Виды и формы представления структур

Структурные представления могут являться средством исследования систем. Различные виды структур имеют свои особенности. Рассмотрим следующие виды структур: сетевые, иерархические, многоуровневые иерархические, матричные, с произвольными связями. Структура может быть представлена в форме теоретико-множественных описаний, матричной, графической с помощью языка топологии, алгебры и других средств моделирования системы.

Сетевая структура, или сеть (рис 1.4, а), представляет собой декомпозицию системы во времени. Такие структуры могут отображать порядок действия технической системы (телефонная сеть, железнодорожная сеть), этапы деятельности человека (при производстве продукции – сетевой график, при проектировании – сетевая модель, при планировании – сетевой план и т.д.). Для анализа сложных сетей существует математический аппарат теории

графов, прикладная теория сетевого планирования и управления.

Иерархические структуры. Они представляют собой декомпозицию системы в пространстве (рис. 1.4, б-г). Все компоненты (вершины, узлы) и связи (дуги, соединения узлов) существуют в этих структурах одновременно (не разнесены во времени). Также структуры могут иметь большое число уровней декомпозиции (структуризации).

Структуры типа рис 1.4, б, в которых каждый элемент ниже лежащего уровня подчинен одному узлу вышестоящего, называют древовидными структурами, структурами типа «дерева», иерархическими структурами с «сильными» связями.

Структуры типа рис 1.4, в, в которой элемент нижележащего уровня может быть подчинен двум и более узлам вышестоящего, называют иерархическими структурами со слабыми связями. Иерархическим структурам рис 1.4, б - в соответствуют матричные структуры рис. 1.4, д, е. Отношения имеют вид слабых связей между двумя уровнями на рис. 1.4, в подобно отношениям в матрице, образованной из составляющих этих двух уровней на рис. 1.4, ж.

Наибольшее распространение имеют древовидные иерархические структуры, с помощью которых представляются конструкции сложных технических изделий и комплексов (рис. 1.5), структуры классификаторов и словарей, структуры целей и функций, производственные структуры (рис. 1.6), организационные структуры предприятий.

В общем случае термин иерархия (соподчиненность) означает порядок подчинения низших по должности и чину лиц высшим, широко применяется для характеристик взаимоотношений в аппарате управления государством, армией и т.д., кроме того, концепция иерархии распространяется на любой согласованный по подчиненности порядок объектов. Поэтому, в принципе, в иерархических структурах важно лишь выделение уровней соподчинения, а между уровнями и между компонентами в пределах уровня могут быть любые взаимоотношения. В связи с этим существуют структуры, использующие иерархические принципы, но имеющие

специфические особенности.

Многоуровневые иерархические структуры. В теории систем М.Месаровича предложены особые классы иерархические структур типа «страт», слоев, «эшелонов», отличающихся различными принципами взаимоотношений элементов в пределах уровня и различным правом вмешательства вышестоящего уровня в организацию взаимоотношений между элементами нижележащего. Учитывая важность этих видов структур рассмотрим их 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 отобразить 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.

Такое представление названо стратифицированным, а уровни абстрагирования – стратами.

В качестве простейшего примера стратифицированного описания проведем отображение ЭВМ в виде двух страт, нижняя – физические операции (система описывается на языке физических законов управления работой механических и электронных элементов; верхняя – математические и логические операции).

Примером стратифицированного описания может служить и выделение уровней абстрагирования системы от философского или теоретико-познавательного описания ее замысла до материального воплощения (рис. 1.7).

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

Страты могут выделяться по разным принципам. Например, при представлении системы управления предприятием страты могут соответствовать сложившимся уровням управления: управление технологическими процессами и организационное управление предприятием. Если предприятие входит в объединение, то к этим двум стратам может быть добавлен уровень управления объединением.

Стратифицированное представление может использоваться и как средство последовательного углубления представления о системе, ее детализации (рис. 1.8): чем ниже опускаемся по иерархии страт, тем более детальным становится раскрытие системы; чем выше поднимаемся, тем яснее становится смысл и значение всей системы.

Начинать изучение системы можно с любой страты. В процессе исследования могут добавляться новые страты, изменяться подход к выделению страт. На каждой страте может использоваться свое описание, своя модель, но система сохраняется до тех пор, пока не изменяется представление на верхней страте – ее концепция, замысел, который нужно стремиться не исказить при раскрытии на каждой страте.

Слои. Второй 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 ограничения (допустимую степень упрощения) при моделировании на нижележащем уровне, т.е. снижало бы распределенность нижележащей проблемы, но без утраты замысла решения общей проблемы. Многослойную иерархию можно проиллюстрировать рис. 1.9: каждый слой представляет собой блок D, принимающий решения и вырабатывающий ограничения X для нижеследующего блока. Для примера предположим (рис. 1.10), что заданы выходная функция Р и функция оценки G, а выбор действий {m} основан на применении оценки G к P. Используя теоретико-множественные представления, выходную функцию можно определить как отображение P:MЧU→Y где М – множество альтернативных действий, U – множество неопределенностей, адекватно отражающее отсутствие знаний о зависимости между действием m и выходом Y, Y – множество возможных результатов на выходе.

