Методы синтеза структуры ИАИСУ

Создание в современных условиях ИАИСУ отождествляется не только с автоматизацией выполняемых отдельных функций управления (задач и их комплексов) с помощью СВТ, но и с критическим анализом и выбором структуры и принципов управления. Одним из главных направлений в области совершенствования систем управления является их проектирование с уже заранее определяющими основными свойствами.

Структура системы управления отражает внутреннее построение организации и относительно устойчивую взаимосвязь элементов системы. ИАИСУ, как большие и сложные системы обладают бесконечным числом элементов, свойств и связей между элементами. В связи с этим, на практике в процессе исследования систем управления рассматриваются отдельные составные “части” внутреннего построения ИАИСУ. В основном это организационная, функциональная, информационная части, комплекс СВТ и др.

В целях формализации синтеза структуры ИАИСУ введём следующие обозначения [7,11]: Р - множество возможных принципов, П – набор принципов, построения системы или её элементов (принципы функционирования ИАИСУ обычно заданы и при синтезе ИАИСУ, как правило, идёт процесс выбора некоторых принципов из множества Р); F - это множество взаимосвязанных функций, выполняемых ИАИСУ. Каждому набору принципов П системы соответствует некоторое множество функций F(П), из которого при создании ИАИСУ необходимо выбрать подмножество , достаточное для реализации принципов управления П. Множество возможных взаимосвязанных элементов системы (узлы системы, СВТ, коллективы людей и т.д.) обозначим через А.

Введём также операцию отображения М элементов множества F на элементы множества А. Отображение должно обеспечивать оптимально требуемые характеристики функционирования системы управления и экстремум некоторого функционала. Тогда в общем случае задача синтеза оптимальной структуры ИАИСУ должна состоять в определении:

, (3.5)

, (3.6)

, (3.7)

, (3.8)

В том случае, если заданы принципы построения системы управления, синтез оптимальной структуры состоит в определении (3.6)-(3.8). Если мы знаем принципы построения системы управления и выполняемые ею функции, тогда в определении (3.7)-(3.8). И если заданы принципы построения системы управления, выполняемые ею функции и элементы системы, то в определении (3.8). В общем случае задача синтеза структуры ИАИСУ сводится к определению характеристик системы управления при заданных условиях (3.5)-(3.8).

Разработка методов и моделей синтеза структуры ИАИСУ предполагает формирование человеко-машинных процедур выбора оптимальных вариантов построения систем управления. Для этого выбираются задачи управления, определяется состав узлов в системе управления, задачи распределяются по узлам системы, определяется комплекс СВТ, обеспечивающий своевременное решение задач. Формируют структуру ИАИСУ с учётом имеющихся инвестиционных ресурсов.

Методы синтеза структур ИАИСУ. При синтезе структур ИАИСУ различают две группы методов: эвристические и формализованные.

Эвристические методы синтеза структур управления состоят в определении и анализе целей системы управления, функциональном анализе, проведении аналогий, экспертных оценках, организационном моделировании и базируются на предшествующем опыте.

Для этого анализируются функции (бизнес-процессы) лучших российских и зарубежных систем управления и при разработке будущих систем учитываются наиболее прогрессивные решения. Организационное моделирование состоит в разработке и применении графических материалов, схемного построения информационных потоков, которые позволяют обобщить и представить собранную информацию о функционировании системы управления.

Формализованные методы синтеза структуры систем управления основываются на применении математических методов и моделей с использованием количественных зависимостей между параметрами структуры и характеристиками системы управления. Для построения формализованных моделей синтеза структуры системы управления, как правило, используются статические методы, методы математического программирования, теории массового обслуживания и теории графов.

Рассмотрим формализованные методы синтеза организационной и функциональной структуры ИАИСУ [7].

Для формализации синтеза организационной структуры ИАИСУ широкое распространение получил нормативный метод, который основывается на выявлении статистических зависимостей между параметрами характеристик структуры и факторами, влияющими на эти характеристики. Используя статистический и логический анализ выделяют производственные и управленческие факторы, влияющие на объём работ [6]. На основании этих факторов строится следующая зависимость:

(3.9)

где H_j - j-ый параметр организационной структуры ИАИСУ;

С - постоянный коэффициент уравнения регрессии, отражающий средний

уровень значения параметра в исследуемой группе ИАИСУ;

X_i - численное значение i-го фактора;

- показатель степени, отражающий влияние i-го фактора на j-ый

параметр.

