом случае в основу при отнесении элементов к тому или другому уровню кладется величина интервала времени, через который необходимо вмешательство последующего уровня в процесс управления предыдущим уровнем для обеспечения нормального функционирования системы.
На рис. 3, в приведен пример подразделения ИСУ на уровни по такому признаку применительно к задаче управления энергетической системой. Подразделение на уровни и по организационному и по временному признакам может приводить либо к одной и той же структуре, либо - к разным. Расчленение по временному признаку оказывается весьма целесообразным при проведении теоретического исследования ИСУ, т. к. в этом случае каждый из уровней можно изучать независимо от других в течение отрезка времени, протекающего от одного момента подачи сигнала управления с верхнего уровня на нижний до следующего такого же момента. Это обстоятельство и обуславливает относительную локальную независимость подсистем, входящих в ИСУ.
ИСУ образуется также в результате расчленения какой-либо сложной задачи на более простые подзадачи. Полагают, в частности, что мозг человека устроен так, что в процессе принятия решения интуитивно более сложная задача сводится к иерархии менее сложных задач.
Приведенные различные признаки (или свойства) использовались для построения иерархической структуры «по вертикали». Элементы внутри одного и того же уровня могут быть при этом либо связаны друг с другом непосредственно, либо не связаны. Однако и во втором случае будет осуществляться косвенная связь между ними через верхний уровень. Напр., это может быть в том случае, если критерий оптимальности последующего уровня функционально зависит от локальных критериев подсистем предшествующего ему уровня. Этим системы с иерархической структурой существенно отличаются от обычных многосвязных систем, т. к. в последних при отсутствии непосредственной связи между элементами система распадается на отдельные, не связанные друг с другом части. Каждый из элементов, входящих в тот или иной уровень ИСУ, может сам по себе иметь достаточно сложную структуру. Напр., это может быть самонастраивающаяся, самообучающаяся или самоуправляющаяся система автомат, регулирования. Так, на рис. 4, а изображена
двухуровневая ИСУ, состоящая из двух (может быть и больше) самоуправляющихся подсистем, соединенных во втором уровне иерархии по принципу отрицательной обратной связи.
Все ИСУ, независимо от их природы, можно подразделить на два больших класса: ИСУ с обратными связями, когда информация с нижнего уровня передается на близлежащий верхний уровень (или несколько верхних уровней), и ИСУ с прямыми связями управления, когда имеются только сигналы управления, идущие с верхнего уровня на близлежащий нижний.
(см. скан)
3. Подразделение иерархических систем управления: а - по организационному признаку и по принципам управления: 6 - по технологическому, информационному и экономическому признакам; в - по временному признаку.
В этом случае структура ИСУ имеет вид «дерева». ИСУ с обратными связями имеют существенные преимущества по сравнению с ИСУ, не имеющими таковых.
Осн. задачами, возникающими при исследовании ИСУ, являются задачи анализа и задачи синтеза иерархических систем. Задачи анализа встречаются при изучении уже существующих объектов, а задачи синтеза - при проектировании новых систем. В последнем случае приходится решать вопрос о необходимом к-ве уровней иерархии, в связи с чем и проводились попытки решить задачу о выборе оптим. к-ва уровней иерархии как задачу вариационного исчисления. Для решения задач анализа ИСУ находят широкое применение методы теории графов.
Проблема координации управляющих воздействий является специфичной для ИСУ, хотя существенны и стандартные задачи: устойчивости движения, определения качества переходных процессов, условий автономности, инвариантности, чувствительности и др. (см. Устойчивости дискретных систем теория, Инвариантность систем автоматического управления). Задача координации ИСУ сводится к отысканию тех принципов (законов управления), которые можно положить в основу при определении воздействий передаваемых с каждого из верхних уровней на подсистемы соседнего нижележащего уровня. Всегда возникает также необходимость искать целесообразный способ координации действий между подсистемами одного и того же уровня в ИСУ. Было предложено несколько принципов, пригодных для указанной только что цели. Один из них - принцип предсказаний взаимодействий - заключается в том, что управляющие воздействия с какого-либо верхнего уровня распределяются между подсистемами соседнего нижнего уровня таким образом, что каждая из подсистем становится автономной относительно всех других подсистем этого же уровня. Фактически этот принцип (как и другие) разработан только применительно к двухуровневым системам, но полагают, что многоуровневые системы можно подразделять на двухуровневые группы и для каждой такой группы можно использовать разработанный метод. Два других известных принципа координации именуют принципом баланса взаимодействий
и принципом оценки взаимодействий. На рис. 4, б изображена двухуровневая ИСУ с двумя подсистемами на первом уровне, с помощью которой можно наглядно продемонстрировать сущность принципов координации. Первый уровень управляет объектами подавая на вход их соответственно управляющие воздействия Второй уровень (координатор ) управляет регуляторами подавая на них координирующие воздействия - соответственно .
