ПроектАСОИУ - Камышинский технологический институт

Реклама
Б. А. Сидристый
Проектирование
автоматизированных систем
управления и обработки
информации.
Организационные системы
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)
ГОУ ВПО «ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Б. А. Сидристый
ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ.
ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Учебное пособие
Волгоград
2010
1
УДК 658.012.011.56 (075.8)
С 34
Рецензенты: кафедра информационных технологий математического
факультета Поморского государственного университета им. М. В. Ломоносова; д. т. н., профессор, зав. кафедрой прикладной математики Поморского государственного университета им. М. В. Ломоносова В. А. Воробьев
Сидристый, Б. А. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ. ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ:
учеб. пособие / ВолгГТУ, Волгоград, 2010. – 120 с.
ISBN 978-5-9948-0479-7
Содержится необходимый теоретический материал, позволяющий
читателю познакомиться со всеми аспектами проектной деятельности
при разработке АСОИУ организационных систем. Описывается широкий
спектр методов математического и экспертного моделирования объектов
проблемной области задач управления организациями. Излагается системный взгляд на проблемы организационного управления, системный
подход к решению разнообразных задач проектирования АСОИУ. Дается
системное описание самого процесса проектирования.
Предназначено для инженеров, научных работников, аспирантов и
студентов, обучающихся по специальности 220200 «Автоматизированные системы обработки информации и управления» (код ОКСО 230102).
Ил. 19.
Табл. 3.
Библиогр.: 5 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Волгоградского государственного технического университета

ISBN 978-5-9948-0479-7
2
Волгоградский
государственный
технический
университет, 2010
Оглавление
Список аббревиатур…………………………………………………
Введение……………………………………………………………..
Глава 1. Теоретические вопросы АСОИУ организационных систем……………………………………………………….…………..
1.1. Основные определения……………………………...……...
1.2. Виды структурной организации АСОИУ………………….
1.3. Классификация АСОИУ……………………………..……..
1.4. Закономерности функционирования и развития АСОИУ
1.5. Задания и контрольные вопросы к 1 главе ………….……
Глава 2. Цели в АСОИУ организационных систем. ……………..
2.1. Проблемы формулирования целей….……………………..
2.2. Методики структуризации целей……………….…………
2.3. Формализация процесса структуризации целей. Анализ…
2.4. Задания и контрольные вопросы ко 2 главе..……….……
Глава 3. Моделирование АСОИУ организационных систем…….
3.1. Формальные и неформальные методы моделирования .…
3.2. Методы моделирования с применением теории множеств
и математической логики………………………..…………………
3.3. Язык формализованного описания задач…………….……
3.4. Аналитические и стохастические методы моделирования.…
3.5. Методы моделирования с применением математической
лингвистики и семиотики……………………..……………………
3.6. Методы моделирования с применением теории конечных
автоматов……………………………………………………………
3.7. Методы, направленные на активизацию использования
интуиции и опыта специалистов (МАИС)……….……………..…
3.8. Задания и контрольные вопросы к 3 главе .....…….........…
Глава 4. Проектирование АСОИУ организационных систем……
4.1. Общая характеристика процессов проектирования АСОИУ…
4.2. Информационное обеспечение…………………………….
4.3. Математическое обеспечение……………………………...
4.4. Техническое и организационное обеспечение…………....
4.5. Управление проектом АСОИУ. Типизация проектных
решений…………………….………………………………………..
4.6. Графические средства представления проектных решений. Инструментальные средства проектирования АСОИУ……
4.7. Проектная документация при разработке АСОИУ…...…..
4.8. Задания и контрольные вопросы к 4 главе...…....…………
Список использованной литературы……………..…..………..…..