Процесс формирования нормативов проходит в два этапа. На первом этапе рассматриваются производственные факторы, на втором - определяются границы допустимых отклонений от найденных нормативов и затем корректируется коэффициент С. Другая группа факторов характеризует организацию уровня управленческого труда, наличие СВТ и системы документооборота. При таких условиях предполагается, что производственные факторы обуславливают объём управленческих работ, а вторая группа факторов влияет на производительность управленческого труда.

Синтез функциональной структуры ИАИСУ заключается в распределении операций управления по подсистемам и уровням иерархии управления. Одним из наиболее распространённых критериев объединения в подсистемы решаемых задач в организациях является их “взаимодействие”. “Взаимодействие” задач может выражаться, например, в том, что решение одной из них невозможно без решения другой. Задачи могут считаться и “взаимодействующими” вследствие принадлежности к одной и той же подсистеме.

Объединение в одну подсистему “взаимодействующих” задач повышает их эффективность как внутри самих подсистем, так и при координации деятельности подсистем в целом. В связи с этим сокращается время, затрачиваемое на обмен информацией, упрощается координация деятельности подсистем.

Для упрощения анализа процессов управления, происходящих в организациях, введём понятие операции. В зависимости от уровня анализа операциями в ИАИСУ являются операции производства продукции, финансирования, сбыта, обработки информации и т.п.

В общем случае каждой операции l_i соответствуют входной и выходной векторы. Преобразование вектора x_i в вектор y_i можно записать в следующем виде:

, (3.10)

где - функция преобразования.

Если же преобразование является линейным, тогда (3.6) можно записать в матричном виде:

, (3.11)

где А_i - матрица преобразований.

Операции, как правило, между собой взаимосвязаны. Взаимосвязь операций удобно представлять графом без петель, множество вершин которого соответствует операциям l₁, l₂,..., l_n, а каждая дуга указывает на то, что выход операции l_i является входом операции l_j.

При определении оптимального распределения функций по узлам ИАИСУ исходными данными могут являться:

· функции системы управления, формализованные в виде множества решаемых задач, каждая из которых состоит из ряда этапов;

· связи между задачами и их этапами;

· множество возможных узлов между отдельными задачами и связей между ними;

виды и характеристики множества СВТ;

внешняя информационная среда, включающая источники и потребности в информации, необходимой для решения задач (комплексов).

Задачу выбора оптимальной ИАИСУ можно представить в виде нелинейной задачи математического программирования [7]:

F₀ (x_ijkl) ® extr,

F_n (x_ijkl) £ B_n, (n = 1,m), (3.12)

S x_ijkl = 1, (i = 1, n),

{jkl}

где, x_ijkl – булевая переменная, равная 1, если функциональная задача i решается в j-том узле системы с помощью алгоритма k на l-м наборе СВТ, и равна 0 в противном случае.

Приведенная модель позволяет учитывать такие характеристики эффективности вариантов структуры ИАИСУ, как стоимость, оперативность, надежность. Эффективность выбранной структуры ИАИСУ должна основываться на определенном соотношении результатов и затрат, которые должны удовлетворять как разработчиков системы, так и инвесторов.

3.6. Цели и критерии эффективности систем управления

Общеизвестно, что любая вновь создаваемая система управления должна быть целенаправленной и обеспечить экономию общественного труда по сравнению с фактическим уровнем затрат до реализации инноваций. Проблема состоит в том как выявить и определить целенаправленность будущей системы и сопоставить уровни общественных затрат до и после её реализации.

Цели. Цель - это осознанный образ предвосхищаемого результата на достижение которого направлены действия человека. Создаваемые системы управления должны быть всегда целенаправленными, то есть иметь определённые цели управления. Системы управления, не имеющие целей, представляют собой бесцельное блуждание. Другими словами, цель - это то, чего необходимо достигнуть в результате реализации определённых действий.

Для любой системы управления цели определяются в основном внешними факторами по отношению к этой системе. Такое положение вытекает из принятой концепции, согласно которой любая система является подсистемой системы более высокого ранга и функционирует в тесной связи с внешней средой. С точки зрения внешней среды важно то, что происходит с выходами рассматриваемой системы. В таком случае целью системы является реализация некоторого набора значений выходов Y. В пространстве выходов Y определяется область цели , которая в частном случае вырождается в точку цели . Для динамических систем состояние выходов в момент t отображает точка .

