Структура сложной системы. Композиция и декомпозиция

1. Принцип декомпозиции заключается в возможности расчленения по тому или иному признаку исходной системы на отдельные части (подсистемы и элементы связи) и в формировании для них собственных целей, функций из условия обеспечения достижения глобальной цели системы.

Различают декомпозицию по горизонтали и по вертикали. В результате декомпозиции по горизонтали образуется многосвязная система с той или иной плоской структурой. В результате декомпозиции по вертикали образуется иерархическая (многоуровневая) система с тем или иным количеством уровней. Уровни подчинены друг другу по вертикали, и также имеют свои собственные цели и функции, выполнение которых направлено на достижение глобальной цели системы.

Примером иерархической системы может служить предприятие, когда вышестоящие командные подсистемы принимают решение о том, какие частные цели и задачи необходимо поставить нижестоящим по уровню подсистемам, в какое время должны быть достигнуты эти цели и какие ресурсы для этого им должны быть выделены. Отметим, что задача выделения оптимального количества уровней трудноформализуема и решается практически с учетом особенностей системы, сложившихся традиций, представлений, возможностей системы и других факторов. Примеры: вуз (факультеты?), оргсистема (координатор?), армия.

Различают два способа декомпозиции: материальный (физический) и концептуальный (абстрактный). Примером первого способа может служить декомпозиция технических систем на множество самостоятельных устройств, узлов, агрегатов, модулей, комплексов и т.д. Примером второго способа – декомпозиция проблемы, цели, технологии, функции т.д. на отдельные элементы.

В иерархической системе на каждом уровне выбираются свои базовые элементы, которые лежат в основе декомпозиции.

2. Принцип композиции (интеграции) заключается в возможности объединения по определенным правилам и различными способами множества исходных элементов (модулей, адресов, комплексов, подсистем) с помощью множества связей в единую систему и в выявлении общесистемных свойств и функций вновь образованной системы.

Примеры: строительство, конструирование, сборка, музпроизведения, сюжеты художественных произведений.

Принцип композиции (интеграции) распространяется не только на способы формирования структуры сложной системы из ее отдельных компонентов (элементов), но и на способы формирования характеристик системы из характеристик подсистемы, глобальной цели системы из локальных целей подсистем и т.д.

К данному принципу по своему содержанию близок известный в теории сложных систем принцип агрегирования, на основе которого построена теория агрегативных систем. К данному принципу близки и эквиваленты по содержанию принцип модульности и принцип комплексирования, которые состоят в организации из первичных элементов отдельных модулей или комплексов с последующим объединением их в единую систему.

Примеры: крупноблочное строительство, модули КА, подводных лодок, двигателей и т.д.

3. Принцип адекватности (соответствия) – две системы, предназначенные для достижения одной и той же цели должны быть адекватны (соответствовать друг другу) по свойствам, характеристикам, функциям, структуре, степеням сложности и т.д.

Примеры. 1. Уровень профессионализма рабочего: пилота, диспетчера должен быть адекватен уровню сложности выполняемой работы. 2. Математическая модель должна быть адекватна тем физическим процессам, которые она отражает или описывает. Только тогда возможно будет изучать реальные процессы по их математическим моделям. 3. В оргсистемах человек должен соответствовать занимаемой должности, т.е. быть адекватным к тому абстрактному активному элементу, который своевременно и качественно выполняет свой функции. 4. Структура, конструкция, конфигурация, форма, строение системы должны быть адекватны достигаемым целям. Например, при дозвуковых формах ЛА нельзя летать на сверхзвуковых скоростях. 5. В теории управления известно, что сложному динамическому объекту должна соответствовать управляющая система, имеющая не меньший уровень (степень) сложности, чем объект. Отсюда следует, что простой системой нельзя управлять сложным объектом.

Этот принцип ориентирует проектировщика на правильный выбор класса систем управления заданным объектом. Например, производство является иерархическим объектом управления, то система управления им должна быть спроектирована тоже в класс многоуровневых систем. Из этого принципа также следует, что количество подсистем управления у многомерного объекта должно быть не меньше количества его степеней свободы (например, ЛА).