3
4
5
6
6
11
17
21
27
28
28
32
41
49
50
50
54
58
63
68
75
80
85
87
87
91
97
101
106
109
114
117
118
СПИСОК АББРЕВИАТУР
А-грамматики – автоматные грамматики
АСОИУ – автоматизированная система обработки информации и
управления
АСУ – автоматизированная система управления
АСУО – автоматизированная система управления объединением
АСУП – автоматизированная система управления предприятием
АСУПП – автоматизированная система управления производственными процессами
АСУТП – автоматизированная система управления технологическими процессами
ГОСТ – Государственный отраслевой стандарт
ИПЯ – информационно-поисковый язык
КС-грамматики – контекстно-свободные грамматики
КСС – критерий смыслового соответствия
ЛВС – локальные вычислительные системы
МАИС – методы, направленные на активизацию использования интуиции и опыта специалистов
МФПС – методы формализованного представления систем
НС-грамматики – грамматики непосредственных составляющих
НУ-грамматики – неукорачивающие грамматики
ПОД – поисковый образ документа
ПОЗ – поисковый образ запроса
ПФУ – полная функция управления
СУБД – система управления базами данных
ТПР – типовые проектные решения
ТСП – технологическая сеть проектирования
ЯЗ – язык запросов
ЯМД – язык манипулирования данными
ЯОД – язык описания данных
4
ВВЕДЕНИЕ
Теория и практика разработки и использования систем автоматизированной обработки информации охватывает много направлений, начиная с управления техническими системами и технологическими процессами на предприятиях и заканчивая управлением регионами и даже государством в целом. В этом многообразии объектов управления можно выделить класс таких объектов, для которых существенным является
человеческий фактор в том смысле, что здесь наряду с техническими системами в качестве управляемых элементов выступают люди, трудовые
коллективы, население региона и так далее, а среди задач управления
существенную часть занимают организационные вопросы такие, как планирование, оперативное регулирование деятельности предприятия, организации или региона, учет и контроль. Подобного рода объекты управления мы будем называть организационными системами в отличие от технических систем, где основное внимание сосредотачивается на поддержании должных значений одного или группы заранее оговоренных
параметров, описывающих текущее состояние управляемого объекта.
Задачи проектирования автоматизированных систем обработки информации и управления организационными системами для своего решения требуют применения самых разнообразных подходов и математических методов моделирования и формализации описания объектов соответствующей проблемной области. Отличительной особенностью этих
задач является большая изначальная неопределенность при их формулировке. По этой причине проектирование АСОИУ организационных систем должно осуществляться с использованием методов системного анализа, которые позволяют достичь успеха при решении столь сложных вопросов.
Данное учебное пособие содержит необходимый теоретический материал, позволяющий читателю познакомиться со всеми аспектами проектной деятельности при разработке АСОИУ организационных систем. В
доступной и понятной форме описывается широкий спектр методов математического и экспертного моделирования объектов проблемной области задач управления организациями. Излагается системный взгляд на
проблемы организационного управления, системный подход к решению
разнообразных задач проектирования АСОИУ, даётся системное описание самого процесса проектирования. Подробно рассмотрена важная для
организационных систем проблема целеполагания и представлена методика перехода от целей существования организационной системы к ее задачам управления путем структуризации этих целей.
5
Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ АСОИУ ОРГАНИЗАЦИОННЫХ
СИСТЕМ
1.1. Основные определения
В настоящее время в теории и практике разработки и использования
систем автоматизированной обработки информации обозначено много
направлений:
 отраслевые автоматизированные системы управления (АСУ в
торговле, АСУ статистики, АСУ образовательных учреждений, АСУ финансовых учреждений и пр.),
 автоматизированные системы управления территориями или регионами (например, АСУ-город),
 автоматизированные системы управления предприятиями (АСУП),
 автоматизированные системы управления производственными
процессами (АСУПП),
 автоматизированные системы управления технологическими
процессами (АСУТП),
 автоматизированные информационные системы (АИС) – под
АИС в настоящее время понимаются системы, связанные с процессами
обработки больших объемов информации специальных видов:
– фактографической информации (справочные, библиографические
и прочие системы),
– информации, представленной в тестовых документах (документальные системы),
– картографической информации,
– баз знаний (экспертные системы) и прочих специальных видов
данных.
Границы между перечисленными видами автоматизированных систем размыты, так как эти системы обладают общими составляющими и
свойствами как с точки зрения их разработки, так и с точки зрения их
эксплуатации.
Первые три вида автоматизированных систем являются системами
организационного управления, в то время как остальные системы решают
вопросы управления процессами производства изделий (АСУПП,
АСУТП) и процессами обработки больших объемов информации (АИС).
Как правило, АСУПП, АСУТП и АИС входят в системы организационного управления в качестве их составных частей. В дальнейшем мы основной упор будем делать на системы организационного управления.
В настоящее время средства автоматизации настолько органично
вплетаются в процессы управления на объектах, в которых они используются, что составляют вместе с объектом управления единое и неразрывное целое. Иными словами, АСОИУ – это автоматизированное под6
разделение предприятия (если автоматизируется некоторое подразделение предприятия), автоматизированное предприятие в целом (если автоматизируется большинство функций на предприятии), автоматизированный регион или отрасль (если автоматизируются функции управления регионом или отраслью). Такие автоматизированные системы обработки
информации и управления мы будем называть организационными АСОИУ
или просто организационными системами.
В процессе проектирования организационная система на современном этапе рассматривается как некоторая человеческая система, то есть
такая система, в которую в качестве ее элементов, кроме всего прочего,
входят люди, выполняющие определенные ее функции, решающие в связи с этим определенные задачи и составляющие собою совокупный или,
как еще говорят, соборный интеллект системы. К организационным системам применяются те же положения теории управления, которые используются в технических системах, однако в данном случае есть и свои
особенности.
Используются следующие фундаментальные понятия теории управления.
1. Объект управления – это часть системы, которой управляют, а
управляющий орган (субъект управления) – это та часть системы, которая
осуществляет управление.
2. Внешняя среда – это окружающая обстановка, в которой система
существует. Модель объекта управления и модель внешней среды это совокупность представлений о поведении объекта управления и внешней
среды, которыми пользуется управляющий орган системы. В организационных системах эти модели частично представляются в виде формальных
описаний (например, в виде совокупности математических формул или в
виде алгоритмических описаний), частично – в виде обычного текста или
в виде интуитивных представлений персонала системы на сознательном и
бессознательном уровнях, которые, тем не менее, используются в процессе управления.
3. Вектор целей управления – иерархически упорядоченная совокупность целей, которых система стремится достичь в процессе своей деятельности. Отдельные составляющие этого вектора называются частными целями. Упорядоченность частных целей в векторе целей отражает их
приоритет. Порядок, обратный приоритетному, – это порядок вынужденного отказа от достижения частных целей в случае невозможности достижения их полной совокупности. Каждая из частных целей оценивается
параметром, определяющим степень достижения этой цели.
Например, в качестве цели может выступать стремление получить
максимально возможный доход фирмы за определенный период времени,
тогда в качестве параметра для оценки степени достижения этой цели
7
выступает величина этого дохода. В общем случае параметр для оценки
степени достижения цели может представлять собой более сложную информационную конструкцию, нежели простое число. Например, для
оценки качества производимого фирмой товара может выступать удовлетворенность покупателей этим товаром. Оценка степени удовлетворенности покупателей товаром, как правило, выливается в отдельную достаточно сложную задачу.
Необходимо заметить, что приоритет частных целей в векторе целей
является существенным фактором, который кардинально влияет на деятельность системы. Например, если получение максимума прибыли фирмы выбрать в качестве цели с наивысшим приоритетом (прибыль несмотря ни на что), то это приведет к одному характеру деятельности
фирмы, может быть даже где-то к криминальному ее характеру. Выбор
же в качестве цели с максимальным приоритетом получение максимума
прибыли при соблюдении законности деятельности фирмы приведет совершенно к другому характеру деятельности.
4. Вектор контрольных параметров – иерархически упорядоченная
совокупность параметров, предназначенных для оценки степени достижения частных целей вектора целей системы. Порядок значений параметров в этом векторе отражает порядок соответствующих частных целей в векторе целей. Значения контрольных параметров, воспринимаемые субъектом управления, описывают ее реальное поведение. Но поскольку восприятие реального состояния системы не идеально, то всегда
присутствует некоторая ошибка в определении истинного состояния, которая может быть как допустимой, так и недопустимой для целей управления системой в данном конкретном случае. Контрольные параметры
часто называются также критериями управления.
5. Вектор ошибки управления – это расхождение между желаемыми
и реальными значениями в векторе контрольных параметров. Вектор
ошибки является основой для формирования оценки качества управления
в системе.
6. Вектор управляющих воздействий (параметров) – это совокупность параметров, характеризующих управляющие воздействия на объект
управления, а также на внешнюю среду системы. Значения управляющих
параметров в системе меняются непосредственно по произволу субъекта
управления. Например, процент отчислений на заработную плату работникам торгового отдела от выручки за проданный товар в торговой фирме или величина премий работникам фирмы за прошедший месяц, квартал
или год. Список управляющих параметров системы может быть иерархически упорядоченным (управление в нормальных условиях, управление в
опасных обстоятельствах, управление в аварийной обстановке и т. п.).
8
7. В модели объекта управления системы наряду с указанными выше
контрольными параметрами и параметрами вектора управляющих воздействий могут присутствовать и ряд других параметров, характеризующих состояние системы. Они называются свободными параметрами. Состав свободных параметров системы также не постоянен и может меняться
в процессе управления в результате изменений в системе представлений об
объекте управления и внешней среды. Значения свободных параметров
лежат в объективно или субъективно обусловленных множествах значений и могут зависеть от поведения внешней среды. Совокупность параметров всех указанных типов образуют вектор состояния системы.
В отличие от технических систем в организационных системах, как
правило, не удается так регламентировать управление системой, чтобы
добиться постоянства состава всех векторов, перечисленных выше. Это
происходит из-за сложности объекта управления и его взаимодействия с
внешней средой, а также из-за объективно существующей неопределенности в поведении элементов системы и внешней среды. По этой причине
состав всех перечисленных векторов, в том числе и вектора состояния
системы, в процессе управления может меняться.
8. Устойчивость системы по предсказуемости – это свойство системы, которое заключается в том, что ее поведение под воздействием
внешней среды, внутренних изменений и управления в определенной мере предсказуемо. Если система не обладает устойчивостью по предсказуемости, то, очевидно, управление ею невозможно. Например, не вполне
опытный шофер, въехав на скользкий участок дороги и передвигаясь по
нему, может резко затормозить, ожидая при этом реакции автомобиля как
при езде по сухому асфальту. Автомобиль при этом теряет управляемость, его заносит в сторону, и он переворачивается. Налицо неустойчивость системы по предсказуемости в изменившихся условиях внешней
среды. Шофер подсознательно ожидал (предсказывал) совсем другое поведение автомобиля, нежели то, которое получилось. Таким образом,
устойчивость системы по предсказуемости определяется адекватностью
заложенной в нее модели объекта управления и внешней среды (то есть,
представлений об их поведении) реальному их поведению.
Аналогичная ситуация возникает и при управлении различными
предприятиями и организациями, когда резко изменяется внешняя политическая и экономическая обстановка. В нашей стране в результате смены политического режима и галопирующей инфляции все экономические
субъекты попали в условия, когда прежние, привычные представления
оказались неадекватными действительности. Руководство большинства
предприятий и организаций страны не сумело вовремя перестроить свои
представления и стереотипы поведения в новой экономической и политической обстановке. В результате появилась неустойчивость поведения
9
всех экономических систем по предсказуемости и как следствие – банкротство и развал многих предприятий и организаций.
Традиционно в технических системах устойчивость определяется
как способность системы возвращаться в исходный режим существования по всем или по части параметров после того, как внешнее возмущающее воздействие на систему исчезло. Устойчивость по предсказуемости
более общее понятие. Действительно, если система устойчива в классическом смысле, то это означает, что заложенная в нее модель объекта
управления и внешней среды в достаточной мере адекватна действительности, так как управление на ее основе возвращает систему в прежнее состояние после исчезновения возмущающего воздействия. Следовательно,
такая система устойчива и по предсказуемости.
9. Полная функция управления (ПФУ) системы – это деятельность,
охватывающая все необходимые вопросы по управлению системой. В
отличие от технических систем, которые функционируют и должны
функционировать в регламентированных, заранее оговоренных при их
разработке условиях, организационные системы напротив существуют во
внешней среде, которая может изменяться настолько, что эти изменения
порой могут привести к необходимости кардинальной перестройки
управления системой.
Например, в какое-то время руководство некоторой фирмы, занимающейся производством колбасных изделий, узнает, что основной ее конкурент установил у себя новую технологическую линию, которая обеспечивает значительное повышение производительности производства основных сортов колбасы при снижении потерь сырья и при повышенном
качестве продукции. Это, конечно, приведет к снижению себестоимости
продукции и как следствие откроет перед конкурентом широкие возможности завоевания тех секторов рынка, на которые сориентирована данная
фирма. В ответ на этот новый фактор внешней среды руководство фирмы
решает организовать специальную группу, которая должна изучить проблему и выработать предложения по необходимой реорганизации производства и сбыта продукции.
Полная функция управления в АСОИУ реализует поэтапный процесс, начиная от формирования вектора целей и заканчивая их осуществлением. Содержательным фрагментом полной функции является целевая
функция управления, то есть концепция достижения одной из частных
целей вектора целей системы на одном из этапов ее существования. Совокупность целевых функций управления, то есть концепций управления
по отношению ко всем частным целям, образует совокупную концепцию
управления или просто концепцию управления системы.
Полная функция управления в АСОИУ в силу многоплановости и
разнохарактерности условий, в которой ей приходится существовать,
должна включать в себя следующие виды управленческой деятельности.
10
1. Опознавание факторов среды, с которыми сталкивается субъект
управления системы. Эта функция заключается в сборе информации о
внешней среде и объекте управления, в ее должной обработке и анализе
на предмет соответствия существующих представлений (моделей) о поведении объекта управления и внешней среды их реальному поведению,
а также в прогнозировании этого поведения. Например, фирма, занимающаяся производством колбасных изделий, постоянно отслеживает номенклатуру сортов колбасы, качество и цены на аналогичный товар у
своих конкурентов, постоянно следит за технологическими новинками в
области колбасного производства, оценивает степень удовлетворенности
покупателей продукцией фирмы, следит за положением дел у своих поставщиков, за изменениями федерального и местного законов и пр.
2. Формирование стереотипов распознавания факторов среды на
будущее. Эта функция заключается в формировании и корректировке методологических подходов и конкретных методик изучения внешней среды и объекта управления, в формировании и корректировке существующих представлений (моделей) о поведении объекта управления и внешней среды, в прогнозировании этого поведения, а также в использовании
этих методик и моделей в работе.
3. Формирование целей управления. Эта функция заключается в формировании новых составляющих вектора целей в отношении выявленных
факторов среды и в корректировке прежних составляющих вектора целей
в соответствии с меняющейся обстановкой.
4. Формирование целевой функции (концепции) управления на основе
решения задачи устойчивости по предсказуемости и планирование поведения системы на будущее.
5. Организация управляющей структуры, несущей целевую функцию управления, заключается в организации новых или реорганизации
старых элементов структуры системы.
6. Контроль деятельности этой структуры в процессе управления.
7. Ее ликвидация в случае ненадобности или поддержание в работоспособном состоянии до следующего использования.
Полная функция управления может осуществляться только в интеллектуальной системе, которая предполагает творчество субъекта управления как минимум при выявлении факторов среды, формировании вектора целей, формировании новых концепций управления, совершенствовании методологии и навыков прогноза, планирования и анализа при постановке задач управления, а также и в процессе решения этих задач. Говорят,
что система существует в режиме самоуправления, если ее управляющий
орган сам решает все необходимые задачи, составляющие ПФУ.
1.2. Виды структурной организации АСОИУ
АСОИУ, как правило, являются иерархическими системами, то есть
имеют определенную иерархическую структуру. Например, если в каче11
стве АСОИУ выступает автоматизированное предприятие, то в нем имеются различные отделы и подразделения, в которых обязательно решаются определенные управленческие задачи. Если в качестве АСОИУ выступает холдинг, объединяющий несколько организаций, то эти организации являются элементами иерархической структуры холдинга и т. п.
Очевидно, что каждый элемент иерархической структуры АСОИУ как-то
связан с другими ее элементами. Эти связи могут быть разных типов.
Одним из типов этих связей является подчиненность. Причем подчиненность элемента другому элементу структуры, расположенному на верхнем уровне иерархии, может иметь разную силу в зависимости от количества отдельных функций ПФУ, которые выполняет данный элемент в
процессе своей деятельности.
Структуры, у которых каждый элемент нижележащего уровня подчинен только одному элементу, расположенному на более верхнем
уровне, называются структурами типа дерево. Такие структуры являются структурами с сильными связями. Если элементы нижележащего уровня подчиняются не одному, а нескольким элементам вышележащего
уровня, то такие структуры являются структурами со слабыми связями.
На практике важное место занимают многоуровневые иерархические
структуры
1. Стратифицированные многоуровневые иерархические структуры. При описании сложных систем всегда возникает задача поиска компромисса между требованием простоты и необходимостью детального
представления о системе. Одним из путей решения этой проблемы является использование не одной, а семейства моделей описания. Каждая из
моделей семейства описывает поведение системы на соответствующем
уровне абстрагирования, где существуют свои особенности, характерные
черты и принципы. Такое представление названо стратифицированным, а
отдельные уровни абстрагирования – стратами. Например, с точки зрения программиста, ЭВМ может рассматриваться в виде иерархической
структуры из трех страт (рис. 1.1). При представлении систем управления
предприятием страты могут соответствовать сложившимся уровням
управления: управление технологическими процессами (АСУТП), управление производственными процессами (АСУПП) и организационное
управление предприятием (АСУП). Если предприятие входит в объединение, то добавляется страта управления объединением (АСУО).
Начинать изучение системы можно с любой страты. В процессе исследования системы могут добавляться новые страты. На каждой страте
используется свое описание и своя модель, но представление о системе в
целом сохраняется, только если имеется описание на самой верхней страте, то есть описание ее концепции и замысла, которые нужно стремиться
не исказить при раскрытии каждой последующей из страт.
12
ЭВМ
Страта 3
Язык программирования высокого уровня
Страта 2
Ассемблер
Страта 1
Машинные коды
Рис. 1.1. Стратифицированная структура ЭВМ с точки зрения программиста
2. Многослойные иерархические структуры. Такого рода структуры
возникают, когда при решении проблемы в условиях большой неопределенности выделяется несколько уровней, на которые процесс этого решения разбивается. Эти уровни и называются слоями. При этом на каждом
слое степень неопределенности снижается. Примером может служить
разбиение проблемы управления предприятием на такие слои, как перспективное планирование, текущеее (годовое) планирование и оперативное
управление производственными процессами, снабжением и сбытом.
На самом верхнем слое – слое перспективного планирования – решаются задачи прогнозирования поведения внешней экономической среды на достаточно длительный промежуток времени в несколько лет. В
результате такого прогнозирования определяются новые факторы внешней среды и формируются соответствующие цели, которые определят
развитие предприятия на период планирования. Далее формируется перспективный план, который задает основные параметры развития предприятия по годам. Тем самым снижается уровень неопределенности решения задачи планирования на слое текущего планирования, так как основные параметры на данный год уже известны в результате решения задачи составления перспективного плана.
В процессе текущего (годового) планирования детально прорабатывается поведение в течение предстоящего года: когда и что закупать, когда, что и в каком объеме производить, какие договоры и с кем заключать, какие мероприятия по подготовке и переподготовке кадров выполнять и так далее. В результате формируется входная информация для решения задач на слое оперативного управления.
В процессе оперативного управления осуществляются конкретные
действия по реализации разработанных планов.
Многослойная иерархическая структура процесса управления предприятием может быть отражена в его организационной структуре в виде
13
наличия планового отдела, в функции которому будет вменено перспективное и текущее планирование, и в виде наличия производственного отдела, осуществляющего оперативное управление производством.
3. Многоэшеленные иерархические структуры. Для АСОИУ больших масштабов система представляется в виде относительно независимых, взаимодействующих между собой подсистем, иерархически связанных друг с другом по принципу подчиненности. При этом некоторые из
этих подсистем (или все) имеют права самостоятельного принятия решений. В иерархической структуре системы ее подсистемы распределены
по уровням иерархии (рис. 1.2), которые называются эшелонами.
Эшелон 3
Координация
...
Эшелон 2
Координация
...
...
Эшелон 1
Управление
Управляемый процесс
Рис. 1.2. Многоэшелонная структура управления
Например, какое-то количество компаний может объединиться в
холдинг для совместной координированной деятельности. В свою очередь, компании могут иметь в своей структуре дочерние предприятия и
филиалы. Тогда холдинг в целом составляет 3-ий эшелон, входящие в него компании составят 2-ой эшелон, а дочерние предприятия и филиалы –
1-ый эшелон. Каждое отдельное предприятие или организация этой
структуры имеет право принимать самостоятельные решения, которые,
вообще говоря, могут быть и противоречивыми. Другими словами, в
структуре могут возникать конфликты. Однако эти конфликты могут разрешаться за счет взаимодействия элементов структуры одного эшелона
непосредственно друг с другом на принципах коалиции либо за счет координирующего управления со стороны вышестоящего уровне иерархии.
Причем управляющие воздействия вышестоящего уровня могут быть
разной силы. Это могут быть приказы и распоряжения, подлежащие
неукоснительному выполнению, или некоторая координирующая информация, которая принимается к сведению. Допустимые формы взаимодействия организаций внутри такой структуры отражаются в соответствующих договорах и других нормативно-правовых актах.
14
4. Смешанные иерархические структуры. В реальных системах организационного управления (особенно на уровне регионов или государства) могут одновременно использоваться несколько видов структур из
перечисленных выше. Такие структуры называются смешанными. При
этом основой объединения структур могут служить страты, когда, поднимаясь от одного уровня управления к другому, мы имеем более обобщенные и более абстрагированные модели управляемых экономических и
общественных процессов. Поэтому смешанные структуры можно считать
развитием стратифицированного представления. В смешанных структурах могут иметь место как вертикальные взаимодействия между подсистемами разных уровней иерархии, так и горизонтальные взаимодействия
между подсистемами одного уровня.
Директор
Нач. производства 1
Начальник цеха 1
Нач. производства 2
...
...
Нач. производства N
Начальник цеха К
Рис. 1.3. Линейная структура управления на предприятии
На уровне современного предприятия его структура управления часто строится по линейно-функциональному принципу, совмещая в себе
линейную и функциональную модели управления. Линейное управление
организовывается на основе производственной структуры предприятия и
реализует принцип единоначалия на предприятии (рис. 1.3), когда на руководителей структур возлагается полная ответственность за всю деятельность, осуществляемую в рамках данной структуры, а руководители
нижележащих звеньев неукоснительно подчиняются своим вышестоящим начальникам.
Функциональное управление обеспечивает единую политику и централизацию решения управленческих задач по основным укрупненным
функциям организации производственного процесса (техническая и технологическая подготовка производства, материально-техническое обеспечение процесса производства, сбыт готовой продукции, обслуживание
электрических сетей, обслуживание и ремонт оборудования, обслуживание сетей связи и средств вычислительной техники, финансовое, кадровое и другие виды обеспечения производства). В функциональных структурах (рис. 1.4) реализуется принцип функционального деления ответственности между руководителями. Например, заместитель директора по
15
производству отвечает за работу всех производственных подразделений в
части производства продукции, главный инженер отвечает за работу оборудования во всех подразделениях и руководит людьми в каждом подразделении, обслуживающими там оборудование, заместитель по экономике отвечает за экономические вопросы во всех подразделениях и руководит экономистами подразделений и т. д.
Линейная и функциональная структуры управления в чистом виде не
используются. Линейная структура не применяется из-за того, что от руководителей подразделений в этом случае требуется решать все аспекты
деятельности, с которыми подразделение прямо или косвенно сталкивается (собственно производство, обслуживание оборудования, экономика,
снабжение, сбыт и пр.), что весьма затруднительно, так как требует от
человека универсальных знаний во всех этих областях. Самым существенным недостатком функциональной структуры является сложность в
координации работы функциональных руководителей, каждый из которых отвечает только за свой круг вопросов.
Директор
Заместитель по
производству
Начальник цеха 1
Главный
инженер
...
...
Заместитель по
экономике
Начальник цеха К
Рис. 1.4. Функциональная структура управления на предприятии
В случае смешанной линейно-функциональной структуры управления в производственных подразделениях (цехах) остаются только работники, непосредственно занятые производством продукции. Персонал, обслуживающий оборудование, объединяется в службу главного механика,
подчиненную главному инженеру, для обслуживания электрических сетей при главном инженере организуется отдел главного электрика, для
обслуживания средств вычислительной техники и связи организуется
вычислительный центр и т. п. Решение всех экономических вопросов сосредотачивается в планово-производственном отделе, подчиняющемся
заместителю директора по экономике, решение вопросов снабжения и
сбыта продукции сосредотачивается в отделах снабжения и сбыта, подчиняющихся коммерческому директору и т. д.
5. Матричные (проектные) иерархические структуры решают вопросы управления проектами. При матричной организации управления
16
исполнители имеют двойное подчинение (рис. 1.5) со стороны функциональных руководителей, которые решают вопросы "как", и со стороны
руководителя проекта, который решает вопросы "что" и "когда". Руководитель проекта получает право набирать исполнителей, решать финансовые и материально-технические проблемы.
Руководитель предприятия
Линейные и функциональные органы
Руковод. проекта 1
И
И
И
Руковод. проекта 2
И
И
И
Рис. 1.5. Матричная структура управления проектами
1.3. Классификация АСОИУ
Классификация АСОИУ осуществляется по разным признакам в зависимости от решаемой задачи. Классификации всегда относительны.
Например, по виду управляемого объекта АСОИУ подразделяются на
технические (АСУПП, АСУТП), информационные (АИС) и организационные. Однако в технических АСОИУ при ближайшем рассмотрении
решается много и организационных вопросов, так как в процессе управления такими АСОИУ (в особенности АСУПП) непосредственное участие принимает человек. Кроме того, в них могут использоваться и ручные операции, которые либо трудно, либо не имеет смысла автоматизировать. Много организационных вопросов присуще и АИС, кроме того, в
любой организационной АСОИУ часто возникает необходимость в обработке больших объемов информации, например, при создании и сопровождении нормативно-справочной документации или при обработке входящей и исходящей корреспонденции.
1. Открытые и закрытые системы. АСОИУ является открытой системой, если она обменивается информацией с внешней средой. В противном случае АСОИУ является закрытой системой. Конечно, на самом
деле абсолютно закрытых АСОИУ не существует. Любая система в той
или иной мере в своей работе пользуется информацией извне, например,
для организации обратных связей в технических системах с целью обеспечения устойчивости. Вопрос заключается в характере использования
информации извне. Если система способна сохранять свой высокий уровень и даже развиваться, заменяя в случае необходимости свои цели
17
управления, совершенствуя свою структуру и свою продукцию в ответ на
меняющуюся внешнюю обстановку, то такая система, безусловно, является
открытой.
2. Хорошо организованные системы. АСОИУ является хорошо организованной системой, если при ее создании удалось определить все элементы системы и их взаимосвязи между собой, а также взаимосвязи с целями системы в виде детерминированных аналитических, алгоритмических и графических зависимостей, то есть удалось определить детерминированную модель объекта управления и его внешней среды. Как
правило, это удается сделать только в технических АСОИУ. Однако любое моделирование систем осуществляется с определенной точностью.
При описании поведения сложного объекта в виде какой-то схемы или
системы уравнений приходится выделять существенные и не учитывать
несущественные компоненты этого объекта. Например, показания датчиков при управлении некоторым технологическим процессом верны с
определенной точностью, с определенной точностью осуществляется отработка управляющих воздействий в системе и прочее.
В хорошо организованных системах задачи выбора целей и определения средств их достижения не разделяются. Поведение объекта управления и внешней среды могут быть описаны выражениями, связывающими цель со средствами в виде целевой функции, которая может быть
представлена сложным уравнением, формулой, системой уравнений или
неравенств. Представление объекта управления в виде хорошо организованной системы применяется в тех случаях, когда можно предложить детерминированное описание (модель) объекта и экспериментально доказать правомерность применения этой модели к данному реальному объекту. Попытки создать АСОИУ для предприятия или организации в виде
хорошо организованной системы практически безрезультатны в силу
большой сложности процессов в организационных системах и неопределенности, в которой приходится управлять такими системами.
3. Плохо организованные (диффузные) системы. АСОИУ является
плохо организованной (диффузной) системой, когда не ставится задача
детерминированно определить все компоненты и их связи с целями системы. Объект управления и внешняя среда в этом случае описываются
закономерностями, которые выявляются на основе исследования не всего
объекта, а путем статистического изучения представительных выборок
компонентов, характеризующих этот объект. Например, при решении задачи определения числа автобусов, необходимых на заданном маршруте,
на всех остановках маршрута в разное время суток в течение нескольких
дней и в разное время года собирается информация о количестве пассажиров, ждущих автобус данного маршрута. После статистической обработки собранной информации получаются различные усредненные оцен18
ки численности пассажиров на данном маршруте, а также вероятности
достоверности полученных оценок.
Моделирование объектов управления в виде диффузных систем
находит широкое применение при определении пропускной способности
систем разного рода, при определении численности штатов в обслуживающих (ремонтных) подразделениях предприятия или в обслуживающих население учреждениях (в магазинах, на почте, в банках), при исследовании документальных потоков информации и прочее.
4. Самоорганизующиеся системы. Построение АСОИУ в виде самоорганизующихся систем позволяет решать задачи управления в обстановке большой неопределенности.
Класс самоорганизующихся или развивающихся АСОИУ характеризуется рядом особенностей. Особенности самоорганизующихся АСОИУ
обусловлены наличием в системе активных элементов (то есть, людей),
которые, с одной стороны, полезны для существования системы в целом,
так как обеспечивают приспосабливаемость системы к изменяющейся
внешней среде, а с другой стороны, затрудняют управление системой, так
как имеют свои собственные цели, которые могут не совпадать с целями
системы в целом. Эти особенности заключаются в следующем:
а) нестационарность (изменчивость, нестабильность) отдельных
параметров и стохастичность поведения;
б) уникальность и непредсказуемость поведения системы в конкретных условиях, благодаря наличию в системе активных элементов,
обладающих свободой воли;
в) способность адаптироваться к изменяющимся условиям среды и
помехам, что является полезным свойством, однако, система способна
адаптироваться и по отношению к управляющим воздействиям, что
весьма затрудняет управление;
г) способность противостоять разрушительным тенденциям, которые характерны для закрытых систем, не имеющих активных элементов;
д) способность вырабатывать новые варианты поведения и изменять структуру системы, сохраняя при этом ее целостность и основные
свойства;
е) способность и стремление к целеобразованию в отличие от закрытых (технических) систем, которым цели задаются извне.
Часть из этих особенностей характерна и для диффузных систем
(стохастичность поведения, нестабильность отдельных параметров), но
большинство из рассмотренных особенностей являются специфическими
признаками самоорганизующихся систем, которые отличают их от систем других классов и затрудняют моделирование.
При создании управления в организационных самоорганизующихся
системах (то есть на предприятиях) часто стремятся моделировать их,
используя теорию автоматического регулирования и управления для тех19
нических систем, не учитывая наличия активных элементов. Такой подход к созданию АСОИУ ничего, кроме вреда, предприятию не приносит,
так как делает предприятие "неживым организмом", не способным адаптироваться к внешней среде и разрабатывать варианты своего развития.
Подобным недостатком страдают современные системы управления качеством, при создании которых стараются жестко регламентировать поведение персонала исключительно во всех ситуациях и при управлении
всеми бизнес-процессами на предприятии.
Рассмотренные особенности самоорