Методологические и научные основы теории управления сложными системами

ГЛОССАРИЙ

Глоссарий – краткий словарь терминов;

Автоматизация – применение технических средств освобождающих человека частично или полностью от непосредственного участия в процессах получения, преобразования, передачи или использования энергии материалов и информации (печать принтера). (полностью автоматически, частично автоматизировано)

Алгоритм управления – четкое не двусмысленное правило, инструкция указания как и что следует делать чтобы добиться заданной цели Z* в сложившейся ситуации.

Анализ – нахождение различного рода свойств системы или окружающей её среды

Адекватность модели – соответствие свойствам среды.

Данные – сведения хранящиеся на к-л материальном носители, в некоторой знаковой системе, которой можно принимать, обрабатывать

Живучесть системы (в узком смысле) – свойство системы противостоять внешним и внутренним факторам за счет изменения поведения и структуры

Живучесть системы (в широком смысле) – способность системы адаптироваться и поддерживать в автономном режиме в заданных пределах целевые показатели эффективности на всех этапах жизненного цикла при возникновении аномальных ситуаций

Интеллект – познание, понимание, рассудок

Искусственный интеллект – раздел информатики, изучающий методы, способы, приёмы моделирования и воспроизведения с помощью ЭВМ разумной деятельности человека, связанной с решением задач

Информационная система (1) – любая комплексная система, которая может осуществлять управление действиями периферического оборудования

Информационная система (2) – совокупность средств информационной техники и людей, объединённых для достижения определённых целей, в т.ч. и управления

Кафедра – подразделение ВУЗа, занимающееся научно-педагогической деятельностью по одной или нескольким родственным дисциплинам

Механизация – замена ручных средств машинами, механизмами (упрощённо: все устройства, которые усиливают мышечную работу человека).

Модель (1) – система, используемая для получения представления о каком-либо процессе

Модель (1) – это объект, который имеет сходство в некоторых отношениях с прототипом и служит средством описания и/или объяснения и/или прогнозирования поведения прототипа

Моделирование – познавательный творческий процесс выделения существенных свойств некоторой трудно-исследуемой системы(объект моделирования), приведение этих свойств в другую систему(модель), с последующим воздействием на неё

Наука – сфера человеческой деятельности по выработке и теоретической систематизации объектных знаний о действительности. Цели науки – описание, объяснение и предсказание процессов и явлений действительности на основе открытых ею законов (ключевые слова: описание, объяснение, прогнозирование)

Объекты управления – часть окружающего мира, состояние которой нас интересует и, на которую мы можем воздействовать целенаправленно, т.е. управлять

Паттерн – упорядоченная структура, состоящая из уникальной комбинации различных элементов (от англ. Паттерн - образец, модель, шаблон, образец того как решить задачу, хорошо сформулированная и эффективная в определённом контексте типовое решение проблемы).

Проект – комплекс взаимосвязанных мероприятий, предназначенных для достижений поставленных целей, в течение ограниченного периода и при установленном бюджете.

Сигнал – любой метод передачи сообщения

Синтез – построение системы фактически выполняющей преобразование по алгоритму или описанию закона преобразования

Система – совокупность элементов и связей между ними, обладающая определённой целостностью (эмерджентность)

Система управления – это все необходимые алгоритмы обработки информации и средства их реализации, объединенные для достижения заданных целей.

Управление (1) – процесс формирования целенаправленного поведения системы посредством информационных воздействий, выработанных человеком (группой людей или устройством)

Управление (2) – преобразование информации о состоянии объекта управления в управляющую информацию

Управление (3) – процесс целенаправленного воздействия на объект, в результате которого объект переходит в требуемое (целевое состояние)

Характеристика – всё то, что отражает некоторые свойства элемента (системы).

Наиболее распространённое бинарное представление в виде кортежей < имя, параметр>

Цель (1) – определение требуемого состояния системы или ее поведения.

Цель (2) – набор требований, предъявленных субъектам к состоянию объекта.

