Задача анализа и синтеза структуры сложных технических систем

Изучаемые, создаваемые и проектируемые системы характеризуются сложностью. Сложность системы определяется большим числом элементов выполняемых функций, высокой степенью связности элементов, сложностью алгоритмов, выбором направляющих воздействий и большим объемом перерабатываемой информации. Под структурой понимается взаиморасположение и связь составных частей чего-либо. Под структурой системы понимается организация системы из отдельных элементов с их взаимосвязями, которые определяются распределением функций и целей выполнения системы. Эффективность структуры определяется количеством, значением, формой и содержанием её составных частей, а также местом, которое они занимают в целом и существующими между ними отношениями. Под задачей синтеза структуры понимается:

1. синтез структуры управляемой системы. Определяется оптимальный состав и взаимосвязи элементов системы, оптимальное разбиение множества управляемых объектов на отдельные подмножества, которые обладают заданными характеристиками связи
2. синтез структуры управляющей системы.
1. Выбор числа уровней и подсистем
2. Выбор принципов организации управления, решается задача определения между уровнями рациональных взаимоотношений, связано это с согласованием целей подсистемы разных уровней, оптимальным стимулированием работы подсистемы, а также распределением прав и ответственности
3. Оптимальное распределение выполняемых функций между людьми и средствами вычислительной техники
4. Выбор организационных уровней
3. задача создания структуры систем передачи и обработки информации (в том числе структуры информационно-управляющего многомашинного комплекса)
1. задача создания структуры систем передачи и обработки информации
2. задача создания структуры информационно-управляющего комплекса (в том числе и размещение пунктов исследования).

Под задачей анализа понимается определение основных характеристик системы при некоторой выбранной структуре. Говорят, что задача синтеза взаимосвязана с задачами оптимизации функционирования системы, как правило оптимизация функционирования систем проводится для заданной совокупности узлов и взаимосвязей между ними. В задачах другого вида для заданного набора функций управления определяются оптимальный состав узлов управления и взаимосвязи между ними, а также распределение выполняемых функций по узлам системы.

Для формализации задачи синтеза структуры введем следующие обозначения:

P (с чертой) – множество возможный принципов и алгоритмов управления для построения системы или её элементов.

F (с чертой) – множество взаимосвязанных функций (задач, операций, алгоритмов), которые выполняет система.

А (с чертой) – множество возможных взаимосвязанных элементов системы (технические средства, технические сооружения, отдельные пункты обслуживания, отдельные исполнители или коллективы).

Готическая м (малое) – это операция отображения F -> A. Оптимальное отображение должно обеспечивать экстремум целевой функции при выполнении заданных ограничений. В общем случае задача синтеза оптимальной структуры состоит в определении extr [f принадлежит F(p)] готическая м ^* [A(с чертой) принадлежит А] при ограничениях

1. р принадлежит Р (с чертой)
2. f принадлежит F (с чертой) от р
3. А (с чертой) принадлежит А.

Можно выделить три класса задач синтеза структуры сложных систем:

1. заданы функции и алгоритмы функционируемой системы
2. структура системы задана, необходимо синтезировать функции, алгоритмы и правила поведения элементов
3. необходимо оптимизировать функционирование системы и при этом решается задача распределения функций по узлам системы и при этом необходимо выбирать состав узлов управления.

Структуру системы можно классифицировать.

По числу уровней управления:

1. одноуровневые
2. многоуровневые.

При этом они могут быть однородные (характеристики и функции узлов одного уровня идентичны) и неоднородные.

По принципам управления и подчиненности:

1. децентрализованные – когда отдельные элементы принимают решения независимо от всей системы и эти решения не корректируются системой более высокого уровня.
2. централизованные – задание отдельным элементам выдает элемент более высокого уровня.
3. смешанные – функции управления либо этапы управления происходят централизовано либо децентрализовано.

На практике более распространены многоуровневые системы и их характерные особенности.

• Автономность отдельных управляемых подсистем.
• Управление подсистемой происходит при неполной информации (подсистема более высокого уровня не знают цели и ограничений нижестоящих подсистем).
• Наблюдается агрегирование информации при движении вверх.
• Взаимовлияние подсистем из-за наличия общих ограничений.

По выполняемым функциям и целевому назначению:

1. планирования
2. оперативного управления
3. информационные.

В зависимости от постоянства числа элементов и связей между ними:

1. фиксированная (жесткая) структура
2. гибкая структура.

По принципам разбиения системы на подсистемы:

1. по функциональному признаку
2. по объектному признаку. При объектном разбиении различают структуру отраслевых, региональных систем.

Классификация структур управления приведена на рисунке 1.

Задачи синтеза структуры сложных систем могут быть поставлены для различных уровней централизации систем, что показано на рисунке 2.

На верхнем уровне формализуются цели, которые реализуются системой управления, а также выполняемой функцией и задачей управления. Цели, функции и задачи могут быть детализированы до отдельных массивов и процедур, а также операторов и отдельных информационных элементов. Основу рассматриваемой формализации составляют агрегативно-декомпозиционный подход, который состоит в представлении системы в виде совокупности взаимосвязанных элементов различного уровня детализации. Для формализации взаимосвязей между различными вариантами построение элементов системы используется альтернативно-графовая формализация. При этой формализации различные варианты построения элементов системы задаются в виде вершин альтернативного графа, а дуги отображают характер взаимосвязи между ними. Агрегативно-декомпозиционный подход включает 2 взаимосвязанных этапа: последовательную декомпозицию выполняемых целей, функций, задач, массивов и агрегирование (объединение) на соответствующем уровне детализации элементов для генерирования вариантов построения системы в целом на каждом уровне.