Иерархичность системы. Иерархическое управление большими системами. Иерархическая система классификации

Иерархическая система

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	Иерархическая система
Рубрика (тематическая категория)	Электроника

Любая система содержит ряд подсистем, полученных выделением из исходной системы. В свою очередь, эти подсистемы состоят из более мелких подсистем и т.д.

Подсистемы, полученные выделением из одной исходной системы, относят к подсистемам одного уровня или ранга. При дальнейшем делении получаем подсистемы более низкого уровня. Такое деление называют иерархией (деление должностей на высшие и низшие, порядок подчинения низших по должности лиц высшим и т.п.). Одну и ту же систему можно делить на подсистемы по-разному - это зависит от выбранных правил объединения элементов в подсистемы. Правила разбиения системы на подсистемы˸

· каждая подсистема должна реализовывать единственную функцию системы;

· выделенная в подсистему функция должна быть легко понимаема независимо от сложности её реализации;

· связь между подсистемами должна вводиться только при наличии связи между соответствующими функциями системы;

· связи между подсистемами должны быть простыми (насколько это возможно).

Число уровней, число подсистем каждого уровня должна быть различным. Однако всегда необходимо соблюдать одно важное правило˸ подсистемы, непосредственно входящие в одну систему более высокого уровня, действуя совместно, должны выполнять все функции той системы, в которую они входят.

Управление любой организацией, производящей товары или оказывающей услуги, строится по иерархическому принципу. Деятельность по созданию товаров и услуг имеет место во всех организациях. Производство - это создание товаров и оказание услуг путем преобразования входа системы (необходимых ресурсов всех видов) в её выход (готовые товары и услуги). На производственных фирмах деятельность по созданию товаров обычно очевидна. Ее результатом являются конкретные товары (например, станки или самолеты). В других организациях, которые не создают физические товары, производственные функции могут быть менее очевидны, скрыты от публики и каждого из покупателей. Например, это деятельность, которая осуществляется в банке, офисе, аэролинии или колледже. Деятельность таких компаний называют сервисом. Управляющие производственной деятельностью принимают решения, которые необходимы для преобразования ресурсов в товары и услуги.

В иерархической системе управления любая подсистема некоторого уровня подчинена подсистеме более высокого уровня, в состав которой она входит, и управляется ею. Для систем управления деление системы возможно до тех пор, пока полученная при очередном делении подсистема не перестает выполнять функции управления. С этой точки зрения системой управления низшего иерархического уровня являются такие подсистемы, которые осуществляют непосредственное управление конкретными орудиями труда, механизмами, устройствами или технологическими процессами. Система управления любого другого уровня, кроме низшего, всегда осуществляет управление технологическими процессами не непосредственно, а через подсистемы промежуточных, более низких уровней.

Важным принципом построения системы управления предприятием является рассмотрение предприятия как системы с многоуровневой (иерархической) структурой (рис. 1.1). От звеньев, расположенных на более высоком уровне, идет поток управляющих воздействий, а информация о текущем состоянии объекта управления более низкого уровня поступает звеньям более высокого уровня. Рассматривая своеобразное ʼʼдеревоʼʼ управления, можно отметить, что преимущество иерархической структуры управления состоит в том, что решение задач управления возможно на базе локальных решений, принимаемых на соответствующих уровнях иерархии управления.

Иерархическая система - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Иерархическая система" 2015, 2017-2018.

- системы произвольной природы (технические, экономические, биологические, социальные) и назначения, имеющие многоуровневую структуру в функциональном, организационном или каком-либо ином плане. ИСУ изучаются в кибернетике технической, в системотехнике, кибернетике экономической и кибернетике биологической. ИСУ весьма разнообразны, встречаются они в различных областях деятельности человека и в природе. Типичными примерами технических ИСУ являются объединенные энергетические системы, транспортные системы, системы связи, пром. комплексы типа нефтеперерабатывающих и хим. заводов, горнопром. предприятий, включающих в себя шахты, обогатительные фабрики и пр. Широкое использование электронныхцифровых вычислительных машин (ЭЦВМ) для управления производством особо повлияло на многообразие ИСУ, с которым теперь приходится сталкиваться (см. Управляющая вычислительная машина). Классическим примером в этом смысле может служить ИСУ крупными металлург, предприятиями. На рис. 1 приведена такого рода система управления металлург, комбинатом, имеющая