Лекция 1 9.02.16

Введение

Необходимыми условия для усвоения дисциплины являются:

– Способность использовать обобщать и анализировать информацию ставить цели и находить пути их достижения в условиях формирования и развития информационного общества.

– умения работать в качестве пользователя персонального компьютера; использовать внешние носители информации для обмена данными; работать с программными средствами общего назначения

– владение навыками письменного аргументированного изложения собственной точки зрения, навыками публично речи; навыками решения алгебраических уравнений

Содержание дисциплины является логическим продолжением содержания дисциплин «Математика», «Информатика», «Физика», «Дискретная математика», «Теория вероятностей математическая статистика», «ЭВМ и периферийные устройства», «Теория автоматов», «История» и служит основой для освоения дисциплин «Исследование операций», «Проектирование человеко-машинного интерфейса», «Экспертные системы», «Инженерия бизнес процессов», «Проектирование АСОИУ», «Основы предпринимательской деятельности», «Теоретические основы автоматического управления», «Менеджмент и маркетинг», «Разработка и анализ требований к ПО» и ряда других дисциплин профессионального цикла математического и естественнонаучного цикла

Как и всякая дисциплина УСС выработала свой профессиональный язык, причем многие термины заимствованы из родственных дисциплин, однако им придаётся несколько иной смысл, обусловленный спецификой дисциплины. Как известно существует два способа введения новых терминов:

1) аксиоматический

2) состоит в сведении нового понятия к уже известному понятию с указанием детализации

Второй способ является основным в курсе УСС. Таким образом, особую значимость приобретает базовый список ключевых понятий. В связи с этим курс начинается с глоссария, кроме того в процессе изложения будут также вводиться ключевые понятия. Знать и понимать все термины глоссария.

Лекция 2 29.02.16

Раздел 1

Методологические и научные основы теории управления сложными системами

Система, её состав и структура

Система — совокупность элементов и связи между ними, обладающее определенной целостностью (эмерджентный).

Элемент — под элементом понимается простейшая, неделимая часть системы.

Примечание. Элемент — предел членения системы, определяемая целями поставленными перед конкретной задачей. При изменении целей может потребоваться более детальная декомпозиция, или — наоборот.

Лекция 3 14.03.16

Лекция 4 28.03.16

Введем понятие субъект управления далее упрощено – субъект. В соответствии с определением управление представляет собой процесс целенаправленного воздействия на объект, а это в свою очередь означает, что существует такой элемент управления, который во-первых ставит цель, а во-вторых добивается достижения этих целей.

Под целью понимается определение требуемого состояния системы или её поведения.

Совершенно очевидно, что эти задачи ставит и решает человек (группа людей, определяемая масштабами задачи). В итоге приходим к понятию субъект управления (далее субъект). Субъект это тот, кому нужно управление. Уточним рисунок 1.1 с учетом понятия субъекта.

Рисунок – 1.2 к понятию «субъект управления»

Стрелками направленными к субъекту, обозначено и то обстоятельство, что субъект наблюдает (измеряет) как за входом (Х), так и за выходом (У). При этом возможны 2 ситуации, а именно:

1) У полностью соответствует поставленной цели. В этом случае необходимость в управляющем воздействии отсутствует.

2) У – состояние не соответствует поставленной цели, в этом случае необходимо воздействие для приведения У к нудному состоянию, что означает управление.

ВАЖНО. Из приведенных данных следуют основные принципы управления. При полном благополучии субъекта, т.е. при удовлетворении объектом всех потребностей субъектом управление не нужно, оно требуется только тогда, когда субъект не удовлетворён ситуацией, сложившейся с объектом.

Далее будем обозначать цель через Z.

Возможны 2 качественно различных ситуаций, а именно:

1) Y = Z – частный случай

2) Между Y и Z существует сложная зависимость, обозначим её

Z = Ψ (Y) 1.2

Простые и сложные системы

При создании СУ возникают 2 основные ситуации к ОУ:

1) Объект простой

2) Объект сложный

Особо отметим, что четкая грань между ними отсутствует (условность понятий). Кроме того отсутствует строгое определение понятия «сложный объект». Важно то обстоятельство, что при изменении Z^*возможен переход простого объекта из категории «простой» в категорию» сложный»и наоборот.

Пример 1: – человек. Задача 1: Z₁^* - испытание бронежилета.

Пример 2: Z₂^* – crush – тест автомобиля.

Принципиальное отличие примеров состоит в том, что в первом случае можно обойтись без математической модели, а во втором – модель обязательна (сложный робот – манекен).

В настоящее время получил распространение следующий подход к определению сложного объекта управления. Его основу составляют 5 основных позиций (рис. 1.3).

Рисунок – 1.3 К понятию «Сложный объект управления»

Если все 5 позиций выполняются, то объект безусловно относится к сложным. Однако, если не все позиции выполняются имеются основания отнесения объекта к категории «сложный»

ВАЖНО. Как следствие сложного объекта управления идеальная цель Z^* практически не достигается. Пока создается система управления, а для этого необходим временной интервал, сложный ОУ изменяет свои свойства, в следствие этого возникает ситуация Z! = Z^*. Основным способом разрешения этого противоречия это экстраполяция.

Модель «Черного ящика»

Модель состава системы

Как следует из определения указанного в глоссарии система состоит из взаимосвязанных частей компонентов. Как результаты декомпозиции (членение системы на компоненты) получаем модель состава системы она может иметь вид списка, таблицы, схемы и отображает состав компонентов, образующих систему. К числу основных компонентов относится подсистема и её элементы.

ВАЖНО. Элементы – это неделимые, в данной задаче, части системы (предел членения). Подсистемы состоят из более чем одного элемента и в свою очередь расчленяются на подсистемы более низкого уровня.

В иерархии компонентов каждая подсистема может рассматриваться как система более низкого уровня. Сама исследуемая система является частью надсистемы, находящейся во внешней среде по отношению к рассматриваемой системе. Пример модели состава системы, составленной применительно к процедурам обработки речи в базовом стандарте GSM (от названия группы Groupe Spé cial Mobile, позже переименован в Global System for Mobile Communications).

Рисунок

1.6

….

Вообще между 2 и более объектами может быть более 200 видов отношений. Для практических исследований наиболее важны такие отношения, как потоковые и функциональные связи. Каждый компонент в составе системы свое назначение. В искусственных системах назначение компонентов определенно человеком. Свойство компонента исполнять свое назначение называется функций по формулировке назначения и функции (глагол) совпадает. Например, назначение – преобразование, функция – преобразовать.

Исполнение компонентом своей функции дает определённый результат вне этого компонента. В другом компоненте или в выше стояще й подсистемы. Например, функции ракетоносителя (РН) – вывести КА на орбиту, а её результат – движение КА по орбите.

Другой пример, функция сердаца – обеспечивать непрерывное движение крови в системе кровообращения, а функция системы кровообращения – обеспечивать кислородом всех клетки организма

Таким образом, функция – это внешнее проявление свойств компонентов в системе. Совокупность компонентов и функциональных связей между ними образуют функциональную структуру системы.

Функциональные потоковые структуры дополняют друг друга. При решении различных прикладных задач можно использовать только одну из них или одновременно обе.

Функция определяется природой своего носителя – компонента. Вместе с тем функция компонента осуществляется в условиях взаимодействия компонентов и определяется структурными и коммуникативными связями. Поэтому изменение связи её компонентов, т.е. в структуре системы вызывают соответствующие изменения функции, как самих компонентов так и системы в целом. Так одна и та же БЦВМ может исполнять различные функции в БКУ, в зависимости от связей с другими компонентами БКУ.

