Элементы теории систем и системного анализа

НЕГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ИНТСТИТУТ ЗАКОНОВЕДЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ВСЕРОССИЙСКОЙ ПОЛИЦЕЙСКОЙ АССОЦИАЦИИ КАФЕДРА МЕНЕДЖМЕНТА И УПРАВЛЕНИЯ ОСНОВЫ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ ЛЕКЦИЯ ПО ТЕМЕ №2 «Элементы теории систем и системного анализа» ТУЛА Лекция №2. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СИСТЕМ 1. Понятие системы. Общие свойства и классификация. 2. Примеры систем в технике и экономике. Основные принципы управления. 3. Элементы системы и связи между ними. 4. Агрегирование и дезагрегирование информации в системе. 1. Усложнение технических средств, рост специализации и кооперирования предприятий, активизация интеграционных процессов в народном хозяйстве ставят новые проблемы, относящиеся не столько к свойствам отдельных средств, устройств, объектов, но, главным образом, к закономерностям функционирования всей их совокупности. Оказалось, что свойства совокупности часто мало связаны со свойствами слагающих элементов, гораздо важнее характеристики взаимодействия. Совокупность определенным образом взаимодействующих предметов будем называть системой. Система, состоящая из большого числа элементов, с большим количеством многообразных связей называется «большой системой» или «сложной системой». Поскольку общепринятого понятия «системы», «большой системы» «сложной системы» не существует, укажем лишь на некоторые попытки классификации на конкретных примерах. Однако понятие системы в кибернетике является фундаментальным. Английский кибернетик С. Бир подразделил все кибернетические системы на три группы с учетом характера связей между элементами (см. табл 2.1). Таблица 2.1 Системы Простые Сложные Очень сложные Детерминированные Оконная задвижка ЦЭВМ Проект механических мастерских Автоматизация Вероятностные Подбрасывание монеты Хранение запасов Экономика Движение медузы Условные рефлексы Мозг Статистический контроль качества Прибыль промышленного предприятия Фирма Предметом кибернетики С.Бир считает лишь очень сложные вероятностные системы. Советский математик Г.Н.Поваров делит все системы, в зависимости от числа входящих элементов, на 4 группы: малые (10-10 ), сложные (10 -10 элементов), ультра сложные (107-1030) и суперсистемы (1030-10100) . В качестве примеров второй группы он приводит автоматическую телефонную станцию, транспортную систему большого города, третьей группы - организмы животных, человека, социальные организации, четвертой - звездную Вселенную. Советские ученые А.И. Берг и Ю.И. Черняк определяют «сложную систему» как такую, которую можно описать не менее, чем на двух языках, например, на языке дифференциальных уравнений и на языке алгебры Буля. Как на важное свойство всех без исключения систем, укажем на эмерджентность - наличие порождаемых свойств, специфичных именно для системы и не выводимых из известных (наблюдаемых) свойств ее элементов и способов их соединения, взятых в отдельности. Так, результаты экономической деятельности фирмы подчас сильно расходятся с прогнозными данными деятельности отдельных составляющих единиц; работоспособность коллектива не есть сумма индивидуальных работоспособностей его членов. Именно эмерджентные свойства социально-экономических систем наименее доступны наблюдению и измерению, что вызывает существенные трудности в управлении экономикой. 2. Рассмотрим некоторые типы систем, начиная с простейших. Простейшим видом управления является так называемое управление по разомкнутому циклу. Оно жестко регламентирует действия объекта управления. Типичный пример - управление движением городского транспорта с помощью автоматического светофора, не реагирующего на фактическую ситуацию у перекрестка. Общая структурная схема такого управления приведена на рис.2.1. Рис.2.1 УО - управляемый объект с входом X и выходом У. УС - управляющая система, которая воспринимает программу управления. ПБ - программный блок, вырабатывающий команды на основе заданной программы. ИБ - исполнительный блок, осуществляющий непосредственное воздействие на управляемый объект. В случае со светофором: программа - частота переключений и их последовательность. Она реализуется настройкой реле. Система реле частично образует управляющую систему. Контакты реле - исполнительный блок, который непосредственно производит переключения. УО - транспортный перекресток. X - входящий поток транспорта, У - выходящий поток. В экономике жесткое управление - волевое решение, жесткая программа планово- предупредительного ремонта, план, не предусматривающий корректировки Более совершенным является управление посредством компенсации возмущений. На рис 2.2. схематически изображен регулятор температуры в камере. Рис. 2.2. Камера К обогревается паром, прошедшим через