Главная Термины

Многоуровневые иерархические системы.

05.09.2019

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. 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. В других органи­зациях, которые не создают физические товары, производственные функции могут быть менее очевидны. 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 второй 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 низшего 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. Иерархическая система управления предприятием

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. 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 больших размерностей 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 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, улучшения переработки информации на верхних уровнях иерархии управления. Понижение степени централизации соответствует увеличению самостоятельности под­систем и уменьшению объема информации, перерабатываемой верх­ними уровнями.

Обычно высшие менеджеры многоуровневых систем разрабатыва­ет стратегические решения. Они не должны решать вопросы тактического уровня, которые принимаются менеджерами среднего звена. Oпeрационное принятие решений осуществляется на производственном уровне менеджерами, 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.

КЛАССИФИКАЦИЯ

И КОДИРОВАНИЕ

Методические указания

к самостоятельной работе,

практическим и лабораторным занятиям

для студентов очной и заочной форм обучения

по направлению 656100


Составители:

доцент кафедры «Информатика»

О.И. Лантратов

И.В. Барилов

ассистент кафедры «Информатика»

Н.В. Тюхаева

Рецензенты:

к.т.н., доцент кафедры «Информатика»

Г.Д. Диброва

к.ф.н., доцент кафедры «Информатика»

Е.Б. Ивушкина

Методические указания разработаны на основании Государственного образовательного стандарта высшего образования.

В методических указаниях рассмотрены базовые вопросы автоматизированной обработки информации – классификация и кодирование информации, приведены общие сведения о системах классификации и методах кодирования. Изложение теоретического материала сопровождается большим количеством примеров. Приведены типовые варианты выполнения лабораторной работы.

Данная работа предназначена для студентов, обучающихся по направлению 656100.

УДК 002.001

Ó Южно-Российский государственный

университет экономики и сервиса, 2001

Ó О.И. Лантратов, И.В. Барилов,

Н.В. Тюхаева, 2001


введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1 терминология. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 классификация. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1 Иерархическая система классификации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Фасетная классификация. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Дескрипторная система классификации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 КОДИРОВАНИЕ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1 Регистрационные системы кодирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Классификационные (позиционные) системы кодирования. . . . . . .
3.3 Комбинированные методы кодирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4 Методические указания и задания к выполнению лабораторной работы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1 Типовые задания к лабораторной работе. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Пример выполнения лабораторной работы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 Порядок выполнения работы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4 Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ВВЕДЕНИЕ



Сейчас большинство операций по обработке данных производится на ЭВМ. Структура исходных данных определяющим образом влияет на организацию информационных массивов и скорость их обработке.

При переносе исходных данных на машинные носители и организации их хранения в запоминающих устройствах ЭВМ текстовые наименования заменяются кодами, т.е. с естественного языка переводятся на условный. Это позволяет, во-первых, устранить неопределенность при обработке информации со сходными названиями, во-вторых, – значительно уменьшить объем обрабатываемой информации.

Пример. При учете мебели в большой организации неизбежно возникает проблема в большом количестве наименований, в частности, письменных столов. При поступлении столов на склад им присваивается наименование, указанное в сопроводительных документах (накладных). В связи с этим даже одинаковые столы разных производителей могут иметь разное название: «стол письменный двухтумбовый»; «стол письменный двухтумбовый офисный», «стол письменный корпусной двухтумбовый» и пр. Поэтому каждому вновь поступившему столу присваивается инвентарный номер, который в данном случае и является кодом.

При этом коды служат поисковыми образами реальных свойств в процессе выборки и обработки данных.

Результаты обработки оформляются в виде документа, где коды вновь заменяются на текстовые наименования. Поскольку при обработке информации тексты не претерпевают изменений, то информация об однозначном соответствии наименований и кодов выделяется в особый массив - “словарь ”.

ТЕРМИНОЛОГИЯ

Человек существует не обособленно, а в обществе, следовательно, он постоянно находится во взаимодействии с различными процессами и явлениями. Совокупность этих процессов и явлений можно назвать окружающей средой .

Объекты окружающей среды соединены между собой каналами передачи информации, по которым циркулируют информационные потоки . Информационный поток представляет собой совокупность сообщений о каких-либо свойствах предметов, о процессах, событиях или об отношениях между объектами окружающей среды и человеком. Эти сообщения определяют сущность явления, которая выражается именно через совокупность его свойств.

Сообщение о сущности какого-то явления несет в себе логически завершенную информацию об этом явлении. Элементарным сообщением является информационная совокупность, определяемая термином “показатель ”. Под этим термином понимается логическое высказывание, содержащее количественную и качественную характеристику отображаемой сущности, то есть описывающее какое-либо явление или процесс. Группа показателей образует информационную совокупность .

Элементами показателя являются реквизиты , каждый из которых выражает определенное свойство сущности. Реквизит не подлежит расчленению, так как при этом теряется его смысл, поэтому реквизит можно определить как простейший элемент сообщения . По содержанию реквизиты можно разделить на две группы: основания и признаки .

Основания дают количественное описание сущности (явления, процесса), выраженное в определенной единице измерения (м, кг, р. и т. п.). Их значениями могут быть только числа.

Признаки характеризуют качественные свойства сущности (явления, процесса), временные и пространственные координаты наблюдаемых явлений и процессов.

Пример. В высказывании «27.10.2000 г. на занятии по высшей математике присутствовали 8 человек из 15»

8 и 15 - реквизиты-основания,

Дата и указание “занятие по высшей математике” - реквизиты-признаки.

Каждый реквизит-признак имеет конечное множество конкретных значений. Например, значением признака “Одежда” может быть “пальто”, “платье”, “костюм” и т.д., а значением признака “Одежда спортивная” может быть “костюм спортивный”, ”костюм для занятий аэробикой”, “купальник” и т.д.

Величина этого множества конечна на конкретном отрезке времени. Это означает, что любое множество не бесконечно, то есть можно перечислить все возможные значения данного признака. С течением времени количество возможных значений множества может увеличиваться или уменьшаться. Поэтому специально оговаривается, что величина множества конечна именно на конкретном отрезке времени. Это может быть год, месяц, десятилетия и т.д., в зависимости от динамичности рассматриваемой системы.

Перечень значений реквизита составляет его номенклатуру .


КЛАССИФИКАЦИЯ

Классификацией называется логическая операция, которая заключается в распределении элементов рассматриваемого множества по подмножествам (классам) на основании общего признака или группы признаков. Каждый объект классификации характеризуется рядом свойств. То свойство объекта, которое позволяет установить его сходство или различие с другими объектами классификации, называется признаком классификации.

Упорядоченное расположение классифицируемых элементов на основе установленных связей и зависимостей между их признаками представляет собой классификационную систему .

Любая классификация основана на делении исходного понятия (множества) на подмножества по каким-либо признакам. Признак или группа признаков, на основании которых производится деление исходного множества на подмножества, называется основанием деления . Системы классификации характеризуются гибкостью, емкостью и степенью заполненности.

Гибкостью системы классификации называют свойство системы классификации допускать включение новых классификационных группировок без нарушения структуры существующей классификации.

Емкостью называют наибольшее количество группировок в данной системе классификации.

Степень заполненности классификации определяется отношением фактического количества классификационных группировок в данной классификации к емкости используемой в ней системы классификации.

Классификатор - систематизированный свод наименований и кодов классификационных группировок.

При любой классификации желательно, чтобы соблюдались следующие требования:

Полнота охвата объектов рассматриваемой области;

Однозначность реквизитов;

Возможность включения новых объектов.

В любой стране разработаны и применяются государственные, отраслевые, региональные классификаторы. Так, например, классифицированы: отрасли промышленности, оборудование, профессии, единицы измерения, статьи затрат и т.д.

Существует несколько разновидностей классификаций: иерархическая, фасетная и дескрипторная.


Иерархическая система классификации

Под иерархией понимается такое соотношение, когда один класс является подклассом другого, целиком объемлющего первый.

Если в классификации каждое множество высшего порядка содержит непересекающиеся между собой подмножества низшего порядка, то эта классификация называется иерархической . Иногда такая классификация называется линейной . Например, деление людей на мужчин и женщин. Исходное множество - “люди” делится на непересекающиеся между собой подмножества: “мужчины” и “женщины”. Здесь основанием деления является пол человека.

Иерархическая классификация строится следующим образом: берется исходное понятие (множество) и последовательно уменьшается его объем (последовательно разбивается на подмножества). Под объемом понятия понимается множество предметов, каждый из которых обладает всеми признаками, составляющими содержание данного понятия (рисунок 2.1).

Так, при разделении множества «Одежда верхняя» можно применять только такие признаки, которые позволяют образовать подмножества (вид, тип, материал), и нельзя использовать такой признак, как, например, наличие капюшона, так как использование данного признака не обеспечивает разбиение исходного множества на непересекающиеся подмножества.

Рисунок 2.1 Иерархическая система классификации

Важно! В иерархической системе классификации из-за жесткой структуры особое внимание следует уделить выбору классификационных признаков.

Пример. Создать иерархическую систему классификации для информационного объекта "Верхняя одежда", которая позволит классифицировать информацию об объекте по следующим классификационным признакам: вид, тип и материал изготовления. Сведем основные признаки в таблицу.

Таблица 2.1 - Значения признаков классификации верхней одежды



Иерархическую классификацию удобно изображать в виде графа типа “дерево” (рисунок 2.2)

Рисунок 2.2 - Пример иерархической классификации

В приведенном на рисунке 2.2 дереве классификации из-за отсутствия места не показан признак тип. Количество уровней классификации, соответствующее числу признаков, выбранных в качестве основания деления, характеризует глубину классификации.

Таким образом, в иерархической системе классификации каждый объект на любом уровне должен быть отнесен к одному классу, который характеризуется конкретным значением выбранного классификационного признака. Для последующей группировки в каждом новом классе необходимо задать свои классификационные признаки и их значения. Следовательно, выбор классификационных признаков будет зависеть от семантического содержания того класса, для которого необходима группировка на последующем уровне иерархии.

Достоинства

Простота и логичность построения;

Использование независимых классификационных признаков в различных ветвях иерархической структуры.

Недостатки иерархической системы классификации:

Жесткая структура, которая приводит к сложности внесения изменений, так как приходится перераспределять все классификационные группировки;

Невозможность группировать объекты по заранее не предусмотренным сочетаниям признаков.

Фасетная классификация

Фасетная система классификации, в отличие от иерархической, позволяет выбирать признаки классификации независимо как друг от друга, так и от семантического содержания классифицируемого объекта. Признаки классификации называются фасетами (facet - рамка). Каждый фасет содержит совокупность однородных значений данного классификационного признака. Причем значения в фасете могут располагаться в произвольном порядке, хотя предпочтительнее их упорядочение.

Фасетный можно понимать и как “отдельный”, то есть каждый признак объекта (фасет) рассматривается индивидуально, а не в связи с остальными признаками. В основе фасетной классификации лежит фасетный анализ . Анализируются характерные признаки объектов классификации и выявляются основные категории свойств предметов. Фасеты в свою очередь могут быть разделены на субфасеты и т.п. до необходимой степени детализации.

Пример. Фасет одежда содержит значения мужская, женская, детская . В свою очередь каждую группу можно разбить на зимнюю, летнюю, демисезонную. Каждую подгруппу можно разбить по размеру, цвету и т.д.

После того как все характерные признаки выявлены, их необходимо упорядочить, то есть зафиксировать порядок перечисления этих признаков в ходе описания объекта исходного множества. Схема фиксированной последовательности расположения фасетов в классификации называется фасетной формулой .

Схема построения фасетной системы классификации в виде таблицы отображена на рисунке. Названия столбцов соответствуют выделенным классификационным признакам (фасетам), обозначенным Ф 1 , Ф 2 , …, Ф i , …, Ф n . Например, цвет, размер одежды, вес и т.д. Произведена нумерация строк таблицы. В каждой клетке таблицы хранится конкретное значение фасета.

Рисунок 2.3 - Фасетная система классификации

Процедура классификации состоит в присвоении каждому объекту соответствующих значений фасетов. При этом могут быть использованы не все фасеты. Для каждого объекта задается конкретная группировка фасетов структурной формулой, в которой отражается порядок их следования:

К s = (Ф 1 , Ф 2 , …, Ф i , …, Ф n ),

где Ф i - i -й фасет;

n - количество фасетов.

Фасетная система обладает большей гибкостью, удобством для компьютерной обработки информации, т.к. возможно добавлять неограниченное число фасет, группировать множество по любому сочетанию и числу фасетов, при этом необходимо, чтобы значения, используемые в различных фасетах, не повторялись.

Пример. Разработать фасетную систему классификации верхней одежды с учетом сезонности.

Сгруппируем и представим в виде таблицы все классификационные признаки по фасетам (таблица 2.2).

Фасет вид одежды с четырьмя видами;

Фасет тип с двумя типами исполнения;

Фасет материал с семью наименованиями материала;

Фасет сезонность с двумя обозначениями сезонов;

Структурную формулу любого класса можно представить в виде:

K s =(вид одежды, тип, материал, сезонность).

Присваивая конкретные значения каждому фасету, получим следующие классы:

К 1 =(куртка, короткая, кожа, демисезонная);

K 2 =(шуба, длинная, искусственный мех, зимняя) и т.д.


Таблица 2.2 - Фасетная система классификации

Достоинства фасетной системы классификации:

Возможность создания большой емкости классификации, т.е. использования большого числа признаков классификации и их значений для создания группировок;

Возможность простой модификации всей системы классификации без изменения структуры существующих группировок.

Недостатком фасетной системы классификации является сложность ее построения, т.к. необходимо учитывать все многообразие классификационных признаков.

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.

Одним из главных средств преодоления организованной сложности системы - это декомпозиция, т. е. деление системы на части (так называемые «черные ящики») и организация этих частей в иерархическую систему. Расчленение системы на соподчиненные части производится так, чтобы каждая часть содержала объекты, наиболее тесно связанные друг с другом. Следовательно, расчленение системы производится по слабым связям.

Декомпозиция является условным приемом, позволяющим в конечном итоге оценить степень сложности объекта и привести его к некоторым конечным элементам, анализ которых может быть выполнен известными методами. Будем считать, что элемент - это часть системы, дальнейшее разделение которого приводит к нарушению функциональных связей элемента и получению свойств выделенной совокупности, не адекватных свойствам элемента как целого.

Выгода в использовании «черных ящиков» заключается в том, что пользователю необходимо знать лишь вход и выход «черного ящика» и его назначение, т. е. выполняемую функцию, не вдаваясь в принципы работы и используемые алгоритмы. В обыденной жизни мы достаточно часто сталкиваемся с «черными ящиками» и охотно пользуемся ими. Например, мы используем принтер для подготовки документов, не зная, каким образом он производит перекодирование и печать информации. Мы можем заменить принтер на другой при поломке или на более современный, не будучи специалистами по техническому обеспечению. Идея организации «черных ящиков» в иерархические структуры взята человеком у природы. Все сложные системы Вселенной организованы в иерархии. И сама Вселенная включает галактики, звездные системы, планеты и т. д.

Иерархическая система

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.

Лекция № 17

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.