Это научное направление связано с разработкой совокупности философских, методологических, научных и прикладных проблем анализа и синтеза сложных систем произвольной природы. Считается, что общая теория систем должна представлять собой область научных знаний, позволяющую изучать поведение' систем любой сложности и любого назначения.
С философской точки зрения реальные системы неисчерпаемы в своих свойствах, и для познания действительности необходимы различные уровни абстрагирования. В данной теории используются следующие уровни: символический, или лингвистический; теоретико-множественный; абстрактно-алгебраический; топологический; логико-математический ; теоретико-информационный; динамический; эвристический.
Формулировка термина «система» зависит от принятого уровня абстрагирования и не является единственной.
Рассмотрение задач на каком-либо одном Уровне абстрагирования позволяет дать ответы на определенную группу вопросов, а для получения ответов на другие вопросы необходимо провести исследование уже на Другом уровне абстракции.
В настоящее время общая теория систем е1ме далека от завершения. Однако ее полезность подтверждается практическими применениями, в частности, на ее основе развивается теория многоуровневых иерархиче-ких систем, к которым относится большинство АСУ ТП.
Системотехника. Данная наука представляет собой направление в кибернетике, вопросы планирования, проектиро
вания и поведения сложных информационных систем. Это определение системотехники не является строгим. В настоящее время существует множество определений этой науки, что свидетельствует о ее развивающемся характере.
Нет единого определения и сложной системы. Р. Е. Макол сформулировал следующие семь признаков, которые, по его мнению, ограничивают класс систем, рассматриваемых в системотехнике:
1) система создается человеком из различного оборудования и сырья;
2) система обладает цельностью, все ее части служат достижению единой цели;
3) система является большой как с точки зрения разнообразия составляющих ее эле
ментов, так и с точки зрения числа одинаковых частей, возможно, числа выполняемых
функций и стоимости;
4) система является сложной, т. е. изменение какой-либо переменной влечет за собой
изменение многих других переменных, причем математическая модель системы должна
быть достаточно сложной;
5) система является полуавтоматической, т. е. часть функций системы всегда выполняется автоматами, а часть — человеком;
6) входные воздействия системы имеют стохастическую природу, отсюда следует невозможность предсказания поведения системы для любого момента времени;
7) большинство систем, и в первую очередь наиболее сложные системы, содержат
элементы конкурентной ситуации.
Большинство АСУ ТП удовлетворяют указанным признакам, поэтому методология системотехники используется при их проектировании.
Процесс проектирования можно подразделить на ряд направлений. В частности, возможны следующие деления:
фазы (во времени) конструирования системы;
этапы (логические) конструирования системы;
аппарат (математический и научный) конструирования системы;
части (функциональные) системы;
подсистемы общей системы.
Первое направление предполагает, что конструирование системы проходит в хронологическом порядке ряд определенных фаз (например, начало работы, организация рабочей группы, предварительное конструирование, основное конструирование, создание макета экспериментальной проверки, обкатка и оценка испытаний). Следует отметить, что фазы работ в значительной степени зависят от проектируемой системы и не являются одинаковыми для всех систем.
Этапы конструирования системы — это логические этапы. Они не обязательно должны выполняться в заданном порядке. Например, прикладные программы для управляющей вычислительной машины можно разрабатывать одновременно с изготовлением опытного образца системы.
Важная группа этапов, позволяющая успешно разделять проблему на части для анализа, основана на предположении, что любое событие на одном каком-нибудь входе и реакцию системы на это событие можно изучать изолированно от того случая, когда подобные события имеют место на двух или более входах одновременно. Из сказанного следует, что этапами изучения могут быть разработка в предположении единичных воздействий, разработка в предположении многократных воздействий, совершающихся в известном порядке, и разработка с учетом конкретной ситуации.
Другая важная группа этапов связана с моделированием и заменой моделью реально работающей системы. Ввиду универсальности широко используется статистическое моделирование. Высокая степень, до которой доводится процесс разработки на основе анализа и моделирования, является одной из отличительных черт системотехники.
В качестве аппарата для инженера-системотехника может служить любая математическая дисциплина, но наибольшее значение имеет теория вероятностей и математическая статистика.
Составными частями могут быть локальные системы и системы более высокого иерархического уровня, системы связи, системы отображения информации и др.
Разбиение на подсистемы выполняется с учетом естественной структуры технологического процесса, удобства организации проектирования и других факторов. При этом следует стремиться обеспечить минимум связей между подсистемами.
Особое значение в системотехнике имеет системный подход, который проявляется в ряде принципов конструирования сложной системы.