(см. скан)
4. Двухуровневая иерархическая система управления.
Вмешательство координатора проявляется в том, что от значений зависят управляющие воздействия и это обозначают в виде . В общем случае могут зависеть одновременно от тогда это обозначают как где Система наз. координируймой, если найдены такие значения у, что удовлетворяют общей цели, поставленной перед системой. Значения управляющих воздействий удовлетворяющие условию координируемости, обозначают через Для осуществления процесса координации существенное значение имеют величины характеризующие перекрестные взаимодействия между управляемыми объектами Текущие значения этих величин их и передаются к координатору и путем сопоставления их со значениями удовлетворяющими условиям координируемости системы, определяют ошибки рассогласования и используют их для построения алгоритма функционирования координатора. Стратегия координации, при которой значения управляющих воздействий удовлетворяют общей цели системы, когда принципом баланса взаимодействия. Если же последние соотношения заменяются на где допускаемый диапазон изменений взаимодействий то принцип координации именуют принципом оценки взаимодействий.
Фактический выбор той или иной стратегии координации производится на основе сопоставления результатов теоретических расчетов, моделирования и эвристических соображений. Теоретические расчеты сводятся к построению соответствующей итерационной процедуры, базирующейся на одном из известных, но специально для этой цели модифицированном методе оптимального управления. В частности, разработаны различные градиентные и интегральные процедуры (подача сигнала об интегральном значении величин к координатору) для обеспечения условия координации Рассматривались также вопросы сходимости этих процедур, выбора момента окончания итерационного процесса и др.
При исследовании более сложных ИСУ, имеющих больше двух уровней, характер задач при переходе от уровня к уровню будет существенно изменяться. Так, если для нижних уровней характерны именно описанные выше методы координации, то для средних уровней (проблемы информационного характера, связанные и с организационным и с административным управлением) задачи координации могут быть уже иными, а для верхних уровней, на которых решаются задачи чисто эконом, характера и долгосрочного планирования и прогнозирования, они приобретают и иной, еще более сложный характер. Считается, что по мере перехода от нижних уровней к верхним, решение задач все более и более затрудняется, так как приходится оперировать все с менее и менее достоверной информацией, и объема ее обычно не хватает для качественного
осуществления процесса управления (см. Управление с адаптацией). Однако уже хорошо известно, что только решение задач для всех уровней, а не только для нижних, позволяет действительно достичь существенных экономических результатов при использовании ИСУ.
Лит.: Коекин А. И. Оптимизация надежности и структуры иерархических систем управления. «Автоматика и телемеханика», 1965, т. 26, в. 11; Кухтенко А. И. О теории сложных систем с иерархической структурой управления. В кн.: Сложные системы управления. К., 1966; Куликовский Р. Оптимальное управление сложными иерархическими системами. В кн.: Труды III Международного конгресса Международной федерации по автоматическому управлению, т. 3. М., 1971; Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. Пер. с англ. К., 1973.
Большая система, как это кратко было описано в главе 1, - это сложная система, составленная из множества компонентов или меньших подсистем, которые выполняют свои функции, имеют общие ресурсы, и управляемая взаимосвязанными целями и ограничениями (Machmoud, 1977; Jamshidi, 1983). Хотя взаимодействие подсистем может быть организованно в различных формах, одна из общеизвестных - это иерархическая, которая естественна для экономики, менеджмента, в управлении предприятиями, в смешанных отраслях промышленности, таких как роботостроение, производство нефти, стали и бумаги. В этих иерархических структурах, подсистемы расположены на уровнях с различными степенями иерархичности. Подсистема на каком-либо уровне управляет или координирует подсистемы, расположенные на уровне ниже ее, и, в свою очередь, управляется или координируется подсистемой расположенной уровнем выше. Рисунок 4.1 показывает типичную иерархическую (многоуровневую) систему. Верхний уровень управления, иногда его называют координатор высшего уровня (supremal coordinator), можно сравнить с советом директоров корпорации, в то время как другие уровни можно сравнить с президентом, вице-президентом, директорами и т.д. Низший уровень может быть, например, управляющим завода, директором магазина и т.д. тогда как сама большая система - это корпорация. Несмотря на то, что представление иерархической структуры кажется вполне естественным, ее точное поведение еще не совсем изучено, из за того, что сделано мало исследований в области больших систем (March and Simon, 1958). Mesarovic и др. (1970) представили один из самых ранних формальных количественных подходов к иерархической (многоуровневой) системе.С тех пор было сделан много работ в этой области (Schoeffler and Lasdon, 1966; Benveniste et al., 1976; Smith and Sage, 1973; Geoffrion, 1970; Schoeffler, 1971; Pearson, 1971; Cohen and Jolland, 1976; Sandell et al., 1978; Singh,1980; Jamshidi, 1983; Huang and Shao, 1994a,b). Заинтересованный читатель может найти относительно исчерпывающую информацию об управлении многоуровневыми системами и их применении в работе Mahmoud (1977).
