Иерархическая система. Многоуровневые иерархические системы

Различные виды структур имеют специфические особенности и могут рассматриваться как самостоятельные понятия теории систем и системного анализа.

Структура может быть представлена в виде графа, в матричной форме, в форме теоретико-множественных описаний, с помощью языка алгебры и прочее.

Рассмотрим основные типы структур.

Линейная (последовательная) структура (рис. 5.1, а) характеризуется тем, что каждый элемент связан с двумя другими. При выходе из строя хотя бы одного элемента (связи) структура разрушается. Примером такой структуры является конвейер.

Кольцевая структура (рис. 5.1, б) отличается замкнутостью, любые два элемента обладают двумя направленными связями. Это повышает скорость обмена информацией, делает структуру более живучей.

Сотовая структура (рис. 5.1, в) характеризуется наличием резервных связей, что повышает надежность (живучесть) функционирования структуры, но приводит к повышению ее стоимости.

Многосвязная структура (рис. 5.1, г) имеет структуру полного графа. За счет наличия кратчайших путей надежность ее функционирования максимальная, эффективность функционирования высокая, однако стоимость тоже максимальная.

Звездная структура (рис. 5.1, д) имеет центральный узел, который выполняет роль центра, все остальные элементы системы являются подчиненными.

Графовая структура (рис. 5.1, е) используется обычно при описании производственно- технологических систем.

Сетевая структура или сеть (см. рис. 5.2) представляет собой декомпозицию системы во времени. Она отображает порядок действия технических систем (телефонная сеть, электрическая сеть и т. п.), этапы деятельности человека (при производстве продукции - сетевой график, при проектировании - сетевая модель, при планировании - сетевой план и т. д.).

При применении сетевых моделей пользуются определенной терминологией: вершина, ребро, путь критический путь и т.д. Элементы сети могут быть расположены последовательно и параллельно.

Сети бывают разные. Наиболее распространены и удобны для анализа однонаправленные сети. Но могут быть и сети с обратными связями, с циклами.

Для анализа сложных сетей существует математический аппарат теории графов, прикладная теория сетевого планирования и управления, имеющая широкую распространенность при представлении процессов организации производства и управления предприятиями.

Иерархическая структура получила наиболее широкое распространение при проектировании систем управления. Все элементы, кроме верхнего и нижнего уровней обладают, как командными, так и подчиненными функциями управления. Иерархические структуры представляют собой декомпозицию системы в пространстве.

Иерархические структуры, в которых каждый элемент нижележащего уровня подчинен одному узлу (вершине) вышестоящего уровня называют иерархическими или древовидными структурами с сильными связями (рис. 5.3).

Структуры, в которых каждый элемент нижележащего уровня может быть подчинен двум и более узлам (вершинам) вышестоящего уровня называют иерархическими или древовидными структурами со слабыми связями (рис. 5.4).

Пример 1.

Иерархия каталогов в ОС может быть деревом или сетью.

Дерево (MS-DOS) - файлу разрешено входить только в один каталог (иерархическая структура с сильными связями, рис. 5.5 а);

Сеть (UNIX) - файл может входить сразу в несколько каталогов (рис.5.5 б).

Иерархия каталогов в MS DOS

Иерархия каталогов в UNIX

В общем случае термин иерархия означает соподчиненность, порядок подчинения низших по должности и чину лиц высшим. Термин возник как наименование «служебной лестницы» в религии, широко применяется для характеристики взаимоотношений в аппарате управления государством, армией и т. д. Концепция иерархии была распространена на любой согласованный по подчиненности порядок объектов.

Матричные структуры. Структуры систем можно представить не только в графическом, но и в табличном (матричном) виде, что позволяет представить взаимоотношения между уровнями иерархической структуры.

Иерархическая структура с сильными связями может быть представлена матричной структурой (табл. 5.1). Такое представление иногда удобнее на практике, например, при оформлении планов работ, когда нужно указать исполнителей, формы отчетности и т.п.

Взаимоотношения между уровнями иерархии со «слабыми» связями могут быть представлены в виде двумерной матричной структурой (табл. 5.2) Важной особенностью такого представления является возможность отразить не только наличие связей, но и их силу: либо словами («сильная» - «слабая»), либо путем введения количественных характеристик силы связи.

