ИЕРАРХИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ (ИСУ)

— системы произвольной природы (технические, экономические, биологические, социальные) и назначения, имеющие многоуровневую структуру в функциональном, организационном или каком-либо ином плане. ИСУ изучаются в кибернетике технической, в системотехнике, кибернетике экономической и кибернетике биологической. ИСУ весьма разнообразны, встречаются они в различных областях деятельности человека и в природе. Типичными примерами технических ИСУ являются объединенные энергетические системы, транспортные системы, системы связи, пром. комплексы типа нефтеперерабатывающих и хим. заводов, горнопром. предприятий, включающих в себя шахты, обогатительные фабрики и пр. Широкое использование электронныхцифровых вычислительных машин (ЭЦВМ) для управления производством особо повлияло на многообразие ИСУ, с которым теперь приходится сталкиваться (см. Управляющая вычислительная машина). Классическим примером в этом смысле может служить ИСУ крупными металлург, предприятиями. На рис. 1 приведена такого рода система управления металлург, комбинатом, имеющая

четырехуровневую иерархию ЭЦВМ. В комбинат входят коксовые печи и цехи: шихтовый, чугуноплавильный, сталеплавильный, слябинговый, горячей и холодной прокатки и обработки изделий. ЭЦВМ верхнего уровня (1) предназначается для решения генеральных задач планирования, эконом, прогнозирования, регулирования запасов и др. задач чисто организационного, а не технологического характера. ЭЦВМ 3-го уровня (2 и 3) используются для составления долгосрочных календарных планов работы комбината, причем одна из них (2) предназначена для планирования работы подготовительных цехов (коксового, чугунолитейного и сталеплавильного), а с помощью второй — (3) осуществляется составление календарных планов работы для остальных цехов и участков.

1. Иерархическая система управления металлургическим комбинатом.

С помощью ЭЦВМ 2-го уровня иерархии (4—9) осуществляется разработка краткосрочных детальных календарных планов работы для каждого из цехов, а также производится сбор и обработка информации, необходимой для осуществления процесса автоматизированного управления работой цехов и их отдельных участков. ЭЦВМ 1-го уровня (10—16) предназначены для автомат, управления технологическими процессами и отдельными агрегатами (шихтовочными машинами, домнами, конвертерами и пр.).

Иерархические структуры встречаются также в различных системах административного управления, системах управления военными операциями, а также при изучении разнообразных проблем экономики, напр., система управления нар. х-вом СССР может быть представлена в виде семиуровневой иерархической структуры (рис. 2). Первые три нижних уровня относятся к проблематике, связанной с решением задач автоматического или автоматизированного (т. е. с участием человека) управления производством. На этих уровнях большую роль в процессе управления играют автомат. средства, а не человек, в то время как на остальных (верхних) уровнях осуществляется административное и организационное (планирование экономики) управление, и большее значение в процессе этого управления принадлежит людям, а не автомат, устройствам.

Часто иерархические структуры встречаются II при решении различных вычислительных задач, в графов теории, в логике математической, лингвистике математической, программировании эвристическом и во многих др. случаях. Столь широкое распространение ИСУ и универсальный характер их обусловлен рядом преимуществ, которыми они обладают по сравнению с системами централизованного (радиального) управления. Оси. из преимуществ: 1) свобода локальных действий (в течение интервалов времени, обусловленных моментами поступления управляющих воздействий со стороны вышележащего по иерархической лестнице уровня); 2) возможность целесообразно сочетать различные для каждого из уровней системы локальные критерии оптимальности и глобальный критерий оптимальности системы в целом; 3) отсутствие необходимости пропускать очень большие потоки информации через один пункт управления, т. к. при использовании ИСУ информация с нижнего уровня передается на верхний в осреднением (обобщенном) виде; 4) повышенная надежность системы управления и большие возможности введения элементной избыточности в систему на необходимом уровне управления; 5) гибкость системы управления и широкие возможности приспособления ее к изменяющимся условиям; 6) универсальность при решении однотипных в целом, но отличающихся в деталях проблем управления; 7) в ряде случаев — экономическая целесообразность по сравнению с системами управления иной структуры. Поэтому ИСУ уделяется большое внимание и производятся попытки построить теорию, позволяющую рационально проектировать ИСУ для самых различных целей. Основными разделами теории ИСУ, разработанными к настоящему времени в определенной мере, являются: а) структурный анализ и синтез ИСУ, б) проблема координации действий ИСУ, в) оптимизация функционирования ИСУ.

