asyan.org
добавить свой файл
1
ПП.47 Охарактеризуйте рівні складності багаторівневої ієрархічної системи

ПП.47

Теорія систем і системний аналіз

Побудова ієрархічної структури процесу або системи

Методи спрощення, керованості, спостерігаємості

Складна багаторівнева ієрархічна система — це цілісний об'єкт, утворений з|із| функціонально різнотипних систем, структурно взаємозв'язаних ієрархічною підлеглістю і функціонально об'єднаних|з'єднаних| на користь досягнення заданих цілей за певних умов.

Прикладами|зразками| реальних складних систем можуть бути сучасні виробничі об'єкти, космічні системи зв'язку, навігації, дистанційного зондування, сучасні системи управління регіонами, корпораціями, багатопрофільними фірмами і т.д. Аналіз таких систем є|з'являється,являється| практичною необхідністю, він не зводиться тільки|лише| до встановлення типу елементів або типу відносин. Істотною|суттєвою| для них є|з'являється,являється| наявність ієрархічної структури як у власній топології, так і в системах управління.

Такі системи, по-перше, відрізняються як різноманіттям типів елементів (різні класи фізичних, хімічних, механічних типів елементів і ін.), так і різноманіттям типів відносин (від технологічного, продукційного взаємозв'язку до інформаційного обміну і взаємодії).

По-друге, для даних класів об'єктів багаторівнева ієрархічна структура сучасних складних і великих систем характеризується наступними|слідуючими| властивостями:

1. Відмінність|відзнака| значущості і можливостей|спроможностей| функціональних елементів (ФЕ) для різних ієрархічних рівнів.

2. Вільна поведінка ФЕ кожного рівня ієрархії в певних межах, яке встановлюють наперед|заздалегідь| або в процесі функціонування об'єкту.

3. пріоритет дій або право на втручання ФЕ верхнього рівня у ФЕ нижнього рівня залежно від фактичного виконання ним функцій.

Через приведені властивості ієрархічна система володіє поряд принципових особливостей, які визначають як загальні|спільні| проблеми дослідження, так і конкретні цілі проведення аналізу її структури і функцій, або структурно-функціонального аналізу (СФА|).

Розглянемо|розгледимо| ці особливості в об'ємі|обсязі|, який необхідний для розуміння основних цілей і завдань|задач| СФА| ієрархічних систем. Перш за все|передусім|, помітимо|відмітимо|, що можливе різне трактування поняття ієрархія і тому можливі різні види ієрархій. Найбільш істотна|суттєва| відмінність ієрархій визначається відмінністю поняття рівень в ієрархії. Необхідність введення|вступу| декількох понять рівень визначається складністю і різноманіттям цілей, завдань|задач|, функцій, властивостей і можливостей|спроможностей| реальних багаторівневих ієрархічних систем, а також різноманіттям властивостей, особливостей і наслідків|результатів| штатних, нештатних, критичних і надзвичайних ситуацій їх функціонування. Так, в роботі введено|запроваджено| три поняття рівня.

Ешелон — термін, який визначає рівень організаційної ієрархії. Ієрархічна структура об'єкту, відповідна поняттю ешелон має на увазі, що реальний об'єкт можна представити|уявити| у вигляді багаторівневої організаційної ієрархічної системи, яка володіє наступними|слідуючими| властивостями:

1. Складається з сімейства чітко виділених і чітко розподілених по рівнях підсистем.

2. Має чітко розподілені повноваження між рівнями і підсистемами одного рівня виходячи з формування, вибору і ухвалення|прийняття,приймання| рішень|розв'язань,вирішень,розв'язувань| в певній сфері відповідальності.

3. Забезпечує прямий і зворотний зв'язок по управлінню між підсистемами різних рівнів, а між підсистемами одного рівня — прямий і зворотний зв'язок по взаємодії. Такі системи прийнято називати багаторівневими і багатоцільовими.

Страта| — термін, який характеризує рівень опису або абстрагування. Ієрархічна структура об'єкту, відповідна поняттю страта|, припускає|передбачає|, що властивості реального складного об'єкту описані у формі деякої сукупності, в якій окремі описи приведені з різних точок зору і впорядковані по рівню їх значущості. Такі ієрархічні системи прийнято називати стратифікованими.

Шар — термін, який визначає рівень складності ухвалення|прийняття,приймання| рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування|.