4. Принцип управляемости заключается в том, что сложная динамическая система не должна выпасть из процесса управления и не испытывать целенаправленного воздействия со стороны элементов системы. Этот принцип иногда нарушается при формировании оргсистем, у которой в процессе функционирования один из активных элементов (человек) вдруг отказывается выполнять свои производственные функции, что ведет к конфликту. Причина – изменение характера связей между элементами.

5. Принцип контролируемости (наблюдаемости) состоит в том, что проектируемая сложная система не должна содержать в своей структуре ни одной подсистемы, которая была не контролируема (ненаблюдаема) для вышестоящего уровня. Этот принцип очень важен при построении автоматизированных систем обработки, хранения и выдачи информации, необходимой для принятия управленческого решения. /Пример, утечка ресурса/.

6. Принцип согласованности заключается в том, Чтобы все элементы (подсистемы) сложной системы (как по горизонтали, так и по вертикали) должны быть согласованы между собой по всем показателям с целью достижения заданной эффективности системы.

Например, при проектировании интегрированной системы управления предприятием должно быть предусмотрено согласование элементов по расходу ресурсов, по располагаемой мощности (объему ресурсов), по выполняемым функциям, по целям функционирования, по статическим и динамическим характеристикам, по характеру движения во времени и в пространстве, по режимам функционирования, по информационным потокам, по программному и алгоритмическому обеспечения и т.д.

Частным случаем принципа согласованности являются:

а) принцип оптимальности заключается в таком согласовании, например, режимов функционирования элементов (подсистем) сложной системы по расходу ресурсов, при котором обеспечивается максимальная эффективность системы, характеризуемая, как правило векторным показателем оптимизаций.

б) принцип координаций (синхронизации) заключается в согласовании движений всех элементов системы во времени и по форме. Например, створки реактивного сопла, поставка цехами продукции на сборку, групповой полет ЛА.

Реализация этого принципа обеспечивает максимальные темпы группового движения.

в) принцип сбалансированности заключается в согласовании целей и функций всех уровней по вертикали с учетом характера между ними и выделенного количества ресурсов для достижения этих целей или реализации намеченных планов и программ.

Например, по этому принципу выделяют финансовые и материальные ресурсы, штаты, транспортные средства между регионами, предприятиями, цехами для решения поставленных задач.

7. Принцип совместимости (достижимости) заключается в том, что заданные множества базовых элементов и связей между ними, образующие сложную систему, при своем совместном функционировании (взаимодействии) обеспечивают достижение цели или требуемых свойств и характеристик системы.

Принцип совместимости является многоплановым в том смысле, что речь может идти о совместимости технической, функциональной, информационной, технологической, организационной, программной, психологической, биологической и т.д. Можно говорить о совместимости локальных целей отдельных элементов с глобальной целью всей системы, а также о совместимости структуры системы с ее целью.

Отметим, что не следует смешивать данный принцип с принципом согласованности. Остановимся подробнее на данном моменте. Действительно, заданное свойство системы, скажем, максимальная эффективность, может быть не достигнуто по двум причинам: во-первых, из-за неправильного выбора параметров, характеристик и режимов функционирования элементов системы, во-вторых, из-за неправильного выбора структур, элементов и связей между ними. В первом случае не соблюдается принцип согласованности. Этот недостаток может быть устранен путем оптимизации параметров, характеристик элементов и согласованием их режимов работы в рамках заданной структуры системы, а во втором случае недостаток системы не может быть устранен путем параметрической оптимизации, т.е. заданная эффективность принципиально недостижима. Для устранения такого недостатка требуется изменение структуры системы: введение новых элементов или новых связей между ними. Например, в заданной системе управления не обеспечивается такое свойство, как устойчивость. Если неустойчивость системы удается устранить только путем подбора параметров ее элементов, то имело место несогласование параметров. Если же неустойчивость системы устранить таким способом не удается, то имеет место так называемая структурная неустойчивость, вызванная несовместимостью элементов по отношению к данному свойству. Тоже самое можно сказать о несовместимости элементов по отношению к любому другому свойству системы. Таким образом, свойство несовместимости элементов системы является ее структурным свойством и может быть устранено лишь изменением исходной структура системы, а во втором случае недостаток системы не может быть устранен путем параметрической оптимизации.

Следовательно, только множество совместимых элементов с известным множеством связей между ними может обеспечить достижение заданного множества целей. В этом и заключается принцип единства системы и цели. Согласно этому принципу заданная цель достижима не для всякой структуры системы.

