Теоретические основы автоматизированного управления.-2

Ю.П. Ехлаков

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ

Учебник для студентов специальности 220200 — «Автоматизированные системы обработки

информации и управления»

Томск 2001

УДК 658.012.011.56.01 ББК 22.181

Ю.П. Ехлаков

Теоретические основы автоматизированного управления. — Томск: Издво Томск. госуниверситета систем управления и радиоэлектроники, 2001. — 337 с.

В учебнике рассматриваются теоретические и практические вопросы проектирования автоматизированных систем и информационных технологий управления. Содержание учебника включает три крупных темы: системный анализ и его применение при проектировании систем, математические методы и модели планирования и принятия решений, методологические вопросы проектирования и внедрения автоматизированных систем и информационных технологий.

Учебник предназначен для студентов, обучающихся по направлению «Информатика и вычислительная техника»; специалистов, занимающихся проблемами проектирования и внедрения автоматизированных систем обработки информации и управления.

3

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение…………………………………………………………………….. 7

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЭЛЕМЕНТЫ УПРАВЛЕНИЯ………….. 14 1.1. Кибернетическая модель управления……………………………….… 14

1.2.Классификация систем по управлению……………………………….. 17

1.3.Основные функции управления……………………………………….. 20

1.4.Организационные структуры системы управления…………………. 26

1.5.Основные модели управления организацией…………………………. 34

1.6.Ключевые элементы управления………………………………………. 37

1.7.Основные положения по проектированию финансовых

2.1.4.Показатели эффективности достижения целей……………….. 58

2.1.5.Функции системы……………………………………………….. 60

2.1.9.Основные этапы системной деятельности…………………….. 70

2.2.Содержательные модели системы…………………………………….. 72

2.2.1.Определение и классификация моделей ……………………….. 72

2.2.2.Модель «черного ящика»………………………………………... 75

3.2.Метод экспертных оценок………………………………………….…... 104

3.2.1.Постановка задачи……………………………………………….. 104

3.2.2.Формирование экспертной комиссии…………………………... 107

3.2.3.Организация экспертного опроса……………………………….. 109

3.2.7.Оценка согласованности экспертов…………………………….. 117

3.3.Формальное описание таблиц решений………………………………. 119

4

4.СОДЕРЖАТЕЛЬНЫЕ МОДЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ………………………………………………… 124

4.1.Содержательная модель декомпозиции сложных систем — метод

«дерева целей»………………………………………………………….. 124

4.2.Модель последовательного синтеза автоматизированных

информационных технологий управления………………………….… 132

4.3.Содержательные методы построения информационных моделей системы………………………………………………………………….. 135

4.4.Содержательные модели проектирования организационного

4.4.2.Проектирование организационного регламента деятельности.. 142

4.4.3.Моделирование организационного регламента деятельности... 149

5.ЛОГИСТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ…………………………………….. 156

5.1.Основные понятия и функциональная структура логистики………... 156

5.2.Типовые логистические функции……………………………………… 164

5.3. Типовые логистические системы……………………………………… 168

5.4.Закупочная логистика…………………………………………………... 173

5.4.1.Основные функции и задачи закупочной логистики………….. 173

5.4.2.Технология выбора поставщиков………………………………. 175

5.4.3. Способы определения потребности в материальных ресурсах 179

5.4.4.Планирование и организация закупок………………………….. 179

5.4.5.Организация функционирования систем снабжения………….. 182

6.МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОЦЕНКИ И АНАЛИЗА ПРОБЛЕМНЫХ СИТУАЦИЙ…………………………………………… 185

6.2.4.Определение параметров уравнения регрессии………………... 191

6.2.5.Статистическое оценивание параметров……………………….. 192

6.2.6.Оценка точности и надежности модели………………………... 193

6.3.Трендовые модели……………………………………………………… 194

6.4.Производственные функции…………………………………………… 197

5

7.1.1.Классификация моделей……………………………………….. 210

7.1.2.Одноэтапные модели развития и размещения………………... 212

7.1.3.Многоэтапные модели развития и размещения………………. 215

7.1.4.Математическая модель определения…………………………. 220

7.2.Модели определения оптимальной производственной программы предприятия……………………………………………………………. 221

7.2.1.Анализ возможных секторов рынка предприятия……………. 221

7.2.2.Анализ производственно-экономических возможностей……. 223

7.2.3.Формирование маркетинговой стратегии реализации продукции……………………………………………………….. 227

7.2.4.Математическая модель формирования производственной программы………………………………………………………. 229

8.МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ КАЛЕНДАРНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ……………………………………………………….. 233

8.1.Математический аппарат решения задач календарного

8.2.2.Понятия и основные виды функций предпочтения…………... 239

8.2.3.Способы оценки точности алгоритмов календарного планирования………………………………………………….. 241

8.3.2.Задача календарного планирования участка с полным циклом изготовления изделий по линейно-последовательной

8.5.Задача календарного планирования участка однотипного взаимозаменяемого оборудования…………………………………….. 259

