Иерархические системы управления (ису).

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. 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 ее 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. 1.2). 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 «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. Иерархические системы управления предприятия

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 (например, Европейский союз, объединяющий ряд европейских стран; дочерние фирмы, филиалы и предприятия крупных концернов во многих странах мира и т. д.). 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 большой размерности 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 в известном смысле 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, как правило, улучшения переработки информации на верхних уровнях иерархии управления. Повышение степени децентрализации соответствует увеличению самостоятельности подсистем и уменьшению объема информации, перерабатываемой верхними уровнями.

Обычно высшие менеджеры многоуровневых систем разрабатывают стратегические решения, например, сколько моделей автомобилей должен производить каждый из заводов компании. Они не должны решать вопроса о типоразмерах и количестве каждой выпускаемой модели на каждом из заводов. Это относится к уровню тактических решении, которые принимаются заводскими менеджерами среднего звена управления. Заводской менеджер должен решить вопрос, сколько произвести и продать, сколько сохранить на складе готовой продукции (сезонный спрос) и сколько рабочих нанять или уволить. Операционное принятие решений осуществляется на производственном уровне начальниками цехов, 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.

Любая современная организация, будь то коммерческая фирма, промышленное предприятие или чтобы достичь поставленных перед собой целей, должна иметь понятную и четкую структуру управления. Если отталкиваться от определения, то система управления организации - это совокупность взаимосвязанных и взаимозависимых друг от друга подразделений и отдельных физических лиц, замещающих те или иные должности, которые не только находятся в положении «начальник - подчиненный», но и самым непосредственным образом оказывают влияние на развитие данной организации.

Система создается не одномоментно, это достаточно длительный процесс, включающий в себя следующие основные этапы:

1. На первом этапе руководящее ядро определяет, какая именно будет создана: иерархическая структура, функциональная или прямого подчинения.
2. Второй этап включает в себя создание и наделение полномочиями основных структурных компонентов, таких как непосредственно аппарат управления, программы, подразделения.
3. Наконец, на третьем этапе происходит окончательное перераспределение властных полномочий, обязанностей и ответственности. При этом все эти полномочия желательно закрепить в виде положений о тех или иных подразделениях и должностных инструкциях.

Хоть на сегодняшний день известно достаточно много типов структур управления, одним из наиболее популярных является иерархическая структура управления. Она была теоретически обоснована и экспериментально обкатана еще в начале ХХ века американским социологом В дальнейшем большинство ученых занималось в основном тем, что находило все новые и новые этой системы.

Иерархическая система управления базируется на следующих принципах:

1. Вся система управления представляет собой пирамиду, каждый нижестоящий уровень которой подчиняется вышестоящему и контролируется им.
2. Иерархическая структура подразумевает четкое разделение полномочий между уровнями. При этом вышестоящий уровень несет более высокую ответственность по сравнению с нижестоящим.
3. Труд в любой организации, которая управляется в соотвествии с иерархическим принципом, должен быть четко разделен между ее работниками, которые специализируются только в рамках выполняемых ими функций.
4. Любая деятельность в учреждении с иерархической структурой управления должна быть стандартизирована и формализована. Тем самым будет достигаться лучшая координация деятельности работников, повысится уровень их управляемости.
5. Найм на работу должен производиться только в соотвествии с к работнику. При этом, помимо профессиональных качеств, необходимо обращать внимание на то, насколько хорошо управляем этот работник и насколько он сам готов к роли управляющего.

Иерархическая структура подразумевает, что всех работников организации можно причислить к одной из трех основных групп - руководителям, специалистам и исполнителям. При этом, так как все организации по своему управленческому типу очень похожи друг на друга, менеджеры могут воспользоваться опытом своих коллег, чтобы сделать свою структуру управления более оптимальной.

Основными видами иерархических структур управления следует считать линейную структуру, где все основные нити сконцентрированы в руках у начальника, функциональную, когда каждое подразделение организации занимается выполнением определенной функции, а также смешанный тип управления, где наряду с линейным аппаратом существует разветвленная иерархия различных функциональных групп.

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.