Ієрархічна структура об'єкту, відповідна поняттю шар припускає|передбачає|, що загальна|спільна| процедура ухвалення|прийняття,приймання| рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування| реалізується у вигляді певної послідовності приватних процедур, кожна з яких забезпечує отримання|здобуття| рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування| з|із| певним ступенем|мірою| обгрунтованості і достовірності при рівнях неповноти, невизначеності, нечіткості і суперечності початкової|вихідної| інформації, що розрізняються. Таку ієрархічну структуру прийнято називати багатошаровою, багаторівневою, ієрархічною системою ухвалення|прийняття,приймання| рішень|розв'язань,вирішень,розв'язувань|.

Найважливіша особливість даних об'єктів полягає в тому, що багато процедур формування і аналізу ієрархічної структури є|з'являються,являються| такими, що принципово неформалізуються, а їх реалізація носить суб'єктивний характер|вдачу|. Ця особливість відноситься, в першу чергу|передусім,насамперед|, до загальної|спільної| структури ієрархії. Такі процедури, як вибір кількості рівнів (страт|, ешелонів, шарів) в ієрархії; виділення елементів на кожному рівні; вибір опису елементів кожного рівня; вибір апарату опису взаємозв'язків в ієрархічній структурі повністю залежить від ОПР|. У практиці проектування реальних, складних об'єктів, таких як космічних систем різного призначення загальну|спільну| організаційну ієрархію об'єкту (ділення|поділка,розподіл,поділ| об'єкту в цілому|загалом| на підсистеми 1-го рівня або виділення двох верхніх ешелонів (об'єкт і підсистеми) по вказаній вище термінології) визначає Генеральний конструктор об'єкту. Ділення|поділка,розподіл,поділ| підсистем 1-го рівня на підсистеми 2-го рівня виконує Головний конструктор відповідної підсистеми 1-го рівня і т.д. Такий підхід дозволяє здійснити системну інтеграцію організаційних завдань|задач| проектування — планування|планерування| робіт, формування колективів розробників, координацію робіт різних колективів і т.д.

Наступними|такими| важливими|поважними| системними поняттями є|з'являються,являються| поняття мети|цілі| системи і характеристики системи щодо|відносно| мети|цілі|.

Мета|ціль| - це кількісна або якісна міра первинних або вторинних|повторних| властивостей системи, яку за даних обставин дослідник вважає|лічить| найбільш переважною. Таким чином, складна система може розглядатися|розглядуватися| з погляду різних цілей. У цьому сенсі|змісті,рації| система задовольняє безлічі цілей. Ця особливість, що називається характеристикою системи щодо|відносно| мети|цілі|, може бути зміряна|виміряна| близькістю дійсних і бажаних проявів|виявів| тих властивостей системи, які передбачені метою|ціллю|. Звичайно вона визначається в термінах відповідної функції, званою характеристичною функцією.

Позначимо через безліч систем, що відрізняються властивостями, які в даному випадку визначають поняття мети|цілі| (решта властивостей співпадає|збігається|). Тоді характеристична функція, позначимо її w, має вид w(x x*): [0, 1], де w(x x*) є ступенем|мірою| відповідності даної системи x цільовій системі x*. Характеристичну функцію зручно визначати відповідною функцією відстані :R. Наприклад, визначати функцію відстані за допомогою співвідношення

w(x x*)= ,

де .

Помітимо|відмітимо|, що можливі і інші визначення відстаней, отже, і інші формули розрахунку.

Припустимо|передбачимо|, що тип мети|цілі| і відповідна характеристична функція визначені для деякої безлічі систем. З|із| кожною системою з|із| такої множини|безлічі| зв'язано значення характеристичної функції, що визначає ступінь|міру| відповідності системи заданої мети|цілі|. Це дозволяє визначити поняття Пасивних (казуальних) систем, для яких характеристика щодо|відносно| заданої мети|цілі| більше за деякий заданий поріг.

Формально для двох заданих систем x і у|в,біля| одного і того ж типа, певної мети x* і відповідної характеристичної функції w система x є|з'являється,являється| цілеспрямованою щодо|відносно| системи у|в,біля| і цілі x* з урахуванням|з врахуванням| характеристичної функції w тоді і тільки|лише| тоді, коли

w(x x*)> w(у|в,біля| x*).

Назвемо|накликатимемо| різницю w(x,y|x*)= w(x x*) - w(у|в,біля| x*)

ступенем|мірою| цілеспрямованості x відносно у|в,біля| при заданій меті|цілі| x*.