четырехуровневую иерархию ЭЦВМ. В комбинат входят коксовые печи и цехи: шихтовый, чугуноплавильный, сталеплавильный, слябинговый, горячей и холодной прокатки и обработки изделий. ЭЦВМ верхнего уровня (1) предназначается для решения генеральных задач планирования, эконом, прогнозирования, регулирования запасов и др. задач чисто организационного, а не технологического характера. ЭЦВМ 3-го уровня (2 и 3) используются для составления долгосрочных календарных планов работы комбината, причем одна из них (2) предназначена для планирования работы подготовительных цехов (коксового, чугунолитейного и сталеплавильного), а с помощью второй - (3) осуществляется составление календарных планов работы для остальных цехов и участков.

1. Иерархическая система управления металлургическим комбинатом.

С помощью ЭЦВМ 2-го уровня иерархии (4-9) осуществляется разработка краткосрочных детальных календарных планов работы для каждого из цехов, а также производится сбор и обработка информации, необходимой для осуществления процесса автоматизированного управления работой цехов и их отдельных участков. ЭЦВМ 1-го уровня (10-16) предназначены для автомат, управления технологическими процессами и отдельными агрегатами (шихтовочными машинами, домнами, конвертерами и пр.).

Иерархические структуры встречаются также в различных системах административного управления, системах управления военными операциями, а также при изучении разнообразных проблем экономики, напр., система управления нар. х-вом СССР может быть представлена в виде семиуровневой иерархической структуры (рис. 2). Первые три нижних уровня относятся к проблематике, связанной с решением задач автоматического или автоматизированного (т. е. с участием человека) управления производством. На этих уровнях большую роль в процессе управления играют автомат. средства, а не человек, в то время как на остальных (верхних) уровнях осуществляется административное и организационное (планирование экономики) управление, и большее значение в процессе этого управления принадлежит людям, а не автомат, устройствам.

Часто иерархические структуры встречаются II при решении различных вычислительных задач, в графов теории, в логике математической, лингвистике математической, программировании эвристическом и во многих др. случаях. Столь широкое распространение ИСУ и универсальный характер их обусловлен рядом преимуществ, которыми они обладают по сравнению с системами централизованного (радиального) управления. Оси. из преимуществ: 1) свобода локальных действий (в течение интервалов времени, обусловленных моментами поступления управляющих воздействий со стороны вышележащего по иерархической лестнице уровня); 2) возможность целесообразно сочетать различные для каждого из уровней системы локальные критерии оптимальности и глобальный критерий оптимальности системы в целом; 3) отсутствие необходимости пропускать очень большие потоки информации через один пункт управления, т. к. при использовании ИСУ информация с нижнего уровня передается на верхний в осреднением (обобщенном) виде; 4) повышенная надежность системы управления и большие возможности введения элементной избыточности в систему на необходимом уровне управления; 5) гибкость системы управления и широкие возможности приспособления ее к изменяющимся условиям; 6) универсальность при решении однотипных в целом, но отличающихся в деталях проблем управления; 7) в ряде случаев - экономическая целесообразность по сравнению с системами управления иной структуры. Поэтому ИСУ уделяется большое внимание и производятся попытки построить теорию, позволяющую рационально проектировать ИСУ для самых различных целей. Основными разделами теории ИСУ, разработанными к настоящему времени в определенной мере, являются: а) структурный анализ и синтез ИСУ, б) проблема координации действий ИСУ, в) оптимизация функционирования ИСУ.

Задачи структурного анализа и синтеза ИСУ весьма разнообразны. Многое в этих вопросах зависит от того признака, который положен в основу при подразделении сложной системы на соответствующие уровни иерархии. При этом одну и ту же систему можно расчленять на различное к-во уровней иерархий в зависимости от того, какой признак положен в основу при построении структуры ИСУ. Чаще всего это организационный признак и это позволяет отображать фактически существующую субординацию. Напр., при рассмотрении административных или военных проблем этот подход является вполне естественным, да и в большинстве других случаев имеются основания принять в качестве основного организационный принцип. Это утверждение справедливо, в частности, и при выборе структуры управления многими производствами и в иных случаях. При этом каждый из уровней можно подразделять еще на ряд подуровней уже по другому признаку. В качестве последнего можно, в частности, использовать избранный принцип управления: 1) с отрицательной обратной связью, 2) с самонастройкой или, вообще, адаптивный, 3) обучение,