Функция оценки G есть отображение G:MЧY→V, где V – множество величин, которые могут быть связаны с характеристиками качества работы системы.

В общем случае для того чтобы определить задачу выбора на первом слое, необходимо уточнить множество неопределенностей U, требуемые отношения P, G. Это осуществляется на верхних уровнях. Следующий слой – слой обучения или адаптации. Задача этого слоя – конкретизировать множество неопределенностей U, с которым имеет дело слой выбора. Множество неопределенностей U рассматривается здесь как множество, включающее в себя все незнание о поведение системы и отражающее все гипотезы о возможных источниках и типах таких неопределенностей. U может быть получена с помощью наблюдений и внешних источников информации. Назначение этого слоя – сузить множество неопределенностей и таким образом упростить модель слоя выбора. Третий, верхний слой – слой самоорганизации. На этом слое выбираются структуры, функции и стратегии, используемые на нижележащих слоях таким образом, чтобы по возможности приблизиться к отображению цели. Многослойные системы принятия решений полезно формировать для решения задач планирования и управления промышленными предприятиями, отраслями, народным хозяйством в целом.

Эшелоны. Понятие многоэшелонной иерархической структуры вводится следующим образом: система представляется в виде относительно независимых, взаимодействующих между собой подсистем; при этом некоторые (или все) подсистемы имеют право принятия решений, а иерархическое расположение подсистем (многоэшелонная структура) определяется тем, что некоторые из них находятся под влиянием или управляются вышестоящими. Структурные представления такого типа иллюстрируются рис.1.11. Уровень такой иерархии называют эшелоном.

Основной отличительной особенностью многоэшелонной структуры является предоставление подсистемам всех уровней определенной свободы в выборе их собственных решений, причем эти решения могут быть не теми решениями, которые выбрал вышестоящий уровень. Предоставление свободы действий в принятии решений компонентам всех эшелонов повышает эффективность функционирования системы. Подсистемам предоставляется определенная свобода и в выборе целей. Поэтому многоэшеллонные структуры называют также многоцелевыми. Естественно, что при предоставлении прав самостоятельности в принятии решений подсистемы могут формировать противоречивые цели и решения, что затрудняет управление. Разрешение конфликтов достигается путем вмешательства вышестоящего эшелона. Управляющие воздействия для разрешения этих противоречий со стороны вышестоящих уровней иерархии могут быть разной силы. Поэтому управляющие воздействия разделены двумя понятиями: «управление» и «координация». Пи 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.

Матричные структуры. В форме матричного представления могут быть представлены взаимоотношения между уровнями иерархической структуры. Например, древовидная иерархическая структура может быть представлена матричной структурой, что иногда удобнее на практике при оформлении планов, поскольку, помимо иерархической соподчиненности тематической основы плана, в нем нужно указать исполнителей, сроки выполнения, формы отчетности и т.д. В виде двумерной матричной структуры могут быть представлены взаимоотношения между уровнями иерархии со «слабыми» связями; при этом в матрице может быть охарактеризована и сила связей. Матричные структуры могут быть и многомерными. Но графическое их представление становится неудобным. Смешанные иерархические структуры с вертикальными и горизонтальными связями. 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 можно назвать смешанными. При этом основой объединения структур могут служить страты, и поэтому можно считать их развитием стратифицированного представления. В таких смешанных иерархических структурах могут быть как вертикальные связи разной силы (управление, координация), так и горизонтальные взаимодействия между элементами (подсистемами) одного уровня. В качестве примера приведем модель структуры управления государством, которая была положена в основу концепции общегосударственной автоматизированной системы управления (ОГАС). На рис.1.12 за основу принято многоуровневое представление: на верхнем уровне расположены общегосударственные (территориальные) и отраслевые органы управления; на среднем – республиканские органы управления; на нижнем – предприятия и организации. Для простоты на рисунке не показан еще один уровень − региональный, т.е. уровень областей, краев. В этой структуре существовала древовидная подчиненность исполнительных органов управления регионального, республиканского и общегосударственного уровней. В то же время предприятия и организации имели, как правило, двойное подчинение отраслевым министерствам и территориальным органам управления, т.е. имела место иерархия со слабыми связями. В свою очередь, между общегосударственными органами управления при принятии решений по сложным проблемам устанавливаются горизонтальные взаимодействия.

Смешанный характер носит и организационная структура современного предприятия (объединения, акционерного общества и т.д.). Оргструктуры, называемые матричными, являются фактически тоже смешанными, поскольку они сочетают матричные и иерархические представления.

Структуры с произвольными связями. Этот вид структур обычно используется на начальном этапе познания объекта, новой проблемы, когда идет поиск способов установления взаимоотношений между компонентами, нет ясности в характере связей между элементами, не могут быть определены не только последовательности их взаимодействия во времени (сетевые модели), но и распределение элементов по уровням иерархии. Такое представление − без связей и со всеми связями (рис 1.13) − отражает только разные подходы к исследованию проблемы (можно последовательно убирать ненужные связи, а можно только добавлять).