1.12. Управление в сложных и больших системах

Управление в сложных и больших системах принципиально отличается от традиционного представления об управлении, в частности, от того, что принято называть «оптимальным управлением», т.е. переходом системы в желаемое состояние по некоторому оптимальному пути. Это связано с тем, что сложные и большие системы слабопредсказуемы, определить как желаемое, так и практически достижимое состояние невозможно. Тем более, невозможно выбрать и навязать системе «оптимальный» (в детерминистическом или статистическом смысле) путь перехода, поскольку структура и функции системы, в общем случае, не взаимоопределимы. По содержанию и механизму действия управление сложными системами, в том числе самоуправление, наиболее близко к физиологическим процессам возбуждения и торможения (внешнего и внутреннего стимулирования).

Прямые и обратные связи, все виды и формы воздействия, если они не приводят к разрушению системы, не более чем стимулы, возбуждающие или тормозящие внутрисистемные процессы, ход и последствия которых в основном определяются самой системой.

Проблема управления сложными системами в исследовании влияния возбуждающих и тормозящих стимулов на поведение системы и конечный результат, а также в использовании стимулирования для достижения требуемой эффективности системы. Возбуждение может перейти в торможение и наоборот: при изменении уровня стимула и состояния системы, поэтому априорная оценка характера воздействия затруднительна. Управление должно достигаться ценой относительно малого энергоресурса. Типичным в этом смысле является информационное управление, при котором энергоресурс управления незначителен по сравнению с энергоресурсом объекта управления.

Сложная система не только обладает большим энергоресурсом, но и большой динамической инерционностью.

Основу рационального развития системы представляет механизм ее управления. Механизм управления системой содержит два контура обратной связи (рис.1.22). Один служит обеспечению устойчивости и цельности или гомеостазиса систем на основе саморегуляции, а другой контур обратной связи осуществляет саморазвитие системы на основе эффективного использования накопленной информации при принятии решений. Для повышения устойчивости системы, уровня ее организации и надежности осуществляется оценка текущего ее состояния, учет прошлого опыта.

Устойчивое функционирование системы требует обеспечения в гомеостатическом диапазоне допустимого изменения жизненно важных параметров и потому эти параметры в процессе функционирования не должны выходить за пределы допустимых норм.

Что касается технических систем, то различные регуляторы также обеспечивают их функционирование в заданных диапазонах допустимых отклонений.

Рис. 1.22. Схема механизма управления для самоорганизующихся систем

В случае если обратные связи в системе недостаточны, или действуют с большим запаздыванием, тогда параметры системы выходят за пределы допустимых значений и система теряет устойчивость, если не принять специальных мер по управлению.

При исследовании систем весьма важно учитывать динамику процесса развития системы. Система тем устойчивее, чем быстрее она реагирует на возникающие отклонения от нормы. В сложных системах, имеющих большую инерционность, к которым относятся социально-экономические и экологические системы, управляющее воздействие должно учитывать для устойчивого развития как величину отклонения важных параметров от нормы, а также скорость и ускорение отклонения. Для обеспечения устойчивости таких инерционных систем необходимо упреждающее воздействие, которое не позволит системе перейти в неустойчивое или катастрофическое состояние.

Характерной особенностью современного этапа теории управления является не только разработка оптимальных в смысле поставленной цели систем, но и оптимизации самих алгоритмических системных методов исследования. Невозможность или сложность решения этой задачи приводит к появлению адаптивных систем управления объектами, параметры которых не известны. В них на основе оценок параметров объекта настраиваются параметры регулятора так, что со временем вся система управления начинает функционировать оптимально.

Результаты оптимизации во многом зависят от того, насколько точно соблюдаются предположения и ограничения принятые при постановке задачи оптимизации. К сожалению, эти предположения обычно выполняются лишь приближенно, в результате чего и оптимальные алгоритмы и сама система становятся сильно чувствительными, нестабильными и могут не только потерять свои свойства, но и стать полностью неработоспособными.

Преодоление этих нежелательных свойств возможно двумя путями.

1. Путем учета доступной априорной информации о наблюдениях и принимаемых решениях. Эта информация, даже самого общего характера, зачастую способна обеспечить стабильность адаптивных алгоритмов.

2. Путем построения грубых малочувствительных (робастных) систем. Робастность системы к каким-либо внешним факторам определяется различным образом в зависимости от того, какие именно ее свойства, характеристики или показатели качества анализируются на чувствительность.

Предметом изучения теории управления являются сами системы управления, состоящие из множества взаимодействующих элементов, принадлежащих объекту управления и комплексу управляющих устройств. Для их изучения должен применяться системный подход, требующий не просто учета всех существующих факторов, влияющих на состояние отдельных элементов, но и, прежде всего, рассмотрения системы в ее целостности.

Именно такой подход привел к созданию систем управления, которые в условиях воздействия многих случайных и иных факторов способны функционировать также хорошо, как и опытный человек-оператор, а возможно, и еще лучше [58]. Такой тип систем управления называют системами управления на основе знаний. Особую роль среди этих систем играют системы принятия решений.

Определение 1.53. Управление в системе — внутренняя функция системы, осуществляемая в системе независимо от того, каким образом, какими элементами системы она должна выполняться.

Определение 1.54. Управление системой — выполнение внешних функций управления, обеспечивающих необходимые условия функционирования системы.

Управление системой (в системе) используется для следующих целей:

• увеличения скорости передачи сообщений;

• увеличения объема передаваемых сообщений;

• уменьшения времени обработки сообщений;

• увеличения степени сжатия сообщений;

• увеличения (модификации) связей системы;

• увеличения информации (информированности).

Многообразие. Если число возможных состояний системы S равно N, то общее количество разнообразия системы может быть оценено по формуле

V(N) = log₂N.

Пусть управляемая система обладает разнообразием V(N₁), а управляющая – V(N₂). Цель управляющей системы – уменьшить значение V(N₁) за счет изменения V(N₂). В свою же очередь, изменение V(N₁), как правило, влечет изменение и V(N₂), а именно, управляющая система может эффективно выполнять присущие ей функции управления лишь при условии, если верно неравенство: .

Это неравенство выражает принцип (Эшби) необходимого разнообразия управляемой системы.

Управляющая подсистема системы должна иметь более высокий уровень организации (или большее разнообразие, больший выбор), чем управляемая подсистема, т.е. многообразие может быть управляемо (разрушено) лишь многообразием.

Чем разнообразнее входные сигналы (параметры) системы, число различных состояний системы, тем разнообразнее обычно выходные сигналы, сложнее система, тем актуальнее проблема поиска вариантов управления.

Принцип необходимого многообразия Эшби, согласно которому многообразие выходных сигналов системы может быть достигнуто только с помощью достаточного многообразия входных воздействий также имеет непосредственное отношение к сложности системы.

Можно назвать такую способность системы реализовать многие различные типы поведения – сложностью управления, т. к. этот аспект сложности отражает меру способностей преобразовывать многообразие входных сигналов в многообразие выходных.

Принцип необходимого многообразия гласит, что общее многообразие в поведении системы управления должно быть не меньше совокупного многообразия управлений и возмущений.

Смысл этого утверждения таков: если необходимо, что СУ (система управления) реализовала заданный вид поведения вне зависимости от внешних помех, то подавить многообразие в ее поведении можно, только увеличив множество управлений.

Другими словами – многообразие может быть разрушено только многообразием. Это кибернетический аналог второго закона термодинамики.

Пример 1.4. Командир корабля должен быть более подготовлен, более грамотен, организован, свободен в своих решениях, чем, например, командир боевой части или старшина команды. Малые, средние, большие корабли, подводные лодки, авиация – необходимый фактор разнообразия, так как они позволяют динамично адаптироваться к различным условиям, действиям противника и успешно действовать силам флота.

Рис.1.23. Общая схема управления системой.

Функции и задачи управления системой.

1. Организация системы — полное, качественное выделение подсистем, описание их взаимодействий и структуры системы (как линейной, так и иерархической, сетевой или матричной).

2. Прогнозирование поведения системы т.е. исследование будущего системы.

3. Планирование (координация во времени, в пространстве, по информации) ресурсов и элементов, подсистем и структуры системы, необходимых (достаточных, - в случае оптимального планирования) для достижения цели системы.

4. Учет и контроль ресурсов, приводящих к тем или иным желаемым состояниям системы.

5. Регулирование - адаптация и приспособление системы к изменениям внешней среды.

6. Реализация тех или иных спланированных состояний, решений.

Функции и задачи управления системой взаимосвязаны, а также взаимозависимы.

Пример 1.5. Нельзя осуществлять полное планирование в экономической системе без прогнозирования, учета и контроля ресурсов, без анализа спроса и предложения – основных регуляторов рынка. Экономика любого государства – всегда управляемая система, хотя подсистемы управления могут быть организованы по-разному, иметь различные элементы, цели, структуру, отношения.

Выявление управляющих параметров и их использование для управления системой может также уменьшить сложность системы. В свою очередь, уменьшение сложности системы может сделать систему полностью управляемой.

Рассмотрим те преимущества, которые предоставляет иерархическая структура системы управления по сравнению с обычными системами управления, и в частности, с системами децентрализованного типа.

1. Свобода локальных действий в течении интервалов времени, обусловленных моментами поступления управляющих воздействий со стороны вышележащего уровня.

2. Возможность целесообразно сочетать различные для каждого из уровней системы локальных критериев оптимальности и глобальный критерий оптимальности системы в целом.

3. Отсутствие необходимости пропускать через один управляющий орган большие потоки информации, так как при использовании иерархической системы управления информация с нижнего уровня передается на верхний в обобщенном виде.

4. Повышенная надежность системы управления и большие возможности введения избыточности в систему на необходимом уровне управления.

5. Гибкость и адаптивность иерархической системы управления.

6. Универсальн6ость при решении однотипных в целом, но отличающихся в деталях проблем управления.

7. Экономическая целесообразность по сравнению с системами управления иной структуры.