Таким чином, мету|ціль| системи можна визначити різними способами, що дозволяє вважати|лічити|, що мета|ціль| знаходиться|перебуває| “ у руках користувача”. Поняття мети|цілі| і характеристики є|з'являються,являються| базовими для визначення поняття цілеспрямованих систем. Система з|із| позитивним ступенем|мірою| цілеспрямованості щодо|відносно| іншої системи повинна володіти деякими властивостями, відмінними|іншими| від властивостей останньої, тобто властивостями, що пов'язаними з метою і визначають поліпшення|покращання| характеристики цієї системи. Називатимемо їх властивостями вибору мети|цілі|. Такими властивостями, наприклад, є|з'являються,являються| деякі додаткові змінні або стани в системах, що породжують, додаткові елементи або з'єднання|сполучення,сполуки| в структурованих системах, додаткові елементи або процедури в метасистемах| і ін.

Отже системи, що володіють властивостями цілеспрямованості, характеризуються відділянням|відокремленням| змінних вибору мети|цілі| від решти змінних і вимогою того, щоб змінні вибору мети|цілі| сприяли її досягненню. Дослідження різних способів породження станів змінних вибору мети|цілі| надзвичайно важливо|поважно| для розуміння природи такого класу систем і, зокрема, для розвитку методів їх проектування. Для таких систем завжди властивий принцип (схема, форма) в термінах породжуваних станів змінних пошуку мети|цілі|. Виходячи з викладеного можна сформулювати поняття цілеспрямованих систем.

Пасивні (казуальні) системи - це системи, орієнтовані розробником на виконання строго|суворо| певної мети. Вони мають чітко певне цільове призначення для заданих умов, а також характеризуються набором обмежень по номенклатурі цілей і заданим діапазоном допустимих змін умов функціонування. Прикладами|зразками| таких систем є|з'являються,являються| прості напівавтомати і автомати з|із| жорсткою програмою управління або прості механізми. До ним можна, зокрема віднести верстати-автомати по виробництву тільки|лише| певних механічних деталей, побутові і промислові холодильники, автономні системи опалювання будівель з|із| напівавтоматичною підтримкою температури в певному діапазоні, автомобілі різного цільового призначення.

Принципово іншим є|з'являється,являється| клас цілеспрямованих систем.

Цілеспрямовані (активні) системи - це системи, які володіють наступними|слідуючими| властивостями:

- сприймати вимоги зовнішнього по відношенню до системи середовища|середи| і формувати цілі для досягнення цих вимог за умови істотно|суттєво| змінних ситуацій;

- визначати альтернативи всіх дій зовнішнього середовища|середи| і здійснювати доцільний вибір альтернативи для досягнення мети в умовах, що складаються.

Найважливішою властивістю цілеспрямованих систем є|з'являється,являється| здатність|здібність| динамічно змінювати|зраджувати| цілі і способи їх досягнення у відповідність із|із| зміною ситуації. Цілеспрямовані системи принципово відрізняються від цілеспрямованих систем високою гнучкістю, динамічністю і здатністю|здібністю| реагувати на зміну зовнішнього середовища|середи| шляхом адаптації потреб, цілей і дій в ситуаціях, що складаються. Системи даного класу можуть змінювати|зраджувати| функції, властивості і навіть структуру як функціональних елементів, так і системи в цілому|загалом|.

Принциповою особливістю цілеспрямованих систем є|з'являється,являється| те, що вони володіють інтелектом - природним або штучним, або їх поєднанням. Більшість відомих цілеспрямованих систем відносяться до класу організаційно-технічних або експертних, в яких головними елементами є|з'являються,являються| оператори, а також різного роду технічні засоби підтримки рішень|розв'язань,вирішень,розв'язувань|, що володіють інтелектуальною складовою. Як приклади|зразки| таких систем можна привести: гнучкі автоматизовані виробництва, здатні|здібні| в процесі функціонування змінювати|зраджувати| номенклатуру і об'єм|обсяг| продукції, що випускається, диспетчерські служби крупних|великих| аеропортів, морських портів, здатні|здібні| одночасно обслуговувати від декількох десятків до декількох сотень повітряних або морських суден в ході погодних умов, що змінюються, і ін. Ілюстрацією здатності|здібності| цілеспрямованих систем до адаптації, до умов зовнішнього середовища|середи|, є|з'являються,являються| дії персоналу електростанцій, крупних|великих| металургійних, гірничодобувних, хімічних і ін. виробництв в критичних і аварійних режимах.

Структурована система – об'єкт дослідження, представлений|уявлений| у вигляді визначеної, ієрархічної структури функціональних елементів з урахуванням|з врахуванням| взаємозв'язків, взаємозалежностей| і взаємодій між ними.

Структурована початкова|вихідна| система є набором початкових|вихідних| даних систем, систем даних або систем, що породжують, мають загальну|спільну| параметричну множину|безліч|. Системи, створюючі структуровану систему, звичайно називаються її елементами. Деякі змінні у|в,біля| них можуть бути загальними|спільними|. Загальні|спільні| змінні звичайно називаються зв'язуючими змінними. Вони є взаємодією між елементами структурованої системи.

Загальні|спільні| змінні використовуються як при дослідженні, так і при проектуванні складних систем. При дослідженні реальних об'єктів як елементи приймаються його технологічні і конструктивні складові, які реалізують певні технологічні процеси або певні функції управління. Наприклад, при дослідженні діючої АЕС як елементи системи можна виділити атомний реактор, турбомашину, електрогенератор, кожний з яких є|з'являється,являється| конструктивно і технологічно цілісним об'єктом і реалізує відповідно наступні|слідуючі| технологічні процеси: перетворення атомної енергії в теплову, теплової енергії в механічну і електричну. Слід особливо помітити|відмітити|, що кожний з перерахованих елементів АЕС є складною механічною системою. Тому при проектуванні нового об'єкту, наприклад, чергової АЕС, може паралельно розв'язуватися|вирішуватися| декілька системних завдань|задач|. Серед них необхідно виділити наступні|слідуючі|: проектування АЕС в цілому|загалом|, проектування кожного з вказаних вище функціональних елементів, а також проектування системи забезпечуючої інфраструктури: житлові, торгові|торгівельні| та інші будівлі, сховища і інші підсобні приміщення|помешкання|, і т.д. У загальному|спільному| випадку такі завдання|задачі| містять|утримують| системні формулювання різних вимог і умов, пов'язані з взаємостосунками між різними частинами|частками| і між частинами|частками| і об'єктом в цілому|загалом|. Проблеми типу частина – ціле | і частини |частки|- частини|частки|, що виникає при дослідженні і проектуванні складних систем, істотно|суттєво| відрізняються один від одного. Так, при проектуванні головна трудність полягає в тому, щоб при виборі структури і елементів системи забезпечити досягнення заданої мети на основі раціонального компромісу суперечливих|суперечних| вимог до об'єкту в цілому|загалом|. При дослідженні має місце наступна|слідуюча| проблема: як на основі раціонального управління функціонуванням реального об'єкту певної структури, що складається з конкретних елементів забезпечити виконання заданих вимог в реальних умовах експлуатації.

Першим етапом проектування є|з'являється,являється| визначення так званої системи, що породжує. Вона є задумом завдання|задавання|, яке повинна виконати дана система. У загальному|спільному| випадку це завдання|задавання| є перетворенням станів відповідних вхідних змінних в стан вихідних (параметрів) змінних. Таким чином, одержана|отримана| система, що породжує, завжди є|з'являється,являється| цілеспрямованою.

При зборі|збиранні| початкової|вихідної| інформації про об'єкт аналізу необхідно враховувати, що всі практичні об'єкти є|з'являються,являються| відкритими|відчиненими| системами.

Під відкритими|відчиненими| розумітимемо такі системи, для яких властивий обмін різними ресурсами, зокрема енергією і інформацією, із|із| зовнішнім середовищем|середою|. Тому завжди важливо|поважно| визначити межі|кордони| відкритої|відчиненої| системи, або просто кажучи встановити, де закінчується досліджуваний об'єкт і починається|розпочинається,зачинається| навколишнє середовище. При цьому визначальним чинником|фактором| завжди виступає|вирушає| мета|ціль| аналізу. Наприклад|приміром|, якщо метою|ціллю| системного аналізу є|з'являється,являється| визначення джерела втрат електроенергії в деякій системі, то необхідно аналізувати всю електроенергетичну мережу|сіть| цієї системи. Якщо ж метою|ціллю| системного аналізу є|з'являється,являється|, наприклад|приміром|, створення|створіння| економічного електрогенератора, то всі функціональні елементи за його межами можна вважати|гадати| зовнішнім середовищем|середою|. Проте|однак|, дані приклади|зразки| швидше|скоріше,скоріш| виключення|виняток|, чим правило. У переважній більшості практичних завдань|задач| системного аналізу визначити фізичні межі|кордони| об'єкту дослідження по відомій сукупності цілей достатньо|досить| складно. Суперечливі|суперечні| цілі указують|вказують| на різні межі|кордони|, а орієнтація на супремум| цих меж|кордонів| веде не тільки|не лише| до надмірного їх розширення, але|та|, і що істотно|суттєво| важливіше|поважніше| - до істотного|суттєвого| ускладнення даного завдання|задачі|. Крім того, у ряді випадків, наприклад, на ранніх стадіях розробки унікального об'єкту, практично невідомі кількісні дані щодо|відносно| ступеня|міри| впливи різних функціональних елементів на рівень досягнення мети і фізичні межі|кордони| об'єкту дослідження. Більш того часто|частенько| не можна стверджувати, що об'єкт дослідження визначений повністю, оскільки|тому що| кожен функціональний елемент описується, як правило, певною сукупністю показників, які характеризують певну безліч властивостей. Але|та| ступінь|міра| впливу різних властивостей на різні цілі системного завдання|задачі| істотно|суттєво| розрізняється. Тому, природно прагнення аналітика виключити з|із| розгляду властивості тих функціональних елементів, ступінь|міра| впливу яких достатньо|досить| малий. Проте|однак| в таких випадках виникає питання - що прийняти за критерій трохи|крихта,малість| впливу? Відповідь на нього неоднозначна, причому він ускладнюється у разі, коли аналіз необхідно виконати для цілеспрямованих систем.

Для заданої структурованої системи існує інша, пов'язана з нею система, визначувана всіма змінними, вхідних в неї елементів. Ця система розглядається|розглядується| як якась|деяка| повна|цілковита| система, тобто система, представлена|уявлена| у вигляді деякого об'єднання всіх вхідних змінних. З цієї точки зору елементи будь-якої структурованої системи інтерпретуються як підсистеми відповідної повної|цілковитої| системи, а повна|цілковита| система - як суперсистема по відношенню до цих елементів. Отже структуровані системи стають, по суті, представленнями повних|цілковитих| систем у вигляді різних підсистем.

Статус повної|цілковитої| системи або підсистеми, зрозуміло, не є|з'являється,являється| однозначним. Наприклад, якась|деяка| система в одному контексті може розглядатися|розглядуватися| як елемент структурованої системи, а в другом - може розглядатися|розглядуватися| як повна|цілковита| система, підсистеми якої утворюють структуровану систему. Аналогічна неоднозначність характерна|вдача| для початкових|вихідних| систем, систем даних або систем, що породжують. Подібна подвійність дає можливість|спроможність| представити|уявити| будь-яку повну|цілковиту| систему як багатократне|багаторазове| вкладення структурованих систем. Наприклад, як структурована система може мати елементи, які в свою чергу є|з'являються,являються| структурованими системами, елементи яких також є|з'являються,являються| структурованими системами і т.д., аж до елементів, що складаються з простих змінних.

Необхідність представлення повної|цілковитої| системи у вигляді сукупності її підсистем обумовлена багатьма причинами. Однією з головних є|з'являється,являється| її складність, яка, у свою чергу|своєю чергою|, пов'язана з осяжністю даної системи. Інша причина має відношення до спостережень і вимірювань|вимірів|. Якщо параметри системи залежать від часу, то часто технічно неможливе або недоцільне одночасно спостерігати всі змінні, що мають відношення до мети|цілі| дослідження. В цьому випадку можна зібрати|повизбирувати| дані тільки|лише| частково, для найбільшої можливої підмножини змінних. У інших випадках дослідник вимушений|змушений| використовувати непрямі дані, зібрані|повизбирувані| різними опосередкованими способами і що покривають тільки|лише| частина|частка| змінних, необхідних для роботи.

При формалізації і рішенні реальних системних задач необхідно використовувати конструктивний і зручний спосіб представлення початкових|вихідних| даних, умов і властивостей об'єкту з метою узгодження по цілях, завданнях|задачах|, очікуваних|сподіваних| результатах і ресурсах обчислювальних процесів і емпіричних процедур рішення поставлених задач, що витрачаються.