Главным, фундаментальным принципом является принцип максимума эффективности, точнее, максимума ее математического ожидания. Критерием эффективности является отношение (или разность) показателей ценности результатов, полученных в процессе функционирования системы, к показателю затрат на ее создание. Сложность задачи определения показателя эффективности обусловливается, в частности, тем обстоятельством, что она вытекает из задач системы более высокого уровня и задается ими. Поэтому конструктор конкретной системы должен ориентироваться в проблеме более высокого ранга, чем рассматриваемая, правильно оценивать результаты выполняемой работы. На этапе формулирования критерия эффективности необходим тесный контакт с заказчиком.
При оценке эффективности можно использовать метод аналогии, метод экспертных оценок, метод прямых расчетов, метод математического моделирования и другие методы.
С помощью принципа эффективности можно сформулировать основной метод проектирования систем: единая система разделяется на части по функциональному признаку, устанавливаются возможные варианты реализации этих частей, связей между ними и на заданном множестве вариантов выбирается структура системы, отвечающая требованиям максимума математического ожидания эффективности.
Принцип согласования (субоптимизации) частных (локальных) критериев эффективности между собой и общим (глобальным) критерием гласит, что для оптимального функционирования системы в целом не требуется оптимизации работы каждой из ее подсистем. Для достижения общей цели должны быть согласованы между собой критерии эффективности каждой подсистемы (причем эти частные критерии могут не совпадать с частными оптимумами). В связи с этим улучшение работы одной из подсистем, не согласованное в общесистемном плане, может привести к снижению эффективности системы в целом.
Из принципа оптимума автоматизации вытекает, что не все задачи, особенно для частных случаев, должны решаться автоматически. Уровень автоматизации необходимо обосновать исходя из критериев эффективности.
Принцип централизации информации заключается в том, что система управления и принятия решений эффективна только в том случае, когда информация собирается, хранится и обрабатывается на основе единых массивов, единого банка данных, который может быть и децентрализованным.
Принцип явлений с малой вероятностью утверждает, что основную задачу системы пересматривать нельзя, а основные характеристики системы не должны значительно изменяться для того, чтобы система оказыва
пригодной также в ситуациях, имеющих nvio вероятность наступления. В настоящей главе рассмотрены только овные принципы и методы системотехНИКИ сследование операций. Это научное на-вление в исследовании и проектировании истем основано на математическом модели-овании процессов и явлений. Различных определений науки об исследовании операг ций, так же как и системотехники, существует очень много. Более того, трудно провести четкое разделение между этими науками. Полагают, что специалист по исследованию операций имеет склонность к оптимизации операций в существующих системах, в то время как специалист по системотехнике склонен к созданию новых систем.
Под операцией обычно понимают действие, осуществляемое некоторой организацией согласно определенным условиям и инструкциям, подразумевая под организацией систему, включающую в себя коллективы
людей.
Часто операции являются малоэффективными из-за подмены целей в организации операций. Поэтому, как правило, работа исследователей операций начинается с анализд критерия эффективности операции. Классическим примером успешного применения исследований операций является решение вопроса о целесообразности установки зенитных орудий на торговых судах союзников во время второй мировой войны'.
При исследовании операций широко используется системный подход и математическое моделирование.
Как показала практика, методы исследования операций наиболее пригодны для исследования и разработки организационных систем, однако их можно использовать и при проектировании систем управления технологическими процессами на этапе постановки целей, определения показателей эффективности, составлении и исследовании математических моделей.
Пример 1. Использование исследования операций при проектировании АСУ ТП. Комплекты железобетонных изделий домостроительного комбината (ДСК) доставляются со складов ДСК на объекты строительства специализированным транспортом (тягачами и отцепными полуприцепами)- Управление транспортом осуществляется в интервале времени с помощью автоматизированной системы диспетчерского управления (АСДУ ДСК).
Задача состояла в том, чтобы найти оптимальное количество заказываемого транспорта и оптимальное размещение отцепных полуприцепов на складах и объектах ДСК. В результате исследования транспортно-монтажный процесс ДСК был разбит на подсистемы: склад; транспорт; объект1. Критериями эффективности функционирования рассматриваемых подсистем служат простои кранов на складах, транспорта, монтажных бригад на объектах.
В качестве показателя эффективности системы в целом были выбраны суммарные убытки ДСК от указанных простоев.
Если не учитывать связи между подсистемами, то можно прийти к выводу, что с целью сокращения простоев транспорта следует сократить его количество. Однако в этом случае увеличится простой монтажных бригад на объектах строительства, т. е. лучшее решение для подсистемы «транспорт» не является лучшим для системы в целом.
В качестве математического аппарата при исследовании быда выбрана теория массового обслуживания. В терминах этой теории была составлена математическая модель системы, которая в дальнейшем исследовалась на ЭВМ с использованием метода статистического моделирования.
В результате исследования предложена методика определения количества заказываемых транспортных средств и размещения отцепных полуприцепов, при которой математическое ожидание суммарных убытков от простоев кранов, транспортных средств и монтажных бригад принимает минимальное значение.