Различные виды структур имеют специфические особенности и могут рассматриваться как самостоятельные понятия теории систем и системного анализа.

Структура может быть представлена в виде графа, в матричной форме, в форме теоретико-множественных описаний, с помощью языка алгебры и прочее.

Рассмотрим основные типы структур.

Линейная (последовательная) структура (рис. 5.1, а) характеризуется тем, что каждый элемент связан с двумя другими. При выходе из строя хотя бы одного элемента (связи) структура разрушается. Примером такой структуры является конвейер.

Кольцевая структура (рис. 5.1, б) отличается замкнутостью, любые два элемента обладают двумя направленными связями. Это повышает скорость обмена информацией, делает структуру более живучей.

Сотовая структура (рис. 5.1, в) характеризуется наличием резервных связей, что повышает надежность (живучесть) функционирования структуры, но приводит к повышению ее стоимости.

Многосвязная структура (рис. 5.1, г) имеет структуру полного графа. За счет наличия кратчайших путей надежность ее функционирования максимальная, эффективность функционирования высокая, однако стоимость тоже максимальная.

Звездная структура (рис. 5.1, д) имеет центральный узел, который выполняет роль центра, все остальные элементы системы являются подчиненными.

Графовая структура (рис. 5.1, е) используется обычно при описании производственно- технологических систем.

Сетевая структура или сеть (см. рис. 5.2) представляет собой декомпозицию системы во времени. Она отображает порядок действия технических систем (телефонная сеть, электрическая сеть и т. п.), этапы деятельности человека (при производстве продукции - сетевой график, при проектировании - сетевая модель, при планировании - сетевой план и т. д.).

При применении сетевых моделей пользуются определенной терминологией: вершина, ребро, путь критический путь и т.д. Элементы сети могут быть расположены последовательно и параллельно.

Сети бывают разные. Наиболее распространены и удобны для анализа однонаправленные сети. Но могут быть и сети с обратными связями, с циклами.

Для анализа сложных сетей существует математический аппарат теории графов, прикладная теория сетевого планирования и управления, имеющая широкую распространенность при представлении процессов организации производства и управления предприятиями.

Иерархическая структура получила наиболее широкое распространение при проектировании систем управления. Все элементы, кроме верхнего и нижнего уровней обладают, как командными, так и подчиненными функциями управления. Иерархические структуры представляют собой декомпозицию системы в пространстве.

Иерархические структуры, в которых каждый элемент нижележащего уровня подчинен одному узлу (вершине) вышестоящего уровня называют иерархическими или древовидными структурами с сильными связями (рис. 5.3).

Структуры, в которых каждый элемент нижележащего уровня может быть подчинен двум и более узлам (вершинам) вышестоящего уровня называют иерархическими или древовидными структурами со слабыми связями (рис. 5.4).

Пример 1.

Иерархия каталогов в ОС может быть деревом или сетью.

Дерево (MS-DOS) - файлу разрешено входить только в один каталог (иерархическая структура с сильными связями, рис. 5.5 а);

Сеть (UNIX) - файл может входить сразу в несколько каталогов (рис.5.5 б).

Иерархия каталогов в MS DOS

Иерархия каталогов в UNIX

В общем случае термин иерархия означает соподчиненность, порядок подчинения низших по должности и чину лиц высшим. Термин возник как наименование «служебной лестницы» в религии, широко применяется для характеристики взаимоотношений в аппарате управления государством, армией и т. д. Концепция иерархии была распространена на любой согласованный по подчиненности порядок объектов.

Матричные структуры. Структуры систем можно представить не только в графическом, но и в табличном (матричном) виде, что позволяет представить взаимоотношения между уровнями иерархической структуры.

Иерархическая структура с сильными связями может быть представлена матричной структурой (табл. 5.1). Такое представление иногда удобнее на практике, например, при оформлении планов работ, когда нужно указать исполнителей, формы отчетности и т.п.

Взаимоотношения между уровнями иерархии со «слабыми» связями могут быть представлены в виде двумерной матричной структурой (табл. 5.2) Важной особенностью такого представления является возможность отразить не только наличие связей, но и их силу: либо словами («сильная» - «слабая»), либо путем введения количественных характеристик силы связи.

Таблица 5.1

В иерархических структурах важно лишь выделение уровней соподчиненности, а между уровнями и между компонентами в пределах уровня могут быть любые взаимоотношения. В соответствии с этим существуют структуры, использующие иерархический принцип, но имеющие специфические особенности, и их целесообразно выделить особо. Это так называемые многоуровневые иерархические структуры.

М.Месаровичем предложены особые классы иерархических структур типа «страт», «слоев», «эшелонов»", отличающиеся принципами взаимоотношения элементов в пределах уровня и правом вмешательства вышестоящего уровня в организацию взаимоотношений между элементами нижележащего.

Учитывая важность этих видов структур для решения проблем управления предприятиями в современных условиях многоукладной экономики, для проблемы проектирования сложных систем, остановимся на их характеристике несколько подробнее.

Страты. При отображении сложных систем основная проблема состоит в том, чтобы найти компромисс между простотой описания, позволяющей составить и сохранять целостное представление об исследуемом или проектируемом объекте, и детализацией описания, позволяющей отразить многочисленные особенности конкретного объекта. Один из путей решения этой проблемы - задание системы семейством моделей, каждая из которых описывает поведение системы с точки зрения соответствующего уровня абстрагирования. Для каждого уровня существуют характерные особенности, законы и принципы, с помощью которых описывается поведение системы на этом уровне.

Таким образом, можно задать систему семейством моделей с целью отображения многочисленных особенностей объекта. Такое представление названо стратифицированным , а уровни абстрагирования - стратами .

Основные страты изучения систем: макроскопический и микроскопический анализы.

Макроскопический анализ заключается в игнорировании деталей структуры системы и наблюдении только общего поведения системы как целого.

Цель макроскопического анализа состоит в создании модели изучаемой системы в ее взаимодействии с окружением (модель «вход-выход» - модель типа «черный ящик»).

Микроскопический анализ детально описывает каждый из компонентов системы; центральным при этом является понятие элемента: изучаются связи и функции элементов, структура системы и др.

К задачам микроанализа можно отнести следующие:

выделение элементов в системе;

изучение каждого из элементов;

установление структуры системы;

выявление связей между элементами.

Примеры.

1. На рис. 5.6 приведен пример стратифицированного описания ЭВМ в виде двух страт. Нижняя страта это физические операции, т.к. система описывается на языке физических законов, управляющих работой и взаимодействием ее механических и электронных элементов. Верхняя страта это математические и логические операции (программирование и реализация программ, осуществляемые с помощью абстрактных, нефизических понятий, информационные потоки, команды языков программирования и т. п.). Заметим, что может представлять интерес описание системы (ЭВМ) и на других уровнях абстрагирования, помимо названных двух основных, При конструировании некоторых электронных компонентов может представить интерес страта атомной физики, а при разработке сложного программного обеспечения, систем с разделением времени - системная страта.

2. Автоматизированный промышленный комплекс обычно моделируют на трех стратах (рис. 5.7)

3. При разработке баз данных принято выделять концептуальный, логический и физический уровни.

4. Ю.И.Черняк выделил уровни абстрагирования системы от философского или теоретико-познавательного описания ее замысла до материального воплощения, как это показано на см. рис. 5.8.

Такое представление помогает понять, что одну и ту же систему на разных стадиях познания и проектирования можно и нужно описывать различными выразительными средствами, т.е. как бы на разных «языках»:

Философском или теоретико-познавательном - вербальное описание замысла, концепции;

Научно-исследовательском - в форме моделей разного рода, помогающих глубже понять и раскрыть замысел системы;

Проектном - техническое задание и технический проект, для разработки и представления которого могут понадобиться математические расчеты, принципиальные схемы;

Конструкторском - конструкторские чертежи, сопровождающая их документация;

Технологическом - технологичекие карты, стандарты и другая технологическая документация (конструкторская и технологическая страты могут быть объединены);

Материальное воплощение, реализация системы - детали, блоки, собранное изделие или созданная система, принципы функционирования которой отражены в соответствующей нормативно-технической и нормативно-методической документации (инструкциях по эксплуатации, положениях и т.п.).