В этом разделе дано описание понятия «иерархия», свойств и типов иерархических процессов и представлены некоторые причины для их существования. Полная оценка иерархических методов представлена в разделе 4.6.
Ниже представлены основные свойства иерархических систем, хотя они не общеприняты:
1. Иерархическая система состоит из управляющих блоков, которые организованны по принципу пирамиды.
2. У системы есть общая цель, которая может совпадать или не совпадать с целью отдельных компонентов системы.
3. Различные уровни иерархии системы многократно обмениваются информацией между собой (обычно вертикально).
4. С увеличением уровня временной диапазон тоже увеличивается, то есть компоненты нижних уровней быстрее, чем компоненты верхних.
В иерархических (многоуровневых системах) можно выделить три основные структуры, в зависимости от параметров модели, искомых переменных, поведения и окружающей среды, изменчивости и существования множества взаимоисключающих целей и задач.
1. Многопластовая иерархическая структура. В этой многоуровневой структуре уровни называют пластами. Подсистемы нижнего уровня дают более точное описание большой системы, чем подсистемы верхнего уровня.
2. Многослойная иерархическая структура. Эта структура является результатом сложности процесса регулирования. Задачи управления распределены вертикально, как показано на рисунке 4.2 (Singh and Titli, 1978). В многослойной системе, которая изображена на рисунке, регуляция (на первом уровне) является прямым управлением, а за ним следует оптимизация (вычисление контрольных точек регуляторов), адаптация (непосредственная адаптация закона управления и модели управления) и самоорганизация (выбор модели и управление как функция параметров окружающей среды).
3. Многозвенная иерархическая система. Это самая распространенная из всех трех структур; она состоит из нескольких подсистем, которые располагаются на уровнях таким образом, что каждый уровень (как описано выше) может управлять подсистемами нижнего уровня, и управляется подсистемами верхних уровней. Эта структура, изображенная на рис 4.1, принимает во внимание взаимоисключающие цели и задачи различных подуровней. Другими словами, ступени высшего уровня достигают взаимоисключающих целей путем ослабления взаимодействия между ступенями низшего уровня. Распределение задачи управления данной структуры показано на рисунке 4.2 и, в отличие от многослойной структуры, - горизонтально.
Кроме вертикального и горизонтального распределения задач управления, существует третий способ - временное или функциональное распределение. Это распределение, дающее подсистемам функциональную оптимизацию проблемы, заключается в декомпозиции задачи на конечное число простых задач оптимизации на нижнем уровне и в результате дает немалое сокращение вычислений. Эта схема использовалась для иерархического управления дискретными системами у Jamshidi (1983).
Далее в этой главе говорится о том, как можно эффективно управлять иерархическими системами, используя процессы, известные как декомпозиция и согласование. Эти два процесса представлены на рис 4.3. В итоге, определение иерархического управления: (а) декомпозиция - разделение системы на множество подсистем, и (б) согласование работы этих подсистем, пока не будет достигнуто оптимальное управление всей системой (посредством многоуровневого итеративного алгоритма).
В разделе 4.2 описана возможность применения согласования для иерархических систем. раздел 4.3 посвящен управлению по разомкнутому контуру. Управлению по замкнутому контуру посвящен раздел 4.4, так же в нем даны определения «interaction prediction» и метода структурных возмущений. В разделе 4.5 описано иерархическое управление, основанное на разложение на ряды Тейлора и Чебышева. Проблема управления решается линейными алгебраическими уравнениями. На примерах показаны различные методы решений. Оптимизация линейных и нелинейных иерархических систем описана в главе 6. раздел 4.6 содержит дальнейшее развитие методов иерархического управления.
Иерархическая система
| Наименование параметра | Значение |
| Тема статьи: | Иерархическая система |
| Рубрика (тематическая категория) | Электроника |
Любая система содержит ряд подсистем, полученных выделением из исходной системы. В свою очередь, эти подсистемы состоят из более мелких подсистем и т.д.
Подсистемы, полученные выделением из одной исходной системы, относят к подсистемам одного уровня или ранга. При дальнейшем делении получаем подсистемы более низкого уровня. Такое деление называют иерархией (деление должностей на высшие и низшие, порядок подчинения низших по должности лиц высшим и т.п.). Одну и ту же систему можно делить на подсистемы по-разному - это зависит от выбранных правил объединения элементов в подсистемы. Правила разбиения системы на подсистемы˸
· каждая подсистема должна реализовывать единственную функцию системы;
· выделенная в подсистему функция должна быть легко понимаема независимо от сложности её реализации;
· связь между подсистемами должна вводиться только при наличии связи между соответствующими функциями системы;
· связи между подсистемами должны быть простыми (насколько это возможно).
Число уровней, число подсистем каждого уровня должна быть различным. Однако всегда необходимо соблюдать одно важное правило˸ подсистемы, непосредственно входящие в одну систему более высокого уровня, действуя совместно, должны выполнять все функции той системы, в которую они входят.
Управление любой организацией, производящей товары или оказывающей услуги, строится по иерархическому принципу. Деятельность по созданию товаров и услуг имеет место во всех организациях. Производство - это создание товаров и оказание услуг путем преобразования входа системы (необходимых ресурсов всех видов) в её выход (готовые товары и услуги). На производственных фирмах деятельность по созданию товаров обычно очевидна. Ее результатом являются конкретные товары (например, станки или самолеты). В других организациях, которые не создают физические товары, производственные функции могут быть менее очевидны, скрыты от публики и каждого из покупателей. Например, это деятельность, которая осуществляется в банке, офисе, аэролинии или колледже. Деятельность таких компаний называют сервисом. Управляющие производственной деятельностью принимают решения, которые необходимы для преобразования ресурсов в товары и услуги.
В иерархической системе управления любая подсистема некоторого уровня подчинена подсистеме более высокого уровня, в состав которой она входит, и управляется ею. Для систем управления деление системы возможно до тех пор, пока полученная при очередном делении подсистема не перестает выполнять функции управления. С этой точки зрения системой управления низшего иерархического уровня являются такие подсистемы, которые осуществляют непосредственное управление конкретными орудиями труда, механизмами, устройствами или технологическими процессами. Система управления любого другого уровня, кроме низшего, всегда осуществляет управление технологическими процессами не непосредственно, а через подсистемы промежуточных, более низких уровней.
Важным принципом построения системы управления предприятием является рассмотрение предприятия как системы с многоуровневой (иерархической) структурой (рис. 1.1). От звеньев, расположенных на более высоком уровне, идет поток управляющих воздействий, а информация о текущем состоянии объекта управления более низкого уровня поступает звеньям более высокого уровня. Рассматривая своеобразное ʼʼдеревоʼʼ управления, можно отметить, что преимущество иерархической структуры управления состоит в том, что решение задач управления возможно на базе локальных решений, принимаемых на соответствующих уровнях иерархии управления.
Иерархическая система - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Иерархическая система" 2015, 2017-2018.
на физическом уровне – описываются на языке физических законов процессы, происходящие в компьютере при переработке информации,
на языке информатики - применяется операционная система, языки программирования, трансляторы и т.д.
Страта (уровень абстракции и уровень описания) – каждая система может быть описана не менее чем на 2-х уровнях описания:
Например: Производственный процесс описывается 3 уровнями: 1. На языке физических законов, 2. На языке теории управления, 3. На языке экономики, т.е. продукт труда, рассматривается как товар.
Слой (уровень принятия решения)
Эшелон (уровень расположения или уровень подчинения элементов)
Многоуровневые иерархические системы
Многоуровневая система представляется с использованием 3-ех понятий уровней:
“Страта” - уровень описания или абстрагирования;
“Слой” - уровень сложности принимаемого решения;
“Эшелон” - организационный уровень.
Рассмотрим более подробно каждый из уровней.
“Страта” - уровень описания или абстрагирования.
Действительно сложную систему почти невозможно описать полно и детально. Основная дилемма состоит в нахождении компромисса между простотой описания и необходимостью учета многочисленных поведенческих характеристик сложной системы. Разрешение этой дилеммы ищется в иерархическом описании. Система задается семейством моделей, каждая из которых описывает поведение системы с точки зрения различных уровней абстрагирования. Для каждого уровня существует ряд характерных особенностей и переменных, законов и принципов, с помощью которых и описывается поведение системы. Чтобы иерархическое описание было эффективным, необходима как можно большая независимость моделей для различных уровней системы. Уровни абстрагирования, включающие стратифицированное описание называются стратами.
Для иллюстрации приведем несколько примеров созданных человеком систем, требующих стратифицированного описания. Рассмотрим модель электронной вычислительной машины. Ее функционирование обычно описывается не менее чем на двух стратах (рис. 1).
Рис. 1. Стратифицированное представление ЭВМ с помощью 2-х страт.
На первой страте система описывается на языке физических законов, в то время как на второй страте мы имеем дело с абстрактными нефизическими понятиями, такими, как двоичные разряды или информационные потоки. На страте физических законов нас интересует функционирование различных электронных компонентов. На страте обработки информации мы имеем дело с проблемами вычисления, программирования и т. д., а стоящие за этим физические законы не рассматриваются.
Другой пример стратифицированной системы, созданной человеком, автоматизированный промышленный комплекс. Полностью автоматизированный промышленный комплекс обычно моделируется на трех стратах:
физические процессы обработки материалов и преобразование энергии;
управление и обработка информации;
экономические процессы, где рассматриваются такие показатели как производительность и прибыльность и т.п.
Графически стратифицированное представление автоматизированного промышленного производства приведено на рис. 2.
Рис. 2. Стратифицированное представление автоматизированного промышленного производства
Заметим, что на любой из трех страт мы имеем дело с тем же самым предметом – основным физическим продуктом. На первой страте он рассматривается как физический объект, который подлежит обработке в соответствии с физическими законами; на второй страте его рассматривают как управляемую переменную; на третьей страте это уже товар как экономическая категория. Для каждого аспекта этой системы имеется свое описание и своя модель, однако система, конечно, остается одной и той же.
“Слои” - уровень сложности принимаемого решения.
Почти в любой реальной ситуации принятие решения существует две предельно простые, но чрезвычайно важные особенности:
Когда приходит время принимать решения, принятие и выполнения нельзя откладывать;
Неясность относительно последствий различных альтернативных действий и отсутствие достаточных знаний о имеющихся связях препятствуют достаточно полному формализованному описанию ситуации, необходимому для рационального выбора действий.
Функциональная иерархия принятия решения учитывает три основные аспекта проблемы принятия решения в условиях полной неопределенности:
выбор стратегии, которая должна быть использована в процессе решения;
уменьшением или устранением неопределенности;
поиском предпочтительного или допустимого способа действий, удовлетворяющего заданным ограничениям.
Обычно же функциональная иерархия состоит из трех слоев:
Слой выбора: задача этого слоя - выбор способа действий т. Принимающий решение элемент на этом слое получает внешние данные (информацию) и, применяя тот или иной алгоритм (определяемый на верхних слоях), находит нужный способ действий.
Слой обучения, или адаптации. Задача этого слоя - конкретизация множества неопределенностей U, с которым имеет дело слой выбора. Следует заметить, что множество неопределенностей U рассматривается здесь как множество, включающее в себя все незнание о поведении системы и отражающее все гипотезы о возможных источниках и типах таких неопределенностей. U получают, конечно, с помощью наблюдений и внешних источников информации. Назначение, второго слоя - сужение множества неопределенностей U .
Слой самоорганизации. Этот слой должен выбирать структуру, функции и стратегии, используемые на нижележащих слоях, таким образом, чтобы по возможности приблизиться к глобальной цели (обычно определяемой в терминах, которые трудно сделать операционными). Если общая цель не достигается, этот слой может изменить стратегию обучения на втором слое в случае неудовлетворительности оценки неопределенности.
Графически функциональная многослойная иерархия решений приведена на рис. 3.
Рис. 3. Функциональная многослойная иерархия решений.
Многоэшелонные системы: организационные иерархии.
Это понятие иерархии подразумевает, что: 1) система состоит из семейства четко выделенных взаимодействующих подсистем; 2) некоторые из подсистем являются принимающими решения (решающими) элементами и 3) принимающие решения элементы располагаются иерархически в том смысле, что некоторые из них находятся под влиянием или управляются другими решающими элементами.
Блок-схема системы такого типа приведена на рис. 4. Уровень в такой системе называется эшелоном. Эти системы мы будем называть также многоэшелонными, многоуровневыми.
Рис. 4. Многоуровневая организационная иерархия; многоэшелонная система.
Рис. 5. Вертикальное распределение задач для организации иерархий.
Рис. 6. Многослойное представление функционирования решающих элементов многоэшелонной системы.
Рис.7. Представление решающих элементов, образующих многослойную иерархию в виде многослойных и многоэшелонных иерархий.