8. Принцип реализуемости (осуществимости) состоит в том, что проектируемая сложная система в своей структуре не должна содержать ни одного элемента, который нельзя было бы реализовать располагаемыми средствами техники и технологии.

Этот принцип тоже многоплановый и может рассматриваться применительно как к целям, так и функциям элементов системы. Согласно этому принципу, в сложной системе должны отсутствовать подсистемы, локальные цели и функции которых нереализуемы, а следовательно и недостижимы, из-за нехватки ресурсов и располагаемых технических средств.

9. Принцип единства системы и среды заключается в том, что проектируемая система всегда должна рассматриваться относительно той среды, в которой предполагается ее функционирование. Согласно этому принципу при проектировании должны учитываться все возможные ситуации, вызванные как изменением состояния, так и действием различных видов возмущений со стороны окружающей среды.

Таким образом, нельзя отрывать систему от среды так же, как и систему от цели. По крайней мере среди технических, биологических и организационных нет систем бесцельных, как и систем, не испытывающих действие окружающей среды. Поэтому следует говорить о принципе единства системы, цели и среды, который является проявлением единства материального мира.

10. Принцип типизации и стандартизации заключается в том, что в проектируемой организационной системе должны максимально использоваться стандартные или типовые элементы (модули, комплексы, агрегаты, подсистемы), решения, функции, блоки (модули) программ и т.д. Применение этого принципа при проектировании сложных систем с одной стороны, способствует снижению стоимости проекта системы, с другой, создает объективные предпосылки для автоматизации процессов выбора структуры системы, принятия решения в типовых ситуациях, декомпозиции сложных функции системы и т.д. Например, можно выделить типовые структуры производственных модулей для выполнения типовых технологических операций. Можно указать также на блоки принятия типовых решений при типовых производственных ситуациях или на блоки (модули), выполняющие элементарные (типовые) функции в информационно-управляющей системе. При построении имитационных моделей этот принцип выражается в использовании типовых динамических звеньев. Следует отметить, что типовые элементы являются основой для создания стандартных элементов в различных структурах организационных систем.

11. Принцип контринтуитивного проектирования заключается в том, что создать удовлетворительный проект сложной системы, опираясь только на опыт и интуицию проектировщика, практически невозможно.

Согласно данному принципу при проектировании сложных систем должны быть исключены необоснованные решения и решения, принимаемее только исходя из опыта и интуиции проектировщика. Этот принцип исключает влияние субъективизма при проектировании и при оценки эффективности системы и требует применения только проверенных и обоснованных решений. Последние могут быть получены в результате аналитических расчетов или имитационного моделирования проектируемой системы. Однако данный принцип не исключает использования при принятии решения метода экспертных оценок, которые выступают как объективная часть множества субъективных мнений опытных специалистов. Согласно этому принципу сложная система может реагировать на воздействия совсем иным образом, чем это интуитивно ожидалось. Соблюдение этого принципа особенно важно при разработке имитационных моделей сложных систем. Он позволяет при составлении моделей исключить внесение в нее субъективных представлений исследователя о структуре и механизмах динамики моделируемых систем.

12. Принцип оперативного принятия решения состоит в том, что принятие управленческого решения должно быть осуществлено значительно быстрее, чем возникнут существенные изменения в управляемом процессе. Данный принцип ориентирует на разработку эффективных алгоритмов принятия решений при проектировании, планировании, контроле и организации производственного процесса. Особенно важно соблюдение этого принципа при проектировании систем оперативного управления ГАП, поскольку его нарушение может привести к созданию заведомо неустойчивых систем.

13. Принцип самоорганизации (гибкости) заключается в том, что система самостоятельно путем изменения своей структуры быстро и целенаправленно изменять свои свойства, необходимость которого возникла в результате изменения свойств окружающей среды и характера реакции с ее стороны. Изменение (перестройка) структуры системы есть ее реорганизация, реконструкция. Примером производственных систем с высоким уровнем самоорганизации могут служить ГАП. Другим примером служит перестройка структуры экономики при переходе к рыночным отношениям. Информационная, алгоритмическая, технологическая, организационная и т.д. гибкость, а также гибкость планирования, управления, контроля являются неотемлимым свойством современных сложных систем. К принципу самоорганизации близок принцип адаптации, преследующий ту же цель, но более разнообразными способами.