Методы исследования сложных систем.

В борьбе со сложностью можно при­влечь две концепции из общей теории систем [2].

Первая — неза­висимость. В соответствии с этой концепцией для минимизации сложности необходимо максимально усилить независимость ком­понент системы. По существу, это означает такое разбиение (декомпозицию) систе­мы, чтобы высокочастотная динамика ее была заключена в единых компонентах, а межкомпонентные взаимодействия представляли лишь низкочастотную динамику системы.

Декомпозицией называется деление системы на части, удобное для каких-либо операций с этой системой. Важнейшим стимулом и сутью декомпозиции является упрощение системы, слишком сложной для рассмотрения целиком.

Традиционный метод борьбы со сложностью — принцип «разделяй и властвуй», часто называемый «модуляризацией».

Модуль – группа элементов системы, описываемая только своими входами и выходами и обладающая определённой цельностью. Чтобы уменьшить сложность системы, нужно разбить ее на множество небольших, в высокой степени независимых модулей. Довольно высокой степени не­зависимости можно достичь с помощью двух методов оптими­зации: усилением внутренних связей в каждом модуле и ослабле­нием взаимосвязи между модулями. Нужно стремиться, во-первых, реализовывать отдель­ные функции отдельными модулями (высокая прочность модуля) и ослаблять связь между модулями по данным, применяя формаль­ный механизм передачи параметров (слабое сцепление модулей).

Заметим также, что понятие модуля близко к концепции «черного ящика» в кибернетике — так называют объект, в кото­ром известна только зависимость выходов от входов. Однако в отличие от такой крайней ситуации здесь, при исследовании сложных систем мы обычно в состоянии проанализировать, что же происходит внутри модуля, но нам удобно не делать этого на определенной стадии рассмотрения.

Важность понятий модуля, входа, выхода подчеркивается и большим количеством их синонимов в различных разделах науки и техники. Так, например, синонимом модуля являются "агре­гат, блок, "узел", "механизм" в технике; "подпрограмма", программный модуль", "логический блок" — в программирова­нии; подразделение", "комиссия" —в организации и управле­нии.

Именно модульное строение системы в сочетании с принципе введения все более крупных модулей при сохранении обозрим го объема входов и выходов позволяет рассматривать в принципе сколь угодно сложные системы.

Вторая концепция — иерархическая структура. Иерархией назовем структуру с наличием подчиненности, т. е. неравноправных связей между элементами, когда воздействия в одном из направлений оказывают гораздо большее влияние на элемент, чем в другом. Типичная иерархическая связь с воздействиями вида «информация» и «управление» изображена на рис. 2.1.

Виды иерархических структур разнообразны. Но основных, важных для практики иерархически структур всего две — древовидная (веерная) и ромбовидная (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Примеры иерархических структур. а – древовидная (веерная); б –

ромбовидная.

Ромбовидная структура ведет к двойной (иногда и более) подчиненности.

Иерархия поз­воляет стратифицировать систему по уровням понимания. Каждый уровень представляет собой совокупность структурных отношений между элементами нижних уровней. Концепция уровня позволяет понять систему, скрывая несущественные уровни детализации. На­пример, система, которую мы называем «человек», представляет­ся иерархией. Социолог может интересоваться взаимоотношения­ми людей, не заботясь об их внутреннем устройстве. Психолог ра­ботает на более низком уровне иерархии. Он может исследовать различные логические и физические процессы в мозге, не рассмат­ривая внутреннего строения областей мозга. Еще ниже в этой иерар­хии находится нейролог — он имеет дело со структурой основных компонент мозга. Однако он может изучать мозг на этом уровне, не заботясь о молекулярной структуре отдельных белков в ней­роне. Химик-органик интересуется построением сложных амино­кислот из таких компонент, как атомы углерода, водорода, кис­лорода и хлора. Наконец, физик-ядерщик изучает систему на уров­не элементарных частиц в атоме и взаимодействия между ними. Иерархия позволяет проектировать, описывать и понимать слож­ные системы. Если бы нельзя было принять описанный подход к из­учению человека, социологу пришлось бы рассматривать его как необъятное и сложное множество субатомных частиц. Очевидно, что такое количество деталей подавило бы его, так что невозможны были бы даже те ограниченные знания о человеке, которыми мы располагаем.

Характерны следующие виды иерархии: временная, пространственная, функциональная, си­туационная и информационная.

Временная иерархия. Признаком деления здесь является интервал времени от момента поступления информации о состоянии объекта управления до выдачи управляющего воздействия. Чем больше ин­тервал, тем выше уровень (ранг) элемента. Управление может осуще­ствляться в реальном времени, с интервалом сутки, декада, месяц, квартал и т. д. Причем управляющий интервал выбирается не произ­вольно, а исходя из критериев, определяющих устойчивость и эффек­тивность функционирования всей системы.

Пространственная иерархия. Признаком деления здесь является площадь, занимаемая объектом управления. Чем больше площадь объекта, тем выше его ранг. Данный признак — субъективный, так как не всегда площадь, занимаемая объектом, соответствует его зна­чимости, и его можно использовать в случае аналогичности парамет­ров элементов одного уровня.

Функциональная иерархия. В основе лежит функциональная зави­симость (подчиненность) элементов системы. Такое разделение так­же является субъективным, так как в этом случае трудно выделить границы между элементами системы.

Ситуационная иерархия. Деление на уровни в данном случае про­изводится в зависимости от эффекта, вызываемого той или иной си­туацией, например от ущерба, возникающего в результате аварии или выхода из строя оборудования.

Информационная иерархия. В настоящее время этот вид иерархии является очень существенным в связи с возросшим значением ин­формации для управления. В основе деления на уровни лежат опера­тивность и обновляемость информации. Именно через эти характе­ристики прослеживается иерархия информации по уровням управле­ния предприятием.

На первом уровне хранится и обрабатывается повторяющаяся, часто обновляющаяся информация, необходимая для повседневной деятельности, т.е. для оперативного управления. Следующий уровень составляет информация более обобщенная, чем оперативная, и ис­пользуемая не так часто. Информация группируется по функцио­нальным областям и применяется для поддержки принятия решения по управлению производством. На верхнем уровне хранится и обра­батывается стратегическая информация для долгосрочного планиро­вания. Для нее характерны высокая степень обобщенности, неповто­ряемость, непредсказуемость и редкое использование.

К этим двум концепциям сокращения сложности (независимость и иерархическая структура) можно добавить третью: выявление связей всюду, где они возникают. Основная проблема многих больших систем — огромное количество независимых побоч­ных эффектов, создаваемых компонентами системы. Из-за этих по­бочных эффектов систему невозможно понять.

Практически реальным и доступным путём для проектирования и исследования сложных систем управления является путь моделирования. Широко применяют полунатурное моделирование, когда кроме обычных моделирующих средств (вычислительных устройств того или иного класса) используют другие разнообразные устройства – отдельные натурные узлы объектов управления, пульты для сбора и отображения информации, средства связи между человеком и ЭЦВМ и т.д.