4) самоорганизация и др. На рис. 3, а изображена схема, которая демонстрирует расчленение ИСУ на осн. уровни по указанным на рис. признакам с дальнейшим подразделением каждого из уровней на подуровни в соответствии с осн. принципами управления. В ряде других случаев подразделение на осн. уровни или расчленение осн. уровней на подуровни можно производить по признаку, характеризующему определенный аспект деятельности системы. Так, на рис. 3, б указано такого рода подразделение на три уровня, характеризующих технологический, информационный и эконом, аспекты функционирования ИСУ.

(см. скан)

2. Иерархическая структура системы управления народным хозяйством СССР (по В. А. Трапезникову).

Иногда процесс расчленения на уровни по последнего рода признакам именуют спец. термином - стратифицированием системы, а сами уровни называются стратами.

Подразделение системы на иерархически связанные друг с другом уровни производят и по временному признаку. В этом случае в основу при отнесении элементов к тому или другому уровню кладется величина интервала времени, через который необходимо вмешательство последующего уровня в процесс управления предыдущим уровнем для обеспечения нормального функционирования системы.

На рис. 3, в приведен пример подразделения ИСУ на уровни по такому признаку применительно к задаче управления энергетической системой. Подразделение на уровни и по организационному и по временному признакам может приводить либо к одной и той же структуре, либо - к разным. Расчленение по временному признаку оказывается весьма целесообразным при проведении теоретического исследования ИСУ, т. к. в этом случае каждый из уровней можно изучать независимо от других в течение отрезка времени, протекающего от одного момента подачи сигнала управления с верхнего уровня на нижний до следующего такого же момента. Это обстоятельство и обуславливает относительную локальную независимость подсистем, входящих в ИСУ.

ИСУ образуется также в результате расчленения какой-либо сложной задачи на более простые подзадачи. Полагают, в частности, что мозг человека устроен так, что в процессе принятия решения интуитивно более сложная задача сводится к иерархии менее сложных задач.

Приведенные различные признаки (или свойства) использовались для построения иерархической структуры «по вертикали». Элементы внутри одного и того же уровня могут быть при этом либо связаны друг с другом непосредственно, либо не связаны. Однако и во втором случае будет осуществляться косвенная связь между ними через верхний уровень. Напр., это может быть в том случае, если критерий оптимальности последующего уровня функционально зависит от локальных критериев подсистем предшествующего ему уровня. Этим системы с иерархической структурой существенно отличаются от обычных многосвязных систем, т. к. в последних при отсутствии непосредственной связи между элементами система распадается на отдельные, не связанные друг с другом части. Каждый из элементов, входящих в тот или иной уровень ИСУ, может сам по себе иметь достаточно сложную структуру. Напр., это может быть самонастраивающаяся, самообучающаяся или самоуправляющаяся система автомат, регулирования. Так, на рис. 4, а изображена

двухуровневая ИСУ, состоящая из двух (может быть и больше) самоуправляющихся подсистем, соединенных во втором уровне иерархии по принципу отрицательной обратной связи.

Все ИСУ, независимо от их природы, можно подразделить на два больших класса: ИСУ с обратными связями, когда информация с нижнего уровня передается на близлежащий верхний уровень (или несколько верхних уровней), и ИСУ с прямыми связями управления, когда имеются только сигналы управления, идущие с верхнего уровня на близлежащий нижний.

(см. скан)

3. Подразделение иерархических систем управления: а - по организационному признаку и по принципам управления: 6 - по технологическому, информационному и экономическому признакам; в - по временному признаку.

В этом случае структура ИСУ имеет вид «дерева». ИСУ с обратными связями имеют существенные преимущества по сравнению с ИСУ, не имеющими таковых.

Осн. задачами, возникающими при исследовании ИСУ, являются задачи анализа и задачи синтеза иерархических систем. Задачи анализа встречаются при изучении уже существующих объектов, а задачи синтеза - при проектировании новых систем. В последнем случае приходится решать вопрос о необходимом к-ве уровней иерархии, в связи с чем и проводились попытки решить задачу о выборе оптим. к-ва уровней иерархии как задачу вариационного исчисления. Для решения задач анализа ИСУ находят широкое применение методы теории графов.