Цели системы в зависимости от её назначения задаются различными способами. Для систем разового действия, деятельность которых завершается достижением цели, требуется, чтобы достигла . При этом в частном случае следует выполнить условие . Для других систем необходимо, чтобы должна достигнуть области , а затем продолжила движение по заданной траектории [6].

На практике достаточно часто накладывают условие ограничения:

, (3.13)

при ограничениях:

, (3.14)

где - целевая функция;

;

где F- вектор-функция;

V- заданная область.

Определение цели для отдельных выходов или их группы называется частной целью. На траектории может быть определена предельная точка - конечная цель и ряд промежуточных целей - промежуточные цели.

В метрическом пространстве выходов системы введём понятие - определённое расстояние от текущей точки, отражающей состояние системы и её выходов в момент , до области цели. В случае, если для и на интервале не менее заданной длины выполняется условие , тогда систему называют целенаправленной.

В системах управления с иерархической структурой каждая подсистема имеет свою цель, которая необязательно совпадает с целью всей системы в целом. Эффективное функционирование системы можно достигнуть только в том случае, если цели подсистем более низкого уровня будут согласованы с целями подсистем более высокого уровня. В связи с ветвлением системы от высших уровней к более низшим возникает иерархия целей и подчинение низших целей высшим. Выделение целей по всем подсистемам и зависимостей между ними называют деревом целей.

Главными целями для систем управления могут быть:

· рост объёмов реализованной продукции;

· снижение себестоимости продукции;

· выпуск высококачественной продукции;

· выход на новые рынки сбыта продукции и др.

Оптимальное управление организациями и другими хозяйствующими объектами заключается в выборе и реализации таких функций управления, которые являются наилучшими в смысле эффективности достижения поставленных целей. Тем самым предполагается, что существует множество возможных вариантов создания систем управления и свобода выбора из них наилучшего.

Критерии эффективности. При реализации систем управления весьма важным вопросом является выбор критерия их эффективности. Под критерием эффективности понимается степень достижения целей системой управления.

На практике достаточно распространённой ошибкой является то, что не делают различия между целями системы управления и критериями её эффективности. Цели системы управления определяют её назначение и смысл функционирования и выражают точку зрения на то, для чего создаётся эта система. В отличие от целей критерии эффективности дают возможность определить, хорошо или плохо работает система управления, успешно ли выполняет свои функции. Цели и критерии эффективности и их правильный выбор весьма важны как для будущей системы управления, так и для вышестоящей системы, которой подчинена нижестоящая.

Как показывает практика, чем выше уровень системы управления, тем сложнее формализовать её цели и критерии эффективности. Это связано с тем, что вышестоящие системы приближаются к общенациональным и государственным, интересам. Такая система имеет большую размерность и на них влияют большое число факторов, которые трудно поддаются анализу и учёту. Определение целей и критериев эффективности до настоящего времени является всё ещё творческим процессом, который зависит от опыта и интуиции специалистов, занимающихся вопросами создания систем управления и оценки их эффективности.

Критерии эффективности, независимо ни отчего, при их выборе и определении, должны удовлетворять следующим условиям:

· реально измерять эффективность систем управления;

· количественно отражать эффективность систем управления числом или набором чисел;

· охватывать наибольшее количество результатов создаваемой системы управления;

· отличаться простотой, но учитывать всю полноту результатов и затрат, связанных с созданием систем управления.

В настоящее время выделяют три типа критериев эффективности систем управления; первого, второго рода и многокритериальные.

Критерии эффективности первого рода – степень достижения целей системой управления в заданной области. В том случае, если цель системы задана областью цели или точкой y^*, то критерием эффективности первого рода является расстояние r, определяемое в метрике пространства . Цель считается достигнутой, если r (y (t)), = 0 или r (y(t), y^*) < В, где В — наперёд заданная малая величина.

Критерий эффективности второго рода — оценка эффективности на некотором заданном пути достижения цели. Он определяется как некоторая функция f (u, w, y) ® extr при дополнительных ограничениях. Экстремальное значение f определяет наилучшую (в смысле f), траекторию движения системы к целям. С помощью такого критерия можно сравнивать и оценивать различные изменения состояний системы. Следует отметить, что критерий второго рода по отношению к критерию первого рода является вторичным, второстепенным, поскольку главное для системы управления является достижение целей.