9.1.Основные понятия и определения АСОИУ…………………………. 265

9.2.Понятие комплексности и интеграции в АСОИУ…………………... 272

9.3.Состав и функциональная структура автоматизированных учрежденческих систем……………………………………………... 275

9.4.Основные положения по проектированию информационных

систем обеспечения решений………………………………………… 277

9.5.Состав и функциональная структура гибких автоматизированных производств (ГАП)…………………………………………………… 282

10.3.Отечественные и зарубежные стандарты на проектирование механизмов защиты и обеспечения безопасности функционирования программных средств………………………... 305

10.4.Стандартизация и обеспечение качества проектирования программных продуктов и информационных систем……………. 309 10.4.1. Стандартизация основных этапов жизненного цикла

создания, сопровождения и документирования АСОИУ… 309

10.4.2.Стандартизированные показатели качества программных систем и баз данных………………………………………... 327

10.4.3.Технология использования стандартов

при проектировании программных комплексов и информационных систем………………………………… 331

Список используемой литературы…………………………………………... 335

7

ВВЕДЕНИЕ

Учебная дисциплина «Теоретические основы автоматизированного управления» входит в состав общеобразовательных дисциплин Государственного образовательного стандарта по специальности 220200 — «Автоматизированные системы обработки информации и управления» (АСОИУ). Теоретической базой дисциплины являются два взаимосвязанных научных направления:

1)кибернетика как фундаментальная наука об управлении;

2)информатика как фундаментальная наука о методах, средствах и системах сбора, передачи и обработки информации.

Сопоставляя эти научные дисциплины, выделим прежде всего объекты и предметы их изучения, методы, средства и области применения.

Название кибернетика происходит от соединения двух греческих слов: «кибер» (в переводе «над») и «наутис» («моряк»), т.е. «кибернаутис» — старший над моряками, кормчий. Греческий философ Платон впервые использовал термин «кибернетика» как искусство управления обществом. В XVIII в. французский ученый Ампер, составляя классификацию наук, также назвал кибернетикой науку об управлении обществом. В 1948 году Н. Винер в своей книге «Кибернетика или управление и связь в животном и машине» применил этот термин в более широком современном смысле и изложил, по существу, программу развития кибернетики. Винер утверждает, что кибернетика как наука об управлении в живом и неживом мире основывается на математике и вычислительных машинах.

В нашей стране кибернетика как наука о наиболее общих законах управления начала интенсивно развиваться с 1955 года. Большую роль в период становления кибернетики сыграли советские ученые А.А. Ляпунов и В.М. Глушков. А.А. Ляпунов дает следующее определение: «Кибернетика — это наука

об общих закономерностях строения управляющих систем и течения процессов управления. Она изучает процессы хранения, передачи, переработки

ивосприятия информации».

Большое влияние на развитие кибернетики в СССР оказал академик В.М. Глушков, работавший в основном в области теории цифровых автоматов, формальных языков и искусственного интеллекта. Ему же принадлежит идея создания первых автоматизированных систем управления предприятием (АСУП) «Кунцево», «Львов», а также общегосударственной автоматизированной системы управления (ОГАС). Данное им определение кибернетики, вошедшее в Советскую энциклопедию и ряд энциклопедий других стран, выгля-

дит следующим образом: «Кибернетика — это наука об общих законах полу-

чения, хранения, передачи и преобразования информации в сложных управ-

ляющих системах». Следует отметить, что это определение раскрывает только теоретическую сторону проводимых исследований. В.М. Глушков вместе с тем отмечал, что кибернетика, как и физика, подразделяется на теоретическую и прикладную.

8

Основными категориями теоретической кибернетики являются «сложная система», «модель», «межсистемный изоморфизм», «черный ящик», «управление», «обратная связь», «наблюдатель», «внешние условия», «принцип необходимого разнообразия». В сочетании с общепознавательными методами «классификации», «обобщения», «абстрагирования», «анализа-синтеза» кибернетика добросовестно выполняет свою роль в разработке методологии изучения и проектирования сложных систем.

Области приложения кибернетики как прикладной науки достаточно обширны, появляются такие направления, как техническая кибернетика, экономическая кибернетика, биологическая кибернетика, медицинская кибернетика, нейрокибернетика и т.д. Кибернетика изучает проблемы анализа и синтеза сложных целенаправленных систем, законы управления и вопросы построения и исследования моделей этих систем и т.д. Применительно к организационнотехнологическим системам кибернетика как наука об управлении включает следующие основные направления:

•системный анализ и общую теорию систем;

•теорию автоматического управления;

•теорию оптимального управления производством, экономикой, финансами и т.д;

•теорию выбора и принятия решений;

•распознавание образов и искусственный интеллект;

•теорию расписаний;

•математическое моделирование;

•теорию массового обслуживания и т.д.

Основное прикладное назначение кибернетики — проектирование автоматических, автоматизированных и интегрированных систем различного класса и назначения. При этом с точки зрения управления в организационных системах можно выделить следующие уровни предметной области кибернетики:

•проведение предпроектного исследования объектов информатизации;

•выбор и обоснование оптимальной структуры объекта и системы управления;

•разработку математических моделей оптимального управления процессами и системами;

•проектирование основных бизнес-процессов функционирования организации;

•разработку отдельных устройств, гибких производственных модулей, автоматизированных систем управления технологическими процессами и установками;

•разработку индустриальных методов проектирования АСОИУ. Многогранность направлений исследований, проводимых в рамках

кибернетики, а также тот факт, что на Западе кибернетика трактуется значительно уже (наука о наиболее общих законах управления в биологии и медицине), являются основными причинами выделения информатики в отдельную область знаний. Авторы [1] отмечают, что становлению информатики как

9

фундаментальной научной дисциплины, оттесняющей (подменяющей) кибернетику, способствовало массовое появление персональных компьютеров, в обществе стало укореняться мнение: «там, где компьютер, там и информатика».

Прежде чем перейти к рассмотрению информатики как научной дисциплины, остановимся на термине «информация». Термин «информация» происходит от латинского слова «informatio», что означает разъяснение, изложение. Это нашло свое отражение и в определении информации как обозначения сведений, знаний о системе и среде ее функционирования. В этом смысле информация есть ни что иное, как средство реализации различных методов управления. Как правило, к информации, используемой для управления, предъявляют следующие требования: своевременность, доступность, ценность (полезность), полнота, достоверность, определенность, лаконичность, восприятие, глубина, убедительность.

Информатика как наука, интегрально связывающая воедино многочисленные проблемы сбора, передачи, переработки, отображения и хранения информации, начала формироваться в начале шестидесятых годов. Первые попытки создания рабочей программы по информатике как учебной дисциплине были предприняты в 1963 году профессором Московского энергетического института Темниковым. Им же впервые дано определение и формальноматематическое описание информационного процесса и информационной системы. Первые определения информатики как науки связаны с решением проблем с оздания полнотекстовых баз данных при организации библиотечного дела, патентоведения, изобретательства и т.д. Определение, раскрывающее этот смысл, выглядит следующим образом: «Информатика — научная дисципли-

на, изучающая структуру и общие свойства научной информации, а также закономерности всех процессов научной коммуникации». Это определение,

кроме проблем сбора и распространения чисто научной информации, затрагивает вопросы ее эффективного использования в различных отраслях народного хозяйства.

В прикладной информатике в этот период времени развиваются теории проектирования автоматизированных информационных и информационнопоисковых систем, формирования баз данных и знаний. С бурным распространением персональных ЭВМ, интенсивным развитием систем и сетей передачи данных возникает принципиально новая возможность реализации технологий обработки информации. Появляется понятие информационной технологии, изменяется само понятие информатики как науки.

Академик Шемякин отмечает, что «информатика изучает информаци-

онные связи и соотносится с кибернетикой как информация с управлени-

ем». В этом случае, как и в кибернетике, следует, очевидно, различать биологическую, экономическую, медицинскую, юридическую информатику и т.д.

В.М. Глушков определяет информатику как «дисциплину, связанную с

процессами сбора, передачи, обработки, хранения и использования информации в различных областях человеческой деятельности».

По определению академика А.Л. Ершова «информатика представляет собой фундаментальную естественную дисциплину, изучающую законы и методы

10

накопления, обработки и передачи информации в природных, технических и социальных системах». Эта наука опирается на философское учение об информации в процессах отображения и состоит из таких конкретных областей, как теоретические основы вычислительной и коммуникационной техники, алгоритмика, программирование, искусственный интеллект, теория когнитивных процессов, включая вычислительный эксперимент, информология или учение об информационных процессах в обществе [2].

В настоящее время наиболее распространенное определение информати-

ки выглядит следующим образом: под информатикой следует понимать со-

вокупность фундаментальных и прикладных научных направлений, изучающих технические, программные и алгоритмические аспекты процессов накопления, передачи и обработки информации, а также их использование в различных областях человеческой деятельности. Если кибернетика изуча-

ет общие законы движения информации в целенаправленных системах и в основе кибернетики лежит моделирование, то информатика изучает вопросы информационного содержания этих моделей. В настоящее время информатика в прикладной области интерпретируется как наука об ЭВМ и их алгоритмическом и программном обеспечении и содержит основные дисциплины:

•математическую логику;

•комбинаторику;

•теорию графов;

•теорию дискретных автоматов;

•теорию формальных языков;

•программирование;

•теорию баз данных и знаний, хранилища данных;

•распределенные информационные системы и сети ЭВМ и т.д.

В то же время с точки зрения физических процессов переработки информации рядом авторов в разделах информатики рассматриваются следующие направления исследований:

•теория информационных систем;

•теория сигналов и кодирования;

•теория измерений;

•теория цепей;

•теория коммуникационных устройств;

•теория средств отображения;

•теория передачи и преобразования информации.

Имеются и другие трактовки предмета информатики как науки и как прикладной отрасли, связанной с созданием «индустрии информатики».

В период становления трудно, очевидно, перечислить все предметные области науки информатики, выделим лишь те, которые имеют непосредственное отношение к автоматизированным системам обработки информации и управления:

• разработку методов и средств создания дружественных интерфейсов пользователей;