Проблема координации управляющих воздействий является специфичной для ИСУ, хотя существенны и стандартные задачи: устойчивости движения, определения качества переходных процессов, условий автономности, инвариантности, чувствительности и др. (см. Устойчивости дискретных систем теория, Инвариантность систем автоматического управления). Задача координации ИСУ сводится к отысканию тех принципов (законов управления), которые можно положить в основу при определении воздействий передаваемых с каждого из верхних уровней на подсистемы соседнего нижележащего уровня. Всегда возникает также необходимость искать целесообразный способ координации действий между подсистемами одного и того же уровня в ИСУ. Было предложено несколько принципов, пригодных для указанной только что цели. Один из них - принцип предсказаний взаимодействий - заключается в том, что управляющие воздействия с какого-либо верхнего уровня распределяются между подсистемами соседнего нижнего уровня таким образом, что каждая из подсистем становится автономной относительно всех других подсистем этого же уровня. Фактически этот принцип (как и другие) разработан только применительно к двухуровневым системам, но полагают, что многоуровневые системы можно подразделять на двухуровневые группы и для каждой такой группы можно использовать разработанный метод. Два других известных принципа координации именуют принципом баланса взаимодействий

и принципом оценки взаимодействий. На рис. 4, б изображена двухуровневая ИСУ с двумя подсистемами на первом уровне, с помощью которой можно наглядно продемонстрировать сущность принципов координации. Первый уровень управляет объектами подавая на вход их соответственно управляющие воздействия Второй уровень (координатор ) управляет регуляторами подавая на них координирующие воздействия - соответственно .

(см. скан)

4. Двухуровневая иерархическая система управления.

Вмешательство координатора проявляется в том, что от значений зависят управляющие воздействия и это обозначают в виде . В общем случае могут зависеть одновременно от тогда это обозначают как где Система наз. координируймой, если найдены такие значения у, что удовлетворяют общей цели, поставленной перед системой. Значения управляющих воздействий удовлетворяющие условию координируемости, обозначают через Для осуществления процесса координации существенное значение имеют величины характеризующие перекрестные взаимодействия между управляемыми объектами Текущие значения этих величин их и передаются к координатору и путем сопоставления их со значениями удовлетворяющими условиям координируемости системы, определяют ошибки рассогласования и используют их для построения алгоритма функционирования координатора. Стратегия координации, при которой значения управляющих воздействий удовлетворяют общей цели системы, когда принципом баланса взаимодействия. Если же последние соотношения заменяются на где допускаемый диапазон изменений взаимодействий то принцип координации именуют принципом оценки взаимодействий.

Фактический выбор той или иной стратегии координации производится на основе сопоставления результатов теоретических расчетов, моделирования и эвристических соображений. Теоретические расчеты сводятся к построению соответствующей итерационной процедуры, базирующейся на одном из известных, но специально для этой цели модифицированном методе оптимального управления. В частности, разработаны различные градиентные и интегральные процедуры (подача сигнала об интегральном значении величин к координатору) для обеспечения условия координации Рассматривались также вопросы сходимости этих процедур, выбора момента окончания итерационного процесса и др.

При исследовании более сложных ИСУ, имеющих больше двух уровней, характер задач при переходе от уровня к уровню будет существенно изменяться. Так, если для нижних уровней характерны именно описанные выше методы координации, то для средних уровней (проблемы информационного характера, связанные и с организационным и с административным управлением) задачи координации могут быть уже иными, а для верхних уровней, на которых решаются задачи чисто эконом, характера и долгосрочного планирования и прогнозирования, они приобретают и иной, еще более сложный характер. Считается, что по мере перехода от нижних уровней к верхним, решение задач все более и более затрудняется, так как приходится оперировать все с менее и менее достоверной информацией, и объема ее обычно не хватает для качественного

осуществления процесса управления (см. Управление с адаптацией). Однако уже хорошо известно, что только решение задач для всех уровней, а не только для нижних, позволяет действительно достичь существенных экономических результатов при использовании ИСУ.

Лит.: Коекин А. И. Оптимизация надежности и структуры иерархических систем управления. «Автоматика и телемеханика», 1965, т. 26, в. 11; Кухтенко А. И. О теории сложных систем с иерархической структурой управления. В кн.: Сложные системы управления. К., 1966; Куликовский Р. Оптимальное управление сложными иерархическими системами. В кн.: Труды III Международного конгресса Международной федерации по автоматическому управлению, т. 3. М., 1971; Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. Пер. с англ. К., 1973.

