Управление в сложных и больших системах

Уровни взаимодействия. Относительная сила взаимодействия между различными компонентами системы управления и уровнями иерархии может быть различной. В ряде случаев слабое взаимодействие, вообще говоря, повышают сложность системы, однако практически этими взаимодействиями часто можно пренебречь и таким образом получить менее сложную модель системы.

В целом можно отметить, что изучение БС путем непосредственного обследования ее состояний оказывается весьма громоздким. Следовательно, необ­ходимо использовать ЭВМ и разрабатывать методы, позволяю­щие сократить число обследуемых состояний большой системы.

1. Сокращение чис­ла состояний большой системы – первый шаг в формальном описании систем.

Взаимосвязь и взаимодействие между элементами в большой системе. Разделение системы на элементы и подсистемы может быть произведено различными способами. Элементом системы будем называть совокупность различных технических средств и людей, которые при данном исследовании рассматриваются как одно неделимое целое.

2. Расчленение системы на элементы – второй шаг при формальном описании системы. Внутренняя структура при этом не является предметом исследования. Имеют значения только свойства, определяющие его взаимодействие с другими элементами системы и оказывающие влияние на характер системы в целом.

3. Выделение подсистем – третий важный шаг при формальном описании большой системы. Формально любая совокупность элементов системы вместе со связями между ними может рассматриваться как ее подсистема. Использование этого понятия оказывается особенно плодотворным в тех случаях, когда в качестве подсистем фигурируют некоторые более или менее самостоятельно функционирующие части системы.

Подсистемы большой системы сами могут быть большими системами, кото­рые легко расчленить на соответствующие подсистемы.

Пример 1.3. Так, большую систему «Городской пассажирский транспорт» по ви­дам транспорта можно расчленить на подсистемы: троллейбусы, автобусы, трамвай, метрополитен, такси. Каждая из этих подси­стем, в свою очередь, является большой системой.

Иерархичность структуры управления.

Управление в большими системами может быть:

· централизованным;

· децентрализованным.

Определение 1.51. Централизованное управление это управление предполагающее концент­рацию функции управления в одном центре большой системы ( рис.1.21а ).

Определение 1.52. Децентрализо­ванное управление – такое управление, когда функция управления распределяется по отдельным эле­ментам большой системы (рис. 1.21б ).

Рис. 1.21. Виды централизации управления

Типичные большие системы, встречающиеся на практи­ке, относятся, как правило, к промежуточному типу, когда сте­пень централизации находится меж ду двумя крайними случаями: чисто централизованным и чисто децентра лизованным. Децентрализация управления позволяет сократить объем пе­рерабатываемой информации, однако в ряде случаев это приво­дит к снижению качества управления.

Для управления с иерархичной структурой управления харак­терно наличие нескольких уровней управления. Примеры иерархической структуры управления: администра­тивное управление, управление в вооруженных силах, снабжение.

Обязательное наличие человека в контуре управле­ния больших систем, делает ее всегда эргатической системой.

Эта особенность больших систем связана с целым ря­дом факторов:

· участие человека в большой системе требует, чтобы управление учитывало социальные, психологические, моральные и физиологические фа­кторы, которые не поддаются формализации и могут быть уч­тены в системах управления только человеком;

· необходимость в ряде случаев принимать решение на основе неполной информации;

· требование учета неформализуемых фактором.

· могут быть системы, в которых нет отношений подчинен­ности, а существуют лишь отношения взаимодействия (межгосу­дарственные отношения, отношения предприятий «по горизон­тали»).

В настоящее время имеются исследования, направленные на оптимизацию иерархических структур. В частности, в работе [25] поставлена задача об оптимальной структуре (иерархии), приведена ее редукция к оптимизационной задаче на множестве графов специального типа (графы организации) для так называемых структурных функционалов. Постулируемые свойства функционала (выпуклость, вогнутость) позволили авторам создать эффективный формализм, сводящий исследование оптимальных графов и исследованию свойств функционала. В этой же работе исследованы вопросы сложности и построение алгоритмов поиска оптимальных иерархических структур (в частности, деревьев) Показано, что именно древовидные структуры в ряде случаев являются оптимальными.

Управление в сложных и больших системах принципиально отличается от традиционного представления об управлении, в частности, от того, что принято называть «оптимальным управлением», т.е. переходом системы в желаемое состояние по некоторому оптимальному пути. Это связано с тем, что сложные и большие системы слабопредсказуемы, определить как желаемое, так и практически достижимое состояние невозможно. Тем более, невозможно выбрать и навязать системе «оптимальный» (в детерминистическом или статистическом смысле) путь перехода, поскольку структура и функции системы, в общем случае, не взаимоопределимы. По содержанию и механизму действия управление сложными системами, в том числе самоуправление, наиболее близко к физиологическим процессам возбуждения и торможения (внешнего и внутреннего стимулирования).

Прямые и обратные связи, все виды и формы воздействия, если они не приводят к разрушению системы, не более чем стимулы, возбуждающие или тормозящие внутрисистемные процессы, ход и последствия которых в основном определяются самой системой.

Проблема управления сложными системами в исследовании влияния возбуждающих и тормозящих стимулов на поведение системы и конечный результат, а также в использовании стимулирования для достижения требуемой эффективности системы. Возбуждение может перейти в торможение и наоборот: при изменении уровня стимула и состояния системы, поэтому априорная оценка характера воздействия затруднительна. Управление должно достигаться ценой относительно малого энергоресурса. Типичным в этом смысле является информационное управление, при котором энергоресурс управления незначителен по сравнению с энергоресурсом объекта управления.

Сложная система не только обладает большим энергоресурсом, но и большой динамической инерционностью.

Основу рационального развития системы представляет механизм ее управления. Механизм управления системой содержит два контура обратной связи (рис.1.22). Один служит обеспечению устойчивости и цельности или гомеостазиса систем на основе саморегуляции, а другой контур обратной связи осуществляет саморазвитие системы на основе эффективного использования накопленной информации при принятии решений. Для повышения устойчивости системы, уровня ее организации и надежности осуществляется оценка текущего ее состояния, учет прошлого опыта.

Устойчивое функционирование системы требует обеспечения в гомеостатическом диапазоне допустимого изменения жизненно важных параметров и потому эти параметры в процессе функционирования не должны выходить за пределы допустимых норм.

Что касается технических систем, то различные регуляторы также обеспечивают их функционирование в заданных диапазонах допустимых отклонений.

Рис. 1.22. Схема механизма управления для самоорганизующихся систем

В случае если обратные связи в системе недостаточны, или действуют с большим запаздыванием, тогда параметры системы выходят за пределы допустимых значений и система теряет устойчивость, если не принять специальных мер по управлению.

При исследовании систем весьма важно учитывать динамику процесса развития системы. Система тем устойчивее, чем быстрее она реагирует на возникающие отклонения от нормы. В сложных системах, имеющих большую инерционность, к которым относятся социально-экономические и экологические системы, управляющее воздействие должно учитывать для устойчивого развития как величину отклонения важных параметров от нормы, а также скорость и ускорение отклонения. Для обеспечения устойчивости таких инерционных систем необходимо упреждающее воздействие, которое не позволит системе перейти в неустойчивое или катастрофическое состояние.

Характерной особенностью современного этапа теории управления является не только разработка оптимальных в смысле поставленной цели систем, но и оптимизации самих алгоритмических системных методов исследования. Невозможность или сложность решения этой задачи приводит к появлению адаптивных систем управления объектами, параметры которых не известны. В них на основе оценок параметров объекта настраиваются параметры регулятора так, что со временем вся система управления начинает функционировать оптимально.

Результаты оптимизации во многом зависят от того, насколько точно соблюдаются предположения и ограничения принятые при постановке задачи оптимизации. К сожалению, эти предположения обычно выполняются лишь приближенно, в результате чего и оптимальные алгоритмы и сама система становятся сильно чувствительными, нестабильными и могут не только потерять свои свойства, но и стать полностью неработоспособными.

Преодоление этих нежелательных свойств возможно двумя путями.

1. Путем учета доступной априорной информации о наблюдениях и принимаемых решениях. Эта информация, даже самого общего характера, зачастую способна обеспечить стабильность адаптивных алгоритмов.

2. Путем построения грубых малочувствительных (робастных) систем. Робастность системы к каким-либо внешним факторам определяется различным образом в зависимости от того, какие именно ее свойства, характеристики или показатели качества анализируются на чувствительность.

Предметом изучения теории управления являются сами системы управления, состоящие из множества взаимодействующих элементов, принадлежащих объекту управления и комплексу управляющих устройств. Для их изучения должен применяться системный подход, требующий не просто учета всех существующих факторов, влияющих на состояние отдельных элементов, но и, прежде всего, рассмотрения системы в ее целостности.

Именно такой подход привел к созданию систем управления, которые в условиях воздействия многих случайных и иных факторов способны функционировать также хорошо, как и опытный человек-оператор, а возможно, и еще лучше [58]. Такой тип систем управления называют системами управления на основе знаний. Особую роль среди этих систем играют системы принятия решений.

Определение 1.53. Управление в системе — внутренняя функция системы, осуществляемая в системе независимо от того, каким образом, какими элементами системы она должна выполняться.

Определение 1.54. Управление системой — выполнение внешних функций управления, обеспечивающих необходимые условия функционирования системы.

Управление системой (в системе) используется для следующих целей:

· увеличения скорости передачи сообщений;

· увеличения объема передаваемых сообщений;

· уменьшения времени обработки сообщений;

· увеличения степени сжатия сообщений;

· увеличения (модификации) связей системы;

· увеличения информации (информированности).

Многообразие. Если число возможных состояний системы S равно N, то общее количество разнообразия системы может быть оценено по формуле

V (N) = log₂ N.

Пусть управляемая система обладает разнообразием V (N ₁), а управляющая – V (N ₂). Цель управляющей системы – уменьшить значение V (N ₁) за счет изменения V (N ₂). В свою же очередь, изменение V (N ₁), как правило, влечет изменение и V (N ₂), а именно, управляющая система может эффективно выполнять присущие ей функции управления лишь при условии, если верно неравенство: .

Это неравенство выражает принцип (Эшби) необходимого разнообразия управляемой системы.

Управляющая подсистема системы должна иметь более высокий уровень организации (или большее разнообразие, больший выбор), чем управляемая подсистема, т.е. многообразие может быть управляемо (разрушено) лишь многообразием.

Чем разнообразнее входные сигналы (параметры) системы, число различных состояний системы, тем разнообразнее обычно выходные сигналы, сложнее система, тем актуальнее проблема поиска вариантов управления.

Дата добавления: 2015-04-30