Выделение страт в структуре функционирования АСУ соответствует сложившимся уровням управления: управление технологическими процессами и организационное управление предприятием.

Стратифицированное представление может использоваться как средство последовательного углубления представления о системе, ее детализации. Чем ниже опускаемся по иерархии страт, тем более детальным становится раскрытие системы; чем выше поднимаемся, тем яснее становится смысл и значение всей системы. Объяснить назначение системы с помощью элементов нижней страты в сложных системах практически невозможно.

Например, изучение принципов построения и функционирования отдельных клеток организма, каким бы детальным оно ни было, не позволяет понять построение и функционирование органов, которые состоят из этих клеток, а изучение органов не позволит полностью понять функционирование всего организма в целом. Но, с другой стороны, чтобы правильно понять и реализовать общий замысел системы, сконструировать систему, необходимо реализовать нижележащие страты.

Сказанное отображает в структуре суть одной из основных закономерностей теории систем - закономерности целостности, что помогает приблизить теоретические исследования закономерностей к практическому их применению.

Начинать изучение системы можно с любой страты. В процессе исследования могут добавляться новые страты, изменяться подход к выделению страт, но система сохраняется до тех пор, пока не изменяется представление на верхней страте, т.е. ее концепция, замысел системы.

Многослойные иерархические структуры. Для организации процессов принятия решений, уменьшения неопределенности ситуации выделяются уровни сложности принимаемого решения, или слои . При этом определяется совокупность последовательно решаемых проблем. Решение вышележащей проблемы определяет ограничение при моделировании на нижележащем уровне.

Вид многоуровневой структуризации предложен М.Месаровичем для организации процессов принятия решений. Для уменьшения неопределенности ситуации выделяются уровни сложности принимаемого решения - слои, т. е. определяется совокупность последовательно решаемых проблем. При этом выделение проблем осуществляется таким образом, чтобы решение вышележащей проблемы определяло бы ограничения (допустимую степень упрощения) при моделировании на нижележащем уровне, т. е. снижало бы неопределенность нижележащей проблемы, но без утраты замысла решения общей проблемы.

Многослойная иерархия показана на рис. 5.9. Показано, что каждый слой D i есть блок, принимающий решение и вырабатывающий ограничение X j -1 для нижележащего D i -1 -го блока.

На рис. 5.10 представлена информационная система организации, состоящая из нескольких взаимодействующих слоев.

Информационная система организации создается для работы прикладных программ. Именно эти программы обеспечивают сотрудников необходимой информацией для принятия решений и автоматизируют деятельность различных служб. Поэтому при проектировании информационной системы, сначала определяются требования к этим программам, а уже затем определяется какие системные сервисы, базы данных, операционные системы, сетевые средства, компьютеры и серверы необходимы для их эффективного функционирования.

В основании модели лежит слой различных типов компьютеров , являющихся средствами хранения и обработки данных. Компьютеры определяют аппаратную платформу информационной системы.

Транспортная система состоит из активных и пассивных сетевых устройств, объединяющих компьютеры в локальные и глобальные сети и обеспечивающих обмен данными. Активными сетевыми устройствами являются сетевые карты и модемы компьютеров, концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы и другие подобные устройства. Среда передачи данных и элементы кабельной сети составляют пассивную часть транспортной системы.

Слой сетевых операционных систем обеспечивает выполнение приложений пользователей и посредством транспортной системы организует доступ к ресурсам других компьютеров и предоставляет свои ресурсы в общее пользование. Операционные системы компьютеров определяют программную платформу информационной системы. Ряд активных сетевых устройств, таких как коммутаторы и маршрутизаторы, как правило, работают под управлением собственных операционных систем, называемых операционными системами межсетевого взаимодействия.

Над слоем операционных систем работают слои различных приложений . Системные сервисы служат для обработки и преобразования информации, полученной от систем управления базами данных(СУБД) и других ресурсов, в вид удобный для восприятия конечным пользователем или прикладной программой. СУБД иногда выделяются в отдельный слой. Этим подчеркивается их высокая значимость как средства хранения в упорядоченном виде данных и выполнения базовых операций поиска и извлечения нужной информации.

Верхний слой информационной системы составляют приложения предметной области, специфические для конкретной организации или определенного типа организаций. Это могут быть программные системы автоматизации бухгалтерского учета, проектирования, управления производством, агрегатами, технологическими процессами и другие.

Многоэшелонные иерархические структуры. Понятие многоэшелонной иерархической структуры вводится следующим образом.

Система представлена в виде относительно независимых, взаимодействующих между собой подсистем, имеющих иерархическое расположение (см. рис.5.11). Некоторые из подсистем находятся под влиянием или управляются вышестоящими. Уровень такой иерархии называют эшелоном .

Основной отличительной особенностью многоэшелонной структуры является предоставление подсистемам всех уровней определенной свободы в выборе их собственных решений.

Подсистемы всех уровней свободны в выборе собственных решений, которые могут и не быть решениями верхнего уровня. Свобода повышает эффективность функционирования системы в целом.

Подсистемам предоставлена свобода в выборе целей, поэтому многоэшелонные структуры называют еще многоцелевыми.

В таких системах могут быть использованы разные способы принятия решений. Естественно, что при предоставлении прав самостоятельности в принятии решений подсистемы могут формировать противоречащие друг другу (конфликтные) цели и решения, что затрудняет управление, но является в то же время одним из условий повышения эффективности функционирования системы.

Для того, чтобы на это обратить внимание в разделены понятия собственно «управления » и «координации ». При этом координация может иметь разную силу воздействия (вмешательства) и осуществляется в разной форме. В связи с этим теорию многоуровневых систем М.Месаровича иногда называют теорией координации. В этой теории рекомендуется, чтобы в процессе принятия решений подсистемы не всегда стремились бы отстаивать свои интересы, доводя дело до конфликтных ситуаций, а вступали бы в коалиции.

В зависимости от принятых принципов (конфликты) или (коалиции), силы и форм вмешательства вышестоящих эшелонов в дела нижележащих процесс принятия решения может происходить по-разному, т. е. по-разному может быть организована система управления принятием решений, поэтому многоэшелонные, многоцелевые иерархические структуры называют в также организационной иерархией.

Существуют смешанные иерархические структуры с вертикальными и горизонтальными связями, в которых могут быть использованы одновременно несколько видов иерархических структур - от древовидных до многоэшелонных.

В реальных системах организационного управления (особенно на уровне региона, государства) могут быть использованы одновременно несколько видов иерархических структур - от древовидных до многоэшелонных. Такие иерархические структуры называют смешанными. Основой объединения таких структур могут быть страты.

В таких смешанных иерархических структурах могут быть как вертикальные связи разной силы (управление, координация), так и горизонтальные взаимодействия между элементами (подсистемами) одного уровня. Впервые идея структур такого вида предложена советским академиком В.М.Глушковым при разработке общегосударственной автоматизированной системы управления (ОГАС).

В качестве примера приведем модель структуры управления государством, которая была положена в основу концепции ОГАС. В нашей стране управление всегда осуществлялось с использованием смешанного принципа территориально-отраслевого управления. В соответствии с этим принципом органы территориального и отраслевого управления не могут рассматриваться как подчиненные друг другу. Это всегда затрудняло графическое представление структуры управления страной, особенно проявилось в связи с необходимостью представления структуры функциональной части ОГАС, что и потребовало применения нового вида структур.

Смешанный характер носит и организационная структура современного предприятия (объединения, акционерного общества и т. п.).

Таким образом, в смешанных иерархических структурах могут быть как вертикальные связи разной силы (управление, координация), так и горизонтальные взаимодействия между элементами одного уровня.

Существуют структуры с произвольными связями , которые применяют на начальном этапе познания объекта, когда идет поиск способов установления взаимоотношений между компонентами, не могут быть определены последовательности взаимодействия элементов во времени, распределение элементов по уровням иерархии.

Формируются структуры с произвольными связями путем установления возможных отношений между предварительно выделенными элементами системы, введения ориентировочных оценок силы связей.

После формирования таких структур связи упорядочиваются и получают иерархические или сетевые структуры.

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.