Закономерности иерархичности или иерархической упорядоченности была в числе первых за­кономерно­стей теории систем, которые выделил и исследовал Л. фон Берталанфи. Он, в частно­сти, показал связь иерархической упо­рядоченности мира с явлениями дифференциации и негэнтропийными тенденциями, т.е. с закономерностями самоорганизации, развития открытых систем, рассматриваемыми ниже. На выделении уровней иерархии природы базируются некоторые клас­сификации систем, и в частности, рассмотренная классификация К. Боулдинга.

На необходимость учитывать не только внешнюю структурную сторону иерархии, но и функ­циональные взаимоотношения между уровнями обратил внимание академик В.А. Энгельгардт.

На примерах биологических организаций он показал, что более высокий иерархический уро­вень оказывает направляющее воздей­ствие на нижележащий уровень, подчиненный ему, и это воздействие проявляется в том, что подчиненные члены иерархии при­обретают новые свойства, отсутствовавшие у них в изолированном состоянии (подтверждение положения о влиянии целого на элементы, приведенного выше), а в результате появления этих новых свойств формируется новый, другой "облик целого" (влияние свойств элементов на целое). Возникшее таким образом новое целое приобретает способность осуществлять новые функции, в чем и состоит цель образо­вания иерархий. Иными словами, речь идет о закономерности целостности (эмерджентности) и ее проявлении на каждом уровне иерархии.

Эти особенности иерархических структур систем (или как принято иногда говорить, иерархи­ческих систем) наблюдаются не только на биологическом уровне развития Вселенной, но и в социальных организациях, при управлении предприятием, объединением, государством; при пред­ставлении замысла проектов сложных технических комплексов и т.п.

Исследование иерархической упорядоченности в организацион­ных системах с использова­нием информационного подхода позволили сделать вывод о том, что между уровнями и элемен­тами иерархических систем существу­ют более сложные взаимосвязи, чем это может быть отра­жено в графическом изображении иерархической структуры. Если даже между элементами одного уровня иерархии нет явных связей ("горизонтальных" связей), то они все равно взаимосвязаны через вышестоящий уровень. Например, в производственной и организа­ционной структурах пред­приятия от вышестоящего уровня зависит, какой из этих элементов будет выбран для поощрения (при пред­почтении одних исключается поощрение других) или, напротив, какому из элементов будет поручена непристижная или невыгодная работа (опять-таки это освободит от нее других). Неоднозначно можно также трактовать связи между уровнями иерархических си­стем.

Таким образом, иерархические представления помогают лучше понять и исследовать феномен сложности. Поэтому четче выделим основные особенности иерархической упорядоченности с точки зрения полезности их использования в качестве моделей системного анализа:

1. В силу закономерности коммуникативности, которая прояв­ляется не только между выде­ленной системой и ее окружением, но и между уровнями иерархии исследуемой системы, каждый уровень иерархической упорядоченности имеет сложные взаимоотношения с вышестоящим и нижележащим уровнями. По метафорической фор­мулировке, используемой Кёстлером, каждый уровень иерархии обладает свойством "двуликого Януса": "лик", направленный в сто­рону ниже­лежащего уровня, имеет характер автономного целого (системы), а "лик", направленный к узлу (вершине) вышестоящего уровня, проявляет свойства зависимой части (элемента вышестоя­щей системы, каковой является для него составляющая вышестоя­щего уровня, которой он подчинен).

Эта конкретизация закономерности иерархичности обменяет неоднозначность использования в сложных организационных системах понятий "система" и "подсистема", "цель" и "средство" (элемент каждого уровня иерархической структу­ры целей выступает как цель по отношению к нижестоящим и как "подцель", а на­чиная с некоторого уровня, и как "средство" по отношению к вышестоящей цели), что часто наблюдается, как отмечалось выше, в реальных условиях и приво­дит к некорректным терминологическим спорам.

