Управление в сложных системах: кибернетический подход.

Из нестандартных определений: системный анализ – это кибернетика без математики, формализованный здравый смысл, предпроектная стадия в разработках и предмодельная стадия в научных исследованиях.

История развития кибернетического подхода

Существует определенный круг задач, где применение СА наиболее эффективно, например, в условиях кризиса. Многие предприятия и отрасли пытаются решить свои проблемы за счет экономии средств, но это, как правило, не приводит к желаемым результатам. В таких условиях возникает необходимость в прогнозировании результатов деятельности, основой этих методологических построений и должен стать системный анализ и системный подход.

Первым в явной форме вопрос о научном подходе в управлении сложными системами поставил Ампер, он впервые выделили кибернетику как специальную науку об управлении государством, обозначил ее место в ряде других наук и сформулировал ее системные особенности. В дальнейшем работы по применению системного подхода для управления государством развивались в работах польского ученого Трентовского. В России одним из основоположников теории систем был минеролог академик Федоров. Он установил, что существует 230 кристаллических решеток и любую решетку можно отнести к одной из этих 230, далее он отметил, что аналогичные закономерности существуют в архитектуре, музыке и языкознании.

Следующим этапом развития системных представлений были работы доктора Богданова, который в начале ХХ века начал создавать теорию организации – тектологию, основная идея его теории состоит в том, что все существующие объекты и процессы имеют определенный уровень организации, который тем выше, чем сильнее свойство целого отличается от простой суммы свойств элементов.

В 50-х годах ХХ века Австрийский ученый Л. Фон Берталанфи основал там центр системных исследований. Это время и считается временем рождения теории систем. Массовое распространение системных идей связано с именем американского математика Норберта Виннера. В своих трудах он развил идею управления и связи в животном мире и машинном, проанализировав с позиции кибернетики процессы, происходящие в обществе. В России столь же монументальный вклад в развитие системного анализа внес Колмагоров.

Особенности кибернетического моделирования

Основы кибернетики заложил известный американский философ и математик профессор Массачусетского технологического института Норберт Винер (1894-1964) в работе "Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине" (1948). Слово «кибернетика» происходит от греческого слова, означающего «кормчий». Большая заслуга Н. Винера в том, что он установил общность принципов управленческой деятельности для принципиально различных объектов природы и общества. Управление сводится к передаче, хранению и переработке информации, т.е. к различным сигналам, сообщениям, сведениям. Основная заслуга Н. Винера заключается в том, что он впервые понял принципиальное значение информации в процессах управления. Ныне, по мнению академика А. Н. Колмогорова, кибернетика изучает системы любой природы, способные воспринимать, хранить и перерабатывать информацию и использовать ее для управления и регулирования.

Существует известный разброс в определении кибернетики как науки, в выделении ее объекта и предмета. Согласно позиции академика А. И. Берга, кибернетика представляет собой науку об управлении сложными динамическими системами. Основу категориального аппарата кибернетики составляют такие понятия, как «модель», «система», «управление», «информация». Неоднозначность определений кибернетики связана с тем, что разные авторы делают акценты на ту или иную базовую категорию. Например, акцентирование на категории «информация» заставляет рассматривать кибернетику как науку об общих законах получения, хранения, передачи и преобразования информации в сложных управляемых системах, а предпочтение категории «управление»— как науку о моделировании управления различными системами.

Подобная неоднозначность вполне правомерна, ибо она обусловлена полифункциональностью кибернетической науки, выполнением ею многообразных ролей в познании и практике. При этом акцентирование интересов на той или иной функции заставляет видеть всю науку в свете этой функции. Такая гибкость кибернетической науки говорит о ее высоком познавательном потенциале.

Современная кибернетика представляет собой неоднородную науку (Рисунок 1). Она объединяет в себе совокупность наук, которые исследуют управление в системах различной природы с формальных позиций.

Рисунок 1 Структура кибернетики

Как отмечалось, кибернетическое моделирование строится на формальном отображении систем и их составляющих с помощью понятий «вход» и «выход», которые характеризуют связи элемента со средой. При этом каждый элемент характеризуется некоторым количеством «входов» и «выходов».

Рисунок 2 Кибернетическое представление элемента

На рис. 2 X₁, X₂, …, X_m схематично показаны «входы» элемента; Y₁, Y₂, …, Y_n — «выходы» элемента; а C₁, C₂, …, C_k — его состояния. Потоки вещества, энергии, информации воздействуют на «входы» элемента, формируют его состояния и обеспечивают функционирование на «выходах». Количественной мерой взаимодействия «входа» и «выхода» выступает интенсивность, которая представляет собой соответственно количество вещества, энергии, информации на единицу времени. Причем это взаимодействие непрерывное или дискретное. Теперь можно строить математические функции, которые описывают поведение элемента.