Иерархии компонентов системы соответствуют иерархия их функций:

функция каждого компонента подчинена функции компонентов более высокого уровня иерархии. На верхнем уровне этой иерархии находятся функции системы. Последняя не совпадает ни с одной из функций компонентов (свойство целостности). Функции системы проявляются во внешней среде как целевой выход системы, как результат её функционирования, как реализация цели системы. Носителем функции является её структура

Цели и свойства системы

Структурные уровни системы

Каждый материальный объект обладает значительным многообразием внутренних и внешних связей. Благодаря этому любая материальная система является полиструктурной, т.е. имеющей множество компонентов структуры — подструктур. Так, например, в структуре общества имеются экономическая, политическая социально-классовая и другие подструктуры. Каждой подструктуре соответствует так называемый структурный уровень (не смешивать с иерархическим уровнем) и аспект исследования. Многоуровневая структура системы определяет функцию системы в целом, т. е. является результатом взаимодействия функций всех её структурных уровней.

В контексте данной предметной области под системой понимается отграниченный в окружающей внешней среде и взаимодействующий с ней объект, который обладает следующими взаимосвязанными свойствами [ ]:

1) имеет цель (назначение), для достижения которой он функционирует,

2) состоит из взаимосвязанных составных частей — компонентов, образующих многоуровневую иерархическую структуру и выполняющих определенные функции, направленные на достижение цели объекта;

3) имеет управление, благодаря которому все компоненты функционируют согласованно и целенаправленно;

4) функционирование компонентов реализуется потоками информации, энергии, вещества;

5) обладает свойствами целостности, не сводимыми к сумме свойств его компонентов.

Например, энергетическая система города (ЭС) относится к классу смешанных систем. Она состоит из технической и организационной подсистем, т. е. имеет технический и организационный структурные уровни. На техническом структурном уровне она представляет собой техническую систему в форме отграниченной совокупности взаимодействующих технических средств. Соответствующий аспект изучения будет техническим. Что касается представления ЭС на организационном структурном уровне, она объединяет различные подразделения, в которых работают люди, обеспечивающие функционирование системы.

Кроме того, ЭС представляет собой экономическую систему, важными аспектами которой являются расходы на её создание и эксплуатацию, а также доходы от ее использования.

Таким образом, в зависимости от объективных свойств системы и целей исследования рассматриваются определенный структурный уровень и соответствующая ему подсистема, техническая, организационная и т.д. Например, технической системой будет называться целостная подсистема на техническом структурном уровне некоторой смешанной многоуровневой системы.

Технический структурный уровень системы, в свою очередь, также является многоуровневым. Декомпозицию технической структуры (разделение целого на части с сохранением отношения подчинённости) можно провести, воспользовавшись принципом единства структуры и функции, который часто применятся в естественных и общественных науках для изучения структуры системы по наблюдениям ее функций. Функция технического структурного уровня — выполнение назначения системы с помощью технических средств. Она подразделяется на процедуры:

- непосредственная реализация цели с помощью главного элемента системы;

- поддержание структуры системы, т.е. готовности системы к реализации цели.

Указанные функции выполняются на соответствующих структурных уровнях (рис.1.6). Основным средством поддержания структуры и реализация цели является управление системой. Для этого создаётся подсистема, которая называется системой управления и которой соответствует структурный уровень управления. Для управления необходима информация о состоянии системы и внешней среды, о выполнении компонентами системы своих функций. В связи с этим в системе предусматривается информационный структурный уровень, оснащённый соответствующими техническими средствами, задачами которого является приём пото-ков информации, их передача по каналам связи, преобразование, хранение, защита, отображение и т. п.

Рис. 1.6. Укрупнённая схема технического структурного уровня

Отметим, что для функционирования системы необходимы преобразования потоков вещества и потоков энергии на соответствующих им структурных уровнях. Для реализации этих потоков следует предусмотреть либо запасы и источники материальных и энергетических ресурсов, либо коммуникативные связи, через которые поступают необходимые ресурсы из внешней среды. Кроме того, необходимы внутренние каналы материального и энергетического снабжения, доставляющие компонентам системы необходимые материалы и энергию.