2. Важнейшая особенность иерархической упорядоченности как закономерности заключается в том, что закономерность целост­ности (т.е. качественные изменения свойств компонентов более вы­сокого уровня по сравнению с объединяемыми компонентами ниже­лежащего) проявляется в ней на каждом уровне иерархии. При этом объединение элементов в каждом узле иерархической структуры приводит не только к появлению новых свойств у узла и утрате объединяемыми ком­понентами свободы проявления некоторых своих свойств, но и к тому, что каждый подчиненный член иерархии приобретает новые свойства, отсутствовавшие у него в изоли­рованном состоянии.

Благодаря этой особенности с помощью иерархических представлений можно исследовать системы и проблемные ситуации с неопределенностью.

3. При использовании иерархических представлений как средства исследования систем с неопределенностью происходит как бы расчленение "большой" неопределенности на более "мел­кие", лучше поддающиеся исследованию. При этом даже если эти мелкие неопределенности не удается полностью раскрыть и объяснить, то все же иерархическое упорядочение частично сни­мает общую неопределенность, обеспечивает, по крайней мере, управляемый контроль за приня­тием решения, для которого используется иерархическое представление.

Однако следует иметь в виду, что в силу закономерности цело­стности одна и та же система может быть представлена разными иерархическими структурами. Причем, это зависит: а) от цели (раз­ные иерархические структуры могут соответствовать разным фор­мулировкам цели); и б) от предыстории развития лиц, формиру­ющих структуру: при одной и той же цели, если поручить форми­рование структуры разным лицам, то они в зависимости от их предшествующего опыта, квалификации и знания объекта могут получить разные структуры, т.е. по-разному раскрыть неопреде­ленность проблемной ситуации.

В связи со сказанным на этапе структуризации системы (или ее цели) можно (и нужно) ста­вить задачу выбора варианта структуры для дальнейшего исследования или проектирования сис­темы, для организации управления технологическим процес­сом, предприятием, проектом и т.д. Для того, чтобы помочь в решении подоб­ных задач, разрабатывают методики структуризации, методы оценки и сравнитель­ного анализа структур.

Если множество элементов объединено в систему по определен­ному признаку, то всегда можно ввести некоторые дополнительные признаки для разделения этого множества на подмножества, выделяя тем самым из системы ее составные части - подсистемы. Возможность многократного деления системы на подсистемы приводит к тому, что любая система содержит ряд подсистем, полученных выделением из исходной системы. В свою очередь, эти подсистемы состоят из более мелких подсистем и т. д.

Подсистемы, полученные выделением из одной исходной систе­мы, относят к подсистемам одного уровня или ранга. При дальней­шем делении получаем подсистемы более низкого уровня. Такое де­ление называют иерархией (деление должностей на высшие и низшие, порядок подчинения низших по должности лиц высшим и т. п.). Одну и ту же систему можно делить на подсистемы по-разному - это за­висит от выбранных правил объединения элементов в подсистемы. Наилучшим, очевидно, будет набор правил, который обеспечивает системе в целом наиболее эффективное достижение цели.

При делении системы на подсистемы следует помнить о правилах такого разбиения:

– каждая подсистема должна реализовывать единственную функ­цию системы;

– выделенная в подсистему функция должна быть легко понима­ема независимо от сложности ее реализации;

– связь между подсистемами должна вводиться только при нали­чии связи между соответствующими функциями системы;

– связи между подсистемами должны быть простыми (насколько это возможно).

Число уровней, число подсистем каждого уровня может быть различным. Однако всегда необходимо соблюдать одно важное пра­вило: подсистемы, непосредственно входящие в одну систему более высокого уровня, действуя совместно, должны выполнять все функ­ции той системы, в которую они входят.

Управление любой организацией, производящей товары или ока­зывающей услуги, строится по иерархическому принципу. Производство - это создание товаров и оказание услуг путем преобра­зования входа системы (необходимых ресурсов всех видов) в ее выход (готовые товары и услуги). На производственных фирмах деятельность по созданию товаров обычно очевидна. Ее результатом являются кон­кретные товары. В других органи­зациях, которые не создают физические товары, производственные функции могут быть менее очевидны. Деятельность таких ком­паний называют сервисом. Управляющие производственной деятель­ностью принимают решения, которые необходимы для преобразова­ния ресурсов в товары и услуги.