Кибернетика рассматривает систему как единство управляющих и управляемых элементов. Управляемые элементы называются управляемым объектом, а управляющие — управляющей системой. Структура управляющей системы строится по иерархическому принципу. Управляющая система и управляемая (объект) связаны между собой прямыми и обратными связями (рис. 3), а кроме того, каналами связи. Управляющая система по каналу прямой связи воздействует на управляемый объект, корректируя воздействия на него окружающей среды. Это приводит к изменению состояния объекта управления и он меняет свое воздействие на окружающую среду. Заметим, что обратная связь может быть внешней, как это показано на рис. 3, или внутренней, которая обеспечивает внутреннее функционирование системы, ее взаимодействие с внутренней средой.

Рисунок 3 Кибернетическая модель управления

Кибернетические системы представляют собой особый вид системы. Как отмечает Л. А. Петрушенко, кибернетическая система удовлетворяет, по крайней мере, трем требованиям:

"1) она должна иметь определенный уровень организованности и особую структуру;
2) быть поэтому способной воспринимать, хранить, перерабатывать и использовать информацию, т.е. представлять собой информационную систему;
3) обладать управлением по принципу обратной связи. Кибернетическая система — это динамическая система, представляющая собой совокупность каналов и объектов связи и обладающая структурой, позволяющей ей извлекать (воспринимать) информацию из своего взаимодействия со средой или другой системой и использовать эту информацию для самоуправления по принципу обратной связи".

Определенный уровень организованности означает:

· интеграцию в кибернетической системе управляемой и управляющей подсистем;

· иерархичность управляющей подсистемы и принципиальную сложность управляемой подсистемы;

· наличие отклонений управляемой системы от цели или от равновесия, что приводит к изменению ее энтропии. Это предопределяет необходимость выработки управленческого воздействия на нее со стороны управляющей системы.

Любая кибернетическая система представляет собой элементы, которые связаны информационными потоками. В ней имеются информационные ресурсы, осуществляется прием, переработка и передача информации. Система существует в определенной информационной среде, подвержена информационным шумам. К наиболее важным ее проблемам следует отнести: недопущение искажения информации при передаче и приеме (проблема детской игры в "глухой телефон"); создание языка информации, который был бы понятен всем участникам управленческих отношений (проблема общения); эффективного поиска, получения и использования информации в управлении (проблема использования). Комплекс этих проблем приобретает известную неповторимость и разнообразие в зависимости от специфики систем управления. Так, в информационных системах органов государственной власти, как отмечают Н. Р. Нижник и О. А. Машков, возникает необходимость разрешения таких проблем: создания службы информационных ресурсов органов государственной власти и государственного управления; создания правовой основы ее функционирования; формирования инфраструктуры; создания системы информационного мониторинга; создания системы информационного сервиса.

Обратная связь представляет собой вид соединения элементов, когда связь между входом какого-либо элемента и выходом того же самого элемента осуществляется либо непосредственно, либо через другие элементы системы. Обратные связи бывают внутренние и внешние (рис. 4).

Рисунок 4 Внутренние и внешние связи в системе
1,2 – элементы системы; 3 – внешняя обратная связь; 4 – внутренние обратные связи

Управление по принципу обратной связи представляет собой сложный процесс, который включает:

· постоянный мониторинг функционирования системы;

· сравнение текущего функционирования системы с целями системы;

· выработку воздействия на систему для приведения ее в соответствие с целью;

· внедрение воздействия в систему.

Обратные связи бывают положительными и отрицательными. При этом положительная обратная связь усиливает действие входного сигнала, имеет с ним одинаковый знак. Отрицательная же обратная связь ослабляет входной сигнал. Положительная обратная связь ухудшает устойчивость системы, поскольку выводит ее из равновесия, а отрицательная — способствует восстановлению равновесия в системе.

Немаловажную роль в кибернетическом моделировании играют представления о "черном", "сером'' и "белом" ящиках. Под "черным ящиком" понимается кибернетическая система (объект, процесс, явление). относительно внутренней организации, структуры и поведения элементов которой наблюдатель (исследователь) не имеет никаких сведений, но есть возможность влиять на систему через ее входы и регистрировать ее реакции на выходе. Наблюдатель в процессе манипулирования входа и фиксации результатов на выходе составляет протокол испытаний, анализ которого позволяет осветлить "черный ящик", т.е. получить представление о его структуре и закономерностях преобразования сигнала "входа" в сигнал "выхода". Такой осветленный ящик получил название "серого ящика", который не дает, однако, полного представления о его содержании. Если наблюдатель полностью представляет содержание системы, ее строение и механизм преобразования сигнала, то она превращается в "белый ящик".

Дата добавления: 2015-07-14