Задачи структурного анализа и синтеза ИСУ весьма разнообразны. Многое в этих вопросах зависит от того признака, который положен в основу при подразделении сложной системы на соответствующие уровни иерархии. При этом одну и ту же систему можно расчленять на различное к-во уровней иерархий в зависимости от того, какой признак положен в основу при построении структуры ИСУ. Чаще всего это организационный признак и это позволяет отображать фактически существующую субординацию. Напр., при рассмотрении административных или военных проблем этот подход является вполне естественным, да и в большинстве других случаев имеются основания принять в качестве основного организационный принцип. Это утверждение справедливо, в частности, и при выборе структуры управления многими производствами и в иных случаях. При этом каждый из уровней можно подразделять еще на ряд подуровней уже по другому признаку. В качестве последнего можно, в частности, использовать избранный принцип управления: 1) с отрицательной обратной связью, 2) с самонастройкой или, вообще, адаптивный, 3) обучение,

4) самоорганизация и др. На рис. 3, а изображена схема, которая демонстрирует расчленение ИСУ на осн. уровни по указанным на рис. признакам с дальнейшим подразделением каждого из уровней на подуровни в соответствии с осн. принципами управления. В ряде других случаев подразделение на осн. уровни или расчленение осн. уровней на подуровни можно производить по признаку, характеризующему определенный аспект деятельности системы. Так, на рис. 3, б указано такого рода подразделение на три уровня, характеризующих технологический, информационный и эконом, аспекты функционирования ИСУ.

(см. скан)

2. Иерархическая структура системы управления народным хозяйством СССР (по В. А. Трапезникову).

Иногда процесс расчленения на уровни по последнего рода признакам именуют спец. термином — стратифицированием системы, а сами уровни называются стратами.

Подразделение системы на иерархически связанные друг с другом уровни производят и по временному признаку. В этом случае в основу при отнесении элементов к тому или другому уровню кладется величина интервала времени, через который необходимо вмешательство последующего уровня в процесс управления предыдущим уровнем для обеспечения нормального функционирования системы.

На рис. 3, в приведен пример подразделения ИСУ на уровни по такому признаку применительно к задаче управления энергетической системой. Подразделение на уровни и по организационному и по временному признакам может приводить либо к одной и той же структуре, либо — к разным. Расчленение по временному признаку оказывается весьма целесообразным при проведении теоретического исследования ИСУ, т. к. в этом случае каждый из уровней можно изучать независимо от других в течение отрезка времени, протекающего от одного момента подачи сигнала управления с верхнего уровня на нижний до следующего такого же момента. Это обстоятельство и обуславливает относительную локальную независимость подсистем, входящих в ИСУ.

ИСУ образуется также в результате расчленения какой-либо сложной задачи на более простые подзадачи. Полагают, в частности, что мозг человека устроен так, что в процессе принятия решения интуитивно более сложная задача сводится к иерархии менее сложных задач.

Приведенные различные признаки (или свойства) использовались для построения иерархической структуры «по вертикали». Элементы внутри одного и того же уровня могут быть при этом либо связаны друг с другом непосредственно, либо не связаны. Однако и во втором случае будет осуществляться косвенная связь между ними через верхний уровень. Напр., это может быть в том случае, если критерий оптимальности последующего уровня функционально зависит от локальных критериев подсистем предшествующего ему уровня. Этим системы с иерархической структурой существенно отличаются от обычных многосвязных систем, т. к. в последних при отсутствии непосредственной связи между элементами система распадается на отдельные, не связанные друг с другом части. Каждый из элементов, входящих в тот или иной уровень ИСУ, может сам по себе иметь достаточно сложную структуру. Напр., это может быть самонастраивающаяся, самообучающаяся или самоуправляющаяся система автомат, регулирования. Так, на рис. 4, а изображена

двухуровневая ИСУ, состоящая из двух (может быть и больше) самоуправляющихся подсистем, соединенных во втором уровне иерархии по принципу отрицательной обратной связи.

Все ИСУ, независимо от их природы, можно подразделить на два больших класса: ИСУ с обратными связями, когда информация с нижнего уровня передается на близлежащий верхний уровень (или несколько верхних уровней), и ИСУ с прямыми связями управления, когда имеются только сигналы управления, идущие с верхнего уровня на близлежащий нижний.

(см. скан)

3. Подразделение иерархических систем управления: а — по организационному признаку и по принципам управления: 6 — по технологическому, информационному и экономическому признакам; в — по временному признаку.

В этом случае структура ИСУ имеет вид «дерева». ИСУ с обратными связями имеют существенные преимущества по сравнению с ИСУ, не имеющими таковых.

Осн. задачами, возникающими при исследовании ИСУ, являются задачи анализа и задачи синтеза иерархических систем. Задачи анализа встречаются при изучении уже существующих объектов, а задачи синтеза — при проектировании новых систем. В последнем случае приходится решать вопрос о необходимом к-ве уровней иерархии, в связи с чем и проводились попытки решить задачу о выборе оптим. к-ва уровней иерархии как задачу вариационного исчисления. Для решения задач анализа ИСУ находят широкое применение методы теории графов.

Проблема координации управляющих воздействий является специфичной для ИСУ, хотя существенны и стандартные задачи: устойчивости движения, определения качества переходных процессов, условий автономности, инвариантности, чувствительности и др. (см. Устойчивости дискретных систем теория, Инвариантность систем автоматического управления). Задача координации ИСУ сводится к отысканию тех принципов (законов управления), которые можно положить в основу при определении воздействий передаваемых с каждого из верхних уровней на подсистемы соседнего нижележащего уровня. Всегда возникает также необходимость искать целесообразный способ координации действий между подсистемами одного и того же уровня в ИСУ. Было предложено несколько принципов, пригодных для указанной только что цели. Один из них — принцип предсказаний взаимодействий — заключается в том, что управляющие воздействия с какого-либо верхнего уровня распределяются между подсистемами соседнего нижнего уровня таким образом, что каждая из подсистем становится автономной относительно всех других подсистем этого же уровня. Фактически этот принцип (как и другие) разработан только применительно к двухуровневым системам, но полагают, что многоуровневые системы можно подразделять на двухуровневые группы и для каждой такой группы можно использовать разработанный метод. Два других известных принципа координации именуют принципом баланса взаимодействий

и принципом оценки взаимодействий. На рис. 4, б изображена двухуровневая ИСУ с двумя подсистемами на первом уровне, с помощью которой можно наглядно продемонстрировать сущность принципов координации. Первый уровень управляет объектами подавая на вход их соответственно управляющие воздействия Второй уровень (координатор ) управляет регуляторами подавая на них координирующие воздействия — соответственно .

(см. скан)

4. Двухуровневая иерархическая система управления.

Вмешательство координатора проявляется в том, что от значений зависят управляющие воздействия и это обозначают в виде . В общем случае могут зависеть одновременно от тогда это обозначают как где Система наз. координируймой, если найдены такие значения у, что удовлетворяют общей цели, поставленной перед системой. Значения управляющих воздействий удовлетворяющие условию координируемости, обозначают через Для осуществления процесса координации существенное значение имеют величины характеризующие перекрестные взаимодействия между управляемыми объектами Текущие значения этих величин их и передаются к координатору и путем сопоставления их со значениями удовлетворяющими условиям координируемости системы, определяют ошибки рассогласования и используют их для построения алгоритма функционирования координатора. Стратегия координации, при которой значения управляющих воздействий удовлетворяют общей цели системы, когда принципом баланса взаимодействия. Если же последние соотношения заменяются на где допускаемый диапазон изменений взаимодействий то принцип координации именуют принципом оценки взаимодействий.

Фактический выбор той или иной стратегии координации производится на основе сопоставления результатов теоретических расчетов, моделирования и эвристических соображений. Теоретические расчеты сводятся к построению соответствующей итерационной процедуры, базирующейся на одном из известных, но специально для этой цели модифицированном методе оптимального управления. В частности, разработаны различные градиентные и интегральные процедуры (подача сигнала об интегральном значении величин к координатору) для обеспечения условия координации Рассматривались также вопросы сходимости этих процедур, выбора момента окончания итерационного процесса и др.

При исследовании более сложных ИСУ, имеющих больше двух уровней, характер задач при переходе от уровня к уровню будет существенно изменяться. Так, если для нижних уровней характерны именно описанные выше методы координации, то для средних уровней (проблемы информационного характера, связанные и с организационным и с административным управлением) задачи координации могут быть уже иными, а для верхних уровней, на которых решаются задачи чисто эконом, характера и долгосрочного планирования и прогнозирования, они приобретают и иной, еще более сложный характер. Считается, что по мере перехода от нижних уровней к верхним, решение задач все более и более затрудняется, так как приходится оперировать все с менее и менее достоверной информацией, и объема ее обычно не хватает для качественного

осуществления процесса управления (см. Управление с адаптацией). Однако уже хорошо известно, что только решение задач для всех уровней, а не только для нижних, позволяет действительно достичь существенных экономических результатов при использовании ИСУ.

Лит.: Коекин А. И. Оптимизация надежности и структуры иерархических систем управления. «Автоматика и телемеханика», 1965, т. 26, в. 11; Кухтенко А. И. О теории сложных систем с иерархической структурой управления. В кн.: Сложные системы управления. К., 1966; Куликовский Р. Оптимальное управление сложными иерархическими системами. В кн.: Труды III Международного конгресса Международной федерации по автоматическому управлению, т. 3. М., 1971; Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. Пер. с англ. К., 1973.

А. И. Нухтенко.