Многокритериальные критерии эффективности — независимые, самостоятельные критерии эффективности. Для многих сложных систем управления выбрать критерии эффективности первого и второго рода, представляющие собой скалярные критерии, не представляется возможным. В этом случае используются векторные критерии, обеспечивающие выбор функций управления, оптимальных по Парето. Множество функций управления, оптимальных по Парето, включают в себя фактически не сравнимые по скалярным критериям функции управления, то есть такие о которых нельзя сказать, какие из них являются наилучшими.

В этом случае применяются многокритериальные оценки эффективности систем управления с выделением наиболее лучших и наименее эффективных функций управления.

Исходя из основных достижений экономики, разработки методологии создания систем управления, уровня развития СВТ, организационных процессов, программного, математического и других видов обеспечения, критериями эффективности создаваемых систем управления могут в основном служить:

· максимум чистого дисконтированного дохода (прибыли);

· максимум роста объёмов реализуемой продукции;

· минимум себестоимости продукции;

· максимум внутренней нормы рентабельности;

· минимум срока окупаемости инвестиций и др.

В тех случаях, когда трудно отдать предпочтение какому-либо критерию, используют многокритериальный подход, с помощью которого определяют оптимальное соотношение эффективности путей и степени достижения системой цели. Необходимым условием возможности использования многокритериального подхода является измерение эффективности пути в одинаковых единицах или наличие способа приведения к этому условию.

Вопросы для самоконтроля

1. В чём заключается сущность автоматизации управления?

2. Какие сложились направления при автоматизации управления?

3. Классификация АИСУ и какие признаки при этом заложены?

4. Что представляют собой АИСУ технологическими процессами?

5. На какие виды делятся АИСУ в зависимости от уровня автоматизации управления?

6. Из каких основных групп состоят ИАИСУ?

7. Какие основные общесистемные принципы должны быть заложены при создании ИАИСУ?

8. В чём заключается синтез структуры ИАИСУ?

9. Какие существуют методы синтеза структур ИАИСУ?

10. Что представляют собой эвристические методы синтеза структур?

11. В чём состоит сущность формализованных методов синтеза структур систем управления?

12. Каким образом определяются цели систем управления?

13. Какие ограничения накладываются при определении целей системы управления?

14. Имеют ли свои цели подсистемы системы управления?

15. Какие основные цели могут быть у производственных организаций?

16. Что такое критерии эффективности в системах управления?

17. Каким образом выбираются критерии эффективности?

18. Каким условиям должны удовлетворять критерии эффективности?

19. Что следует сделать, когда трудно отдать предпочтение какому-либо одному критерию?

Литература

1. Арефьев И. Б., Кезлинг Г. Б., Кукор Б. Л. Интегрированные автоматизированные системы управления в машиностроении. Ленинград: Машиностроение, 1988.

2. Автоматизированные системы управления предприятиями и объединениями. Под ред. проф. Н. А. Саломатина. М.: Экономика, 1985.

3. Автоматизированные информационные технологии в экономике. Под ред. проф. Г. А. Титоренко. М.: “ЮНИТИ”, 1998.

4. Глушков В. М. Введение в АСУ. Киев: Техника, 1974.

5. Интегрированная система управления предприятием “М-2”. М.: Аудиторско-консалтинговая группа “ЭКУРАН”. Издательский центр АР и НА, 1999.

6. Каплан Р., Фалб М., Арбиб М. Очерки по математической теории систем. М.: Мир, 1971.

7. Мамиконов А. Г. Основы построения АСУ. М.: Высшая школа, 1981.

8. Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических систем. М.: Мир, 1973.

9. Мескон М. Х., Альберт М., Хедоурн Ф. Основы менеджмента. Пер с англ. М.: “Дело”, 1992.

10. Растригин Л. А. Современные принципы управления сложными объектами. М.: “Советское радио”, 1980.

11. Цвирхун А. Д. Структура сложных систем. М.: Машиностроение, 1975.

12. Утеуш Э. В., Утеуш З. В. Введение в кибернетическое моделирование. М.: Энергия, 1971.