батарею Б. Изменение температуры в камере достигается изменением расхода пара, пропорциональным приращению его давления относительно некоторого установившегося состояния. В зависимости от давления в трубопроводе Т поршень (мембрана) датчика давления Д перемещается на ту или иную величину. Регулятор Р преобразует, усиливает сигнал, поступивший от датчика и вырабатывает команду, поступающую на исполнительный механизм, перемещающий заслонку таким образом, чтобы изменить давление пара в желательном направлении. Структурная схема такого управления изображена на рис. 2.3. Она иллюстрирует принцип управления «по возмущению». Основное достоинство - простота. Недостаток -неэффективность в тех случаях, когда имеются разнородные возмущения, которые трудно измерить. Пример из экономики: поставки производственных ресурсов. Если точно определить фактические удельные расходы нельзя, отклонения общего объема приводят к дефициту, либо к сверхнормативным запасам. Рис 2.З. Рассмотрим теперь систему, где регулирование происходит на другой основе. Рис. 2.4. Схема на рис. 2.4 работает следующим образом. При любом отклонении температуры датчик Д передает сигнал в виде механического перемещения на регулятор, который вырабатывает управляющее воздействие. Оно через исполнительное устройство перемещает заслонку 3 в нужном направлении. Структурная схема приведена на рисунке 2.5. Это - управление «по отклонению». Рис 2.5. В зависимости от настройки программного блока ПБ регулируемая величина Y(t) может принимать те или иные заданные значения. В управляющем устройстве УУ образуется сигнал ошибки δY(t) = Y(t)-Y(t), (2.1) на основании которого, формируется управляющая команда. В зависимости от характера программы различают 3 типа систем управления: 1) Системы стабилизации. Y(t)-const. Меняется лишь уставка /настройка регулятора. 2) Системы программного управления. Y(t) меняется по заданной программе. Пример - станок с программным управлением, когда щуп ходит по заданному профилю, а режущий инструмент повторяет его движения. 3) Следящие системы. Y(t) меняется случайным образом. Пример регулирования «по отклонению» в экономике: регулятор уровня запаса, механизм рыночного регулирования цены, изображенный на рис. 2.6 Рис 2.6. Потребители формируют программу потребления под влиянием тех или иных условий и цен на предметы потребления. Эта программа выражается в виде спроса Y(t) на конкретный продукт. В условиях рынка он сопоставляется с предложением Y(t) этого продукта. Разность δY(t), формируемая рынком, приводит к отклонению цены от ее значения, соответствующего равновесному состоянию спрос равен предложению. Отклонение цены служит сигналом для производителей и потребителей: При δY(t)>0 увеличивается производство и снижается спрос. В приведенной схеме не выделены каналы обратной связи, так как их трактовка здесь неоднозначна: Для рынка обратная связь - канал 1, для управления производством - канал 2, для потребителей канал 3. По каналам 2 и 3 движется информация, характеризующая рыночную ситуацию. Рассмотренная схема, образованная двумя контурами управления, I и II осуществляет процесс сложения. Реальный механизм рыночного регулирования является по существу следящей системой с гигантским числом взаимосвязанных контуров управления. Первостепенной задачей теории управления является установление объективных законов функционирования общественного производства, образующего контур П. Что касается контура I, процессы, происходящие в нем, протекают под сильным влиянием субъективных факторов общественного потребления и изучаются в курсе экономической теории. Особенность систем с обратной связью в экономике - то, что они слабо структурированы. Производственный процесс на крупном предприятии (фирме, в отрасли) целесообразно рассматривать как большую систему. Обычно она бывает многоуровневая (рис.2.7) Рис 2.7. Рассмотрим распределение функций по уровням. I. Генеральные задачи планирования, экономического прогнозирования, регулирования запасов и другие задачи чисто организационного, а не технического характера. II. Составление текущих планов работы производственной системы в разрезе основных и подготовительных подразделений объекта. III. Разработка краткосрочных детальных календарных планов работы для каждого из цехов и их отдельных участков. IV. Автоматическое управление отдельными технологическими процессами. Для описания такой системы нужно несколько языков. 3. Разбиение системы на элементы в общем случае неоднозначно и условно. В автоматической системе условно выделение иногда обратной связи, иногда объекта или регулятора. На производственном предприятии и во многих экономических системах удобно выделять подсистемы, т.