Таблица 5.1

В иерархических структурах важно лишь выделение уровней соподчиненности, а между уровнями и между компонентами в пределах уровня могут быть любые взаимоотношения. В соответствии с этим существуют структуры, использующие иерархический принцип, но имеющие специфические особенности, и их целесообразно выделить особо. Это так называемые многоуровневые иерархические структуры.

М.Месаровичем предложены особые классы иерархических структур типа «страт», «слоев», «эшелонов»", отличающиеся принципами взаимоотношения элементов в пределах уровня и правом вмешательства вышестоящего уровня в организацию взаимоотношений между элементами нижележащего.

Учитывая важность этих видов структур для решения проблем управления предприятиями в современных условиях многоукладной экономики, для проблемы проектирования сложных систем, остановимся на их характеристике несколько подробнее.

Страты. При отображении сложных систем основная проблема состоит в том, чтобы найти компромисс между простотой описания, позволяющей составить и сохранять целостное представление об исследуемом или проектируемом объекте, и детализацией описания, позволяющей отразить многочисленные особенности конкретного объекта. Один из путей решения этой проблемы - задание системы семейством моделей, каждая из которых описывает поведение системы с точки зрения соответствующего уровня абстрагирования. Для каждого уровня существуют характерные особенности, законы и принципы, с помощью которых описывается поведение системы на этом уровне.

Таким образом, можно задать систему семейством моделей с целью отображения многочисленных особенностей объекта. Такое представление названо стратифицированным , а уровни абстрагирования - стратами .

Основные страты изучения систем: макроскопический и микроскопический анализы.

Макроскопический анализ заключается в игнорировании деталей структуры системы и наблюдении только общего поведения системы как целого.

Цель макроскопического анализа состоит в создании модели изучаемой системы в ее взаимодействии с окружением (модель «вход-выход» - модель типа «черный ящик»).

Микроскопический анализ детально описывает каждый из компонентов системы; центральным при этом является понятие элемента: изучаются связи и функции элементов, структура системы и др.

К задачам микроанализа можно отнести следующие:

выделение элементов в системе;

изучение каждого из элементов;

установление структуры системы;

выявление связей между элементами.

Примеры.

1. На рис. 5.6 приведен пример стратифицированного описания ЭВМ в виде двух страт. Нижняя страта это физические операции, т.к. система описывается на языке физических законов, управляющих работой и взаимодействием ее механических и электронных элементов. Верхняя страта это математические и логические операции (программирование и реализация программ, осуществляемые с помощью абстрактных, нефизических понятий, информационные потоки, команды языков программирования и т. п.). Заметим, что может представлять интерес описание системы (ЭВМ) и на других уровнях абстрагирования, помимо названных двух основных, При конструировании некоторых электронных компонентов может представить интерес страта атомной физики, а при разработке сложного программного обеспечения, систем с разделением времени - системная страта.

2. Автоматизированный промышленный комплекс обычно моделируют на трех стратах (рис. 5.7)

3. При разработке баз данных принято выделять концептуальный, логический и физический уровни.

4. Ю.И.Черняк выделил уровни абстрагирования системы от философского или теоретико-познавательного описания ее замысла до материального воплощения, как это показано на см. рис. 5.8.

Такое представление помогает понять, что одну и ту же систему на разных стадиях познания и проектирования можно и нужно описывать различными выразительными средствами, т.е. как бы на разных «языках»:

Философском или теоретико-познавательном - вербальное описание замысла, концепции;

Научно-исследовательском - в форме моделей разного рода, помогающих глубже понять и раскрыть замысел системы;

Проектном - техническое задание и технический проект, для разработки и представления которого могут понадобиться математические расчеты, принципиальные схемы;

Конструкторском - конструкторские чертежи, сопровождающая их документация;

Технологическом - технологичекие карты, стандарты и другая технологическая документация (конструкторская и технологическая страты могут быть объединены);

Материальное воплощение, реализация системы - детали, блоки, собранное изделие или созданная система, принципы функционирования которой отражены в соответствующей нормативно-технической и нормативно-методической документации (инструкциях по эксплуатации, положениях и т.п.).

Выделение страт в структуре функционирования АСУ соответствует сложившимся уровням управления: управление технологическими процессами и организационное управление предприятием.