В иерархической системе управления любая подсистема некоторого уровня подчинена подсистеме более высокого уровня, в состав второй она входит и управляется ею. Для систем управления деле­ние системы возможно до тех пор, пока полученная при очередном делении подсистема не перестает выполнять функции управления. С этой точки зрения системой управления низшего иерархического уровня являются такие подсистемы, которые осуществляют непо­средственное управление конкретными орудиями труда, механиз­мами, устройствами или технологическими процессами. Система управления любого другого уровня, кроме низшего, всегда осуществляет управление технологическими процессами не непосредственно, а через подсистемы промежуточных, более низких уровней. Важным принципом построения системы управления предприя­тием является рассмотрение предприятия как системы с многоуров­невой (иерархической) структурой (рис. 1.2). От звеньев, расположенных на более высоком уровне, идет поток управляющих воздействий, а информация о текущем состоянии объекта управления более низшего уровня поступает звеньям более высокого уровня. Рассматри­вая своеобразное «дерево» управления, можно отметить, что пре­имущество иерархической структуры управления состоит в том, что решение задач управления возможно на базе локальных решений, принимаемых на соответствующих уровнях иерархии управления.

Рис. 1.2. Иерархическая система управления предприятием

Нижний уровень управления является источником информации для принятия управленческих решений на более высоком уровне. Если рассматривать поток информации от уровня к уровню, то коли­чество информации, выраженное в числе символов, уменьшается с повышением уровня, но при этом увеличивается ее смысловое (се­мантическое) содержание.

На современном уровне развития общества научно-технический прогресс в области материального производства и систем управления обеспечивает возможность концентрации и централизации значитель­ных финансовых, материальных и других ресурсов. Эти возможности реализуются в индустриально развитых странах в виде создания меж­национальных объединений. Преимуществом централизации является возможность направлять на реализацию решений крупные ресурсы, что позволяет решать сложные проблемы, требующие больших капиталовложений. В централизованной системе сравнительно легко обеспечить скоордини­рованную, согласованную деятельность подсистем, направленную на достижение единых целей. Потери в отдельных частях системы компенсируются результатами работы других ее частей. Многоуров­невая централизованная система обладает большой живучестью за счет оперативного перераспределения функций и ресурсов. Не слу­чайно в армиях всех времен и народов строго соблюдается принцип централизации.

Вместе с тем централизация в системах больших размерностей имеет свои недостатки. Многоуровневость и связанная с этим мно­гократная передача информации с уровня на уровень вызывает за­держки, снижающие оперативность оценки обстановки и реализации управленческих решений, приводит к искажениям как в процессе передачи информации, так и при ее обработке на промежуточных уровнях. В ряде случаев стремление подсистем к самостоятельности входит в противоречие с принципом централизации. В многоуровне­вых централизованных организационно-административных системах управления, как правило, присутствуют элементы децентрализации. При рациональном сочетании элементов централизации и де­централизации информационные потоки в системе должны быть организованы таким образом, чтобы информация использовалась в основном на том уровне, где она возникает, т. е. надо стремиться к минимальной передаче данных между уровнями системы. В децен­трализованных одноуровневых системах всегда выше уровень опе­ративности как при сборе информации о состоянии управляемой системы, оценке ситуации, так и при реализации принятых реше­ний. Благодаря оперативному контролю за реакцией на управляю­щие воздействия снижаются отклонения от выбранной траектории движения к цели.

Степень централизации системы, которая определяется на основе установления соотношения взвешенных объемов задач, решаемых на смежных уровнях, служит мерой разделения полномочий между уровнями. Смещение основной массы решений в сторону вышестоящего уровня, т. е. повышение степени централи­зации, отождествляют обычно с повышением управляемости подси­стем. Оно требует, улучшения переработки информации на верхних уровнях иерархии управления. Понижение степени централизации соответствует увеличению самостоятельности под­систем и уменьшению объема информации, перерабатываемой верх­ними уровнями.

Обычно высшие менеджеры многоуровневых систем разрабатыва­ет стратегические решения. Они не должны решать вопросы тактического уровня, которые принимаются менеджерами среднего звена. Oпeрационное принятие решений осуществляется на производственном уровне менеджерами, которые определяют детальное планирование и производство. Этот иерархический подход, который должен включать и обратную связь, может и не обеспечить оптимальное решение, но он позволяет лучше и более своевременно управлять производственным процессом.

Структура систем управления в народном хозяйстве строится по отраслевому или территориальному принципу. Отраслевой принцип применяется в тех случаях, когда речь идет о сложных, специфических видах производства, проектирования и строительства, о развитии и внедрении научных исследований в производство определенного типа. По территориальному принципу построены органы государственного административного управления.

Лекция № 17

Модели иерархических систем: общие положения, основные типы

иерархий, основные принципы их формализации и алгоритмизации.
Общие положения

Экономическая целесообразность (за счет лучшего использования имеющихся ресурсов) при решении крупномасштабных задач.

Математическая формализация многоуровневых систем

В основе создания математических моделей многоуровневых систем лежит математический аппарат формализации основных иерархических понятий, базирующийся на представлении функциональной системы в виде отображения абстрактного множества входов X на абстрактное множество выходов Y (), что позволяет на базе понятий теории множеств формально описать различные виды иерархий (страт, слоев и эшелонов). Одной из ключевых структурных характеристик ИСУ является координация, предполагающая установление общих правил взаимодействия подсистем (координация в большом) и практическую реализацию взаимодействия между элементами подсистем (координация в малом). Проблему координации в многоуровневой системе с достаточной общностью можно рассмотреть на примере двухуровневой системы.

Пусть система состоит из одной подсистемы второго (высшего) уровня S 0 , n подсистем первого уровня S 1 ,…, S n и управляемого процесса P. Понятие координации в данном случае будет составлять следующее – цель высшей подсистемы состоит в воздействии на низшие подсистемы таким образом, чтобы достигалась общая цель функционирования системы . Между подсистемами существует два вида вертикального взаимодействия. Первое – это передача вниз координирующих воздействий . Второй – это передача наверх сигналов обратной связи . Кроме того, подсистемы низшего уровня осуществляют управляющие воздействия на процесс , а процесс выдает на них сигналы обратной связи . Рассмотрим процесс как некую управляемую систему, на которую с точки зрения теории множеств помимо управляющих сигналов поступают и внешние входные воздействия X, отображаемые в выход процесса Y. Тогда процесс можно представить как отображение множеств X и U на множество Y -
. Ввиду множественного характера управляющего воздействия U процесс P можно представить в виде совокупности подпроцессов Pr i , на которые воздействуют подсистемы низшего уровня, а между каждым подпроцессом и процессом в целом существуют связи .

В основу координации положен так называемый постулат совместимости , в соответствии с которым в двухуровневой системе должны быть совместимы цели трех типов – глобальная цель системы, цели вышестоящих и нижестоящих подсистем. При этом глобальная цель лежит вне сферы деятельности системы, а координация целей нижестоящих подсистем относительно целей вышестоящей подсистемы должна быть связана с достижением глобальной цели.

Постулат совместимости утверждает, что решаемые на нижнем уровне (локальные) задачи скоординированы относительно решаемой глобальной задачи всякий раз, когда они скоординированы относительно задачи, решаемой на уровне вышестоящего элемента. Если решаемые данной двухуровневой системой задачи совместимы, то глобальная цель достигается тогда, когда вышестоящий решающий элемент координирует нижестоящие элементы по отношению к его собственной цели.

Так как подсистемы низшего уровня действуют в направлении достижения собственных локальных целей, то между ними, вообще, возникает конфликт, в результате которого глобальная цель системы может быть не достигнута. Поэтому задача координации состоит в уменьшении последствий такого конфликта. Очевидно, что конфликт не возникает, если управляющие воздействия от подсистем S i , определяющие связи , совпадают с теми, которые должны иметь место в процессе работы системы. Поэтому главный вопрос, возникающий в связи с задачей координации подсистем низшего уровня, состоит в том, каким образом связи учитываются этими подсистемами.

Существуют три подхода к рассмотрению данных взаимосвязей, каждому из которых соответствует свой принцип координации:

1) подсистемы низшего уровня решают свои локальные задачи при условии, что входы связей заданы подсистемой высшего уровня (в рамках координирующих воздействий) – данному подходу соответствует принцип прогнозирования взаимодействий;

2) подсистемы низшего уровня решают локальные задачи при условии, что входы связей имеют диапазоны значений, заданные подсистемой вышестоящего уровня – данному подходу соответствует принцип оценки взаимодействий;

3) каждая нижестоящая подсистема рассматривает входы связей как добавочные переменные, которые можно выбирать свободно – данному подходу соответствует принцип согласования взаимодействий.