е. такие части, которые функционируют более или менее самостоятельно. Сами же подсистемы могут быть сложны, расчленяемы на более простые составляющие. Выделение подсистем является первым шагом в исследовании сложной системы. 4.Процесс дробления системы происходит до тех пор, пока он не достигнет стадии «первичного» элемента. Его структура не является предметом исследования. Важен лишь характер взаимодействия элемента с другими элементами. Расчленение системы на элементы весьма условно и зависит от степени детализации и целей анализа. Однако в любом случае первичный элемент должен обладать достаточно четкой и определенной внутренней структурой. В процессе преобразования природных ресурсов в продукты конечного потребления возникает ряд промежуточных стадий обработки материалов и энергии, включающих транспортировку и хранение. При этом выход одной стадии является входом другой. Возникает разветвленная сеть технологических /материально-вещественных и информационных / связей. По мере развития производства она становится сложнее и динамичнее. Важное значение приобретает рациональная организация этих связей - материально-техническое снабжение. Оно может быть централизованным путем прикрепления потребителей к поставщикам и децентрализованным - на основе оптовой торговли средствами производства или договоров между предприятиями. Первая форма преобладала в СССР. Централизация оптимизирует связи, но лишает предприятия свободы маневра. Сбой в одном звене передается по цепочке и сказывается на выпуске конечного продукта. Децентрализация в условиях рынка обеспечивает большую гибкость, но увеличивает транзакционные издержки. Материально-вещественные связи не являются единственным видом связей в общественном производстве, прежде всего потому, что в нем участвует человек, выполняющий функции управления. Его энергетические затраты непосредственно в технологическом процессе ничтожны. Во-вторых, само управление чрезвычайно сложной сетью материально-вещественных связей возможно лишь тогда, когда определены одинаковые управляющие воздействия для большого количества компонентов материального потока. Рассмотрим простейший случай определения одинаковых управляющих воздействий на базе усреднения. Пусть Из формулы (2.3) можно сделать вывод, что разнородная информация об удельных затратах заменяется усредненной. Это - операция агрегирования информации. Агрегирование информации присутствует практически во всех экономических расчетах. Оно может производиться в больших или в меньших масштабах, объединять более или менее однородные величины. Существенно, что агрегирование связано с иерархическим построением экономического управления. Важно также, что агрегированные коэффициенты зависят не только от исходных величин, но и от соотношений различных компонент произведенной продукции. При детализации технологической структуры на более низких иерархических уровнях происходит разукрупнение, дезагрегирование информации. Поскольку соотношения компонент сплошь и рядом меняются по самым разным причинам, дезагрегирование вызывает потерю информации. Это - тоже типичное явление для экономической системы. Пример - баланс производства и потребления составлялся в укрупненной номенклатуре в целом по народному хозяйству, а планы прикрепления - в специфицированной. Подобные планы из-за чрезвычайной трудоемкости централизованных расчетов удавалось создать приблизительно по трем тысячам позиций, в то время как общее их число в народном хозяйстве составляло десятки миллионов. Отсюда - один из источников дефицита, который приводил к большим народнохозяйственным потерям Укажем еще на некоторые особенности каналов связи в экономических системах по сравнению с техническими. В экономических системах носителем информации главным образом является документ, в технических - сигнал. Это связано с тем, что качественная сторона информации, т.е. смысловая, содержательная, в экономических системах несравненно богаче. Отсюда и сложность преобразования информации, ее агрегирования и дезагрегирования. Всякий информационный канал связи несет в себе еще и управляющую функцию. Сигнал имеет кроме информационной характеристики еще и энергетическую, документ - правовую силу. Эту параллель можно представить и иначе: в технических системах отношение сигнал-шум должно быть не хуже некоторой пороговой величины, с тем, чтобы имелась возможность выработки эффективного управляющего воздействия. В экономических системах документ, предназначенный для выработки управляющего решения, т.е. придания правовой силы, должен содержать достаточно достоверную и обозримую информацию. Например, объем неликвидных и сверхнормативных остатков к началу 80-х годов составлял от 100 до 500 млрд. руб. Балансовая проблема, таким образом, является прежде всего информационной, и ее следует решить средствами науки управления. Разумеется, управленческие решения должны опираться на экономический интерес.