Стратифицированное представление может использоваться как средство последовательного углубления представления о системе, ее детализации. Чем ниже опускаемся по иерархии страт, тем более детальным становится раскрытие системы; чем выше поднимаемся, тем яснее становится смысл и значение всей системы. Объяснить назначение системы с помощью элементов нижней страты в сложных системах практически невозможно.

Например, изучение принципов построения и функционирования отдельных клеток организма, каким бы детальным оно ни было, не позволяет понять построение и функционирование органов, которые состоят из этих клеток, а изучение органов не позволит полностью понять функционирование всего организма в целом. Но, с другой стороны, чтобы правильно понять и реализовать общий замысел системы, сконструировать систему, необходимо реализовать нижележащие страты.

Сказанное отображает в структуре суть одной из основных закономерностей теории систем - закономерности целостности, что помогает приблизить теоретические исследования закономерностей к практическому их применению.

Начинать изучение системы можно с любой страты. В процессе исследования могут добавляться новые страты, изменяться подход к выделению страт, но система сохраняется до тех пор, пока не изменяется представление на верхней страте, т.е. ее концепция, замысел системы.

Многослойные иерархические структуры. Для организации процессов принятия решений, уменьшения неопределенности ситуации выделяются уровни сложности принимаемого решения, или слои . При этом определяется совокупность последовательно решаемых проблем. Решение вышележащей проблемы определяет ограничение при моделировании на нижележащем уровне.

Вид многоуровневой структуризации предложен М.Месаровичем для организации процессов принятия решений. Для уменьшения неопределенности ситуации выделяются уровни сложности принимаемого решения - слои, т. е. определяется совокупность последовательно решаемых проблем. При этом выделение проблем осуществляется таким образом, чтобы решение вышележащей проблемы определяло бы ограничения (допустимую степень упрощения) при моделировании на нижележащем уровне, т. е. снижало бы неопределенность нижележащей проблемы, но без утраты замысла решения общей проблемы.

Многослойная иерархия показана на рис. 5.9. Показано, что каждый слой D i есть блок, принимающий решение и вырабатывающий ограничение X j -1 для нижележащего D i -1 -го блока.

На рис. 5.10 представлена информационная система организации, состоящая из нескольких взаимодействующих слоев.

Информационная система организации создается для работы прикладных программ. Именно эти программы обеспечивают сотрудников необходимой информацией для принятия решений и автоматизируют деятельность различных служб. Поэтому при проектировании информационной системы, сначала определяются требования к этим программам, а уже затем определяется какие системные сервисы, базы данных, операционные системы, сетевые средства, компьютеры и серверы необходимы для их эффективного функционирования.

В основании модели лежит слой различных типов компьютеров , являющихся средствами хранения и обработки данных. Компьютеры определяют аппаратную платформу информационной системы.

Транспортная система состоит из активных и пассивных сетевых устройств, объединяющих компьютеры в локальные и глобальные сети и обеспечивающих обмен данными. Активными сетевыми устройствами являются сетевые карты и модемы компьютеров, концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы и другие подобные устройства. Среда передачи данных и элементы кабельной сети составляют пассивную часть транспортной системы.

Слой сетевых операционных систем обеспечивает выполнение приложений пользователей и посредством транспортной системы организует доступ к ресурсам других компьютеров и предоставляет свои ресурсы в общее пользование. Операционные системы компьютеров определяют программную платформу информационной системы. Ряд активных сетевых устройств, таких как коммутаторы и маршрутизаторы, как правило, работают под управлением собственных операционных систем, называемых операционными системами межсетевого взаимодействия.

Над слоем операционных систем работают слои различных приложений . Системные сервисы служат для обработки и преобразования информации, полученной от систем управления базами данных(СУБД) и других ресурсов, в вид удобный для восприятия конечным пользователем или прикладной программой. СУБД иногда выделяются в отдельный слой. Этим подчеркивается их высокая значимость как средства хранения в упорядоченном виде данных и выполнения базовых операций поиска и извлечения нужной информации.

Верхний слой информационной системы составляют приложения предметной области, специфические для конкретной организации или определенного типа организаций. Это могут быть программные системы автоматизации бухгалтерского учета, проектирования, управления производством, агрегатами, технологическими процессами и другие.

Многоэшелонные иерархические структуры. Понятие многоэшелонной иерархической структуры вводится следующим образом.

Система представлена в виде относительно независимых, взаимодействующих между собой подсистем, имеющих иерархическое расположение (см. рис.5.11). Некоторые из подсистем находятся под влиянием или управляются вышестоящими. Уровень такой иерархии называют эшелоном .

Основной отличительной особенностью многоэшелонной структуры является предоставление подсистемам всех уровней определенной свободы в выборе их собственных решений.

Подсистемы всех уровней свободны в выборе собственных решений, которые могут и не быть решениями верхнего уровня. Свобода повышает эффективность функционирования системы в целом.

Подсистемам предоставлена свобода в выборе целей, поэтому многоэшелонные структуры называют еще многоцелевыми.

В таких системах могут быть использованы разные способы принятия решений. Естественно, что при предоставлении прав самостоятельности в принятии решений подсистемы могут формировать противоречащие друг другу (конфликтные) цели и решения, что затрудняет управление, но является в то же время одним из условий повышения эффективности функционирования системы.

Для того, чтобы на это обратить внимание в разделены понятия собственно «управления » и «координации ». При этом координация может иметь разную силу воздействия (вмешательства) и осуществляется в разной форме. В связи с этим теорию многоуровневых систем М.Месаровича иногда называют теорией координации. В этой теории рекомендуется, чтобы в процессе принятия решений подсистемы не всегда стремились бы отстаивать свои интересы, доводя дело до конфликтных ситуаций, а вступали бы в коалиции.

В зависимости от принятых принципов (конфликты) или (коалиции), силы и форм вмешательства вышестоящих эшелонов в дела нижележащих процесс принятия решения может происходить по-разному, т. е. по-разному может быть организована система управления принятием решений, поэтому многоэшелонные, многоцелевые иерархические структуры называют в также организационной иерархией.

Существуют смешанные иерархические структуры с вертикальными и горизонтальными связями, в которых могут быть использованы одновременно несколько видов иерархических структур - от древовидных до многоэшелонных.

В реальных системах организационного управления (особенно на уровне региона, государства) могут быть использованы одновременно несколько видов иерархических структур - от древовидных до многоэшелонных. Такие иерархические структуры называют смешанными. Основой объединения таких структур могут быть страты.

В таких смешанных иерархических структурах могут быть как вертикальные связи разной силы (управление, координация), так и горизонтальные взаимодействия между элементами (подсистемами) одного уровня. Впервые идея структур такого вида предложена советским академиком В.М.Глушковым при разработке общегосударственной автоматизированной системы управления (ОГАС).

В качестве примера приведем модель структуры управления государством, которая была положена в основу концепции ОГАС. В нашей стране управление всегда осуществлялось с использованием смешанного принципа территориально-отраслевого управления. В соответствии с этим принципом органы территориального и отраслевого управления не могут рассматриваться как подчиненные друг другу. Это всегда затрудняло графическое представление структуры управления страной, особенно проявилось в связи с необходимостью представления структуры функциональной части ОГАС, что и потребовало применения нового вида структур.

Смешанный характер носит и организационная структура современного предприятия (объединения, акционерного общества и т. п.).

Таким образом, в смешанных иерархических структурах могут быть как вертикальные связи разной силы (управление, координация), так и горизонтальные взаимодействия между элементами одного уровня.

Существуют структуры с произвольными связями , которые применяют на начальном этапе познания объекта, когда идет поиск способов установления взаимоотношений между компонентами, не могут быть определены последовательности взаимодействия элементов во времени, распределение элементов по уровням иерархии.

Формируются структуры с произвольными связями путем установления возможных отношений между предварительно выделенными элементами системы, введения ориентировочных оценок силы связей.

После формирования таких структур связи упорядочиваются и получают иерархические или сетевые структуры.

четырехуровневую 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.

Если множество элементов объединено в систему по определен­ному признаку, то всегда можно ввести некоторые дополнительные признаки для разделения этого множества на подмножества, выделяя тем самым из системы ее составные части - подсистемы. Возможность многократного деления системы на подсистемы приводит к тому, что 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. Наилучшим, очевидно, будет набор правил, который обеспечивает системе в целом наиболее эффективное достижение цели.

При делении системы на подсистемы следует помнить о правилах такого разбиения:

– каждая подсистема должна реализовывать единственную функ­цию системы;

– выделенная в подсистему функция должна быть легко понима­ема независимо от сложности ее 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 может 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. Производство - это создание товаров и оказание услуг путем преобра­зования входа системы (необходимых ресурсов всех видов) в ее выход (готовые товары и услуги). На производственных фирмах деятельность по созданию товаров обычно очевидна. Ее результатом являются кон­кретные товары. В других органи­зациях, которые не создают физические товары, производственные функции могут быть менее очевидны. 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 второй 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. 1.2). От звеньев, расположенных на более высоком уровне, идет поток управляющих воздействий, а информация о текущем состоянии объекта управления более низшего уровня поступает звеньям более высокого уровня. Рассматри­вая своеобразное «дерево» 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.

Рис. 1.2. Иерархическая система управления предприятием

Нижний уровень управления является источником информации для принятия управленческих решений на более высоком уровне. Если рассматривать поток информации от уровня к уровню, то коли­чество информации, выраженное в числе символов, уменьшается с повышением уровня, но при этом увеличивается ее смысловое (се­мантическое) содержание.

На современном уровне развития общества научно-технический прогресс в области материального производства и систем управления обеспечивает возможность концентрации и централизации значитель­ных финансовых, материальных и других ресурсов. Эти возможности реализуются в индустриально развитых странах в виде создания меж­национальных объединений. Преимуществом централизации является возможность направлять на реализацию решений крупные ресурсы, что позволяет решать сложные проблемы, требующие больших капиталовложений. В централизованной системе сравнительно легко обеспечить скоордини­рованную, согласованную деятельность подсистем, направленную на достижение единых целей. Потери в отдельных частях системы компенсируются результатами работы других ее частей. Многоуров­невая централизованная система обладает большой живучестью за счет оперативного перераспределения функций и ресурсов. Не слу­чайно в армиях всех времен и народов строго соблюдается принцип централизации.

Вместе с тем централизация в системах больших размерностей имеет свои недостатки. Многоуровневость и связанная с этим мно­гократная передача информации с уровня на уровень вызывает за­держки, снижающие оперативность оценки обстановки и реализации управленческих решений, приводит к искажениям как в процессе передачи информации, так и при ее обработке на промежуточных уровнях. В ряде случаев стремление подсистем к самостоятельности входит в противоречие с принципом централизации. В многоуровне­вых централизованных организационно-административных системах управления, как правило, присутствуют элементы децентрализации. При рациональном сочетании элементов централизации и де­централизации информационные потоки в системе должны быть организованы таким образом, чтобы информация использовалась в основном на том уровне, где она возникает, т. е. надо стремиться к минимальной передаче данных между уровнями системы. В децен­трализованных одноуровневых системах всегда выше уровень опе­ративности как при сборе информации о состоянии управляемой системы, оценке ситуации, так и при реализации принятых реше­ний. Благодаря оперативному контролю за реакцией на управляю­щие воздействия снижаются отклонения от выбранной траектории движения к цели.

Степень централизации системы, которая определяется на основе установления соотношения взвешенных объемов задач, решаемых на смежных уровнях, служит мерой разделения полномочий между уровнями. Смещение основной массы решений в сторону вышестоящего уровня, т. е. повышение степени централи­зации, отождествляют обычно с повышением управляемости подси­стем. Оно требует, улучшения переработки информации на верхних уровнях иерархии управления. Понижение степени централизации соответствует увеличению самостоятельности под­систем и уменьшению объема информации, перерабатываемой верх­ними уровнями.

Обычно высшие менеджеры многоуровневых систем разрабатыва­ет стратегические решения. Они не должны решать вопросы тактического уровня, которые принимаются менеджерами среднего звена. Oпeрационное принятие решений осуществляется на производственном уровне менеджерами, которые определяют детальное планирование и производство. Этот иерархический подход, который должен включать и обратную связь, может и не обеспечить оптимальное решение, но он позволяет лучше и более своевременно управлять производственным процессом.

Структура систем управления в народном хозяйстве строится по отраслевому или территориальному принципу. Отраслевой принцип применяется в тех случаях, когда речь идет о сложных, специфических видах производства, проектирования и строительства, о развитии и внедрении научных исследований в производство определенного типа. По территориальному принципу построены органы государственного административного управления.

Иерархическая система

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.

Если множество элементов объединено в систему по определенному признаку, то всегда можно ввести некоторые дополнительные признаки для разделения этого множества на подмножества, выделяя тем самым из системы ее составные части - подсистемы. Возможность многократного деления системы на подсистемы приводит к тому, что 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. Наилучшим, очевидно, будет набор правил, который обеспечивает системе в целом наиболее эффективное достижение цели.

При делении системы на подсистемы следует помнить о правилах такого разбиения:

· каждая подсистема должна реализовывать единственную функцию системы;

· выделенная в подсистему функция должна быть легко понимаема независимо от сложности ее 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 может 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 ее 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. 1.2). 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 «дерево» 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.

Рис. 1.2. Иерархические системы управления предприятия

Нижний уровень управления является источником информации для принятия управленческих решений на более высоком уровне. Если рассматривать поток информации от уровня к уровню, то количество информации, выраженное в числе символов, уменьшается с повышением уровня, но при этом увеличивается ее смысловое (семантическое) содержание.

На современном уровне развития общества научно-технический прогресс в области материального производства и систем управления обеспечивает возможность концентрации и централизации значительных финансовых, материальных и других ресурсов. Эти возможности реализуются в индустриально развитых странах в виде создания межнациональных объединений (например, Европейский союз, объединяющий ряд европейских стран; дочерние фирмы, филиалы и предприятия крупных концернов во многих странах мира и т. д.). Преимуществом централизации является возможность направлять на реализацию решений крупные ресурсы, что позволяет решать сложные проблемы, требующие больших капиталовложений. В централизованной системе сравнительно легко обеспечить скоординированную, согласованную деятельность подсистем, направленную на достижение единых целей. Потери в отдельных частях системы компенсируются результатами работы других ее частей. Многоуровневая централизованная система обладает большой живучестью за счет оперативного перераспределения функций и ресурсов. Не случайно в армиях всех времен и народов строго соблюдается принцип централизации.

Вместе с тем централизация в системах большой размерности имеет свои недостатки. Многоуровневость и связанная с этим многократная передача информации с уровня на уровень вызывает задержки, снижающие оперативность оценки обстановки и реализации управленческих решений, приводит к искажениям как в процессе передачи информации, так и при ее обработке на промежуточных уровнях. В ряде случаев стремление подсистем к самостоятельности входит в противоречие с принципом централизации. В многоуровневых централизованных организационно-административных системах управления, как правило, присутствуют элементы децентрализации.

При рациональном сочетании элементов централизации и децентрализации информационные потоки в системе должны быть организованы таким образом, чтобы информация использовалась в основном на том уровне, где она возникает, т. е. надо стремиться к минимальной передаче данных между уровнями системы. В децентрализованных одноуровневых системах всегда выше уровень оперативности как при сборе информации о состоянии управляемой системы, оценке ситуации, так и при реализации принятых решений. Благодаря оперативному контролю за реакцией на управляющие воздействия снижаются отклонения от выбранной траектории движения к цели.

Степень централизации системы, которая определяется на основе установления соотношения взвешенных объемов задач, решаемых на смежных уровнях, служит в известном смысле мерой разделения полномочий между уровнями. Смещение основной массы решений в сторону вышестоящего уровня, т. е. повышение степени централизации, отождествляют обычно с повышением управляемости подсистем. Оно требует, как правило, улучшения переработки информации на верхних уровнях иерархии управления. Повышение степени децентрализации соответствует увеличению самостоятельности подсистем и уменьшению объема информации, перерабатываемой верхними уровнями.

Обычно высшие менеджеры многоуровневых систем разрабатывают стратегические решения, например, сколько моделей автомобилей должен производить каждый из заводов компании. Они не должны решать вопроса о типоразмерах и количестве каждой выпускаемой модели на каждом из заводов. Это относится к уровню тактических решении, которые принимаются заводскими менеджерами среднего звена управления. Заводской менеджер должен решить вопрос, сколько произвести и продать, сколько сохранить на складе готовой продукции (сезонный спрос) и сколько рабочих нанять или уволить. Операционное принятие решений осуществляется на производственном уровне начальниками цехов, которые определяют детальное планирование и производство. Этот иерархический подход, который должен включать и обратную связь, может и не обеспечить оптимальное решение, но он позволяет лучше и более своевременно управлять производственным процессом.

Структура систем управления в народном хозяйстве строится по отраслевому или территориальному принципу. Отраслевой принцип применяется в тех случаях, когда речь идет о сложных, специфических видах производства, проектирования и строительства, о развитии и внедрении научных исследований в производство определенного типа. По территориальному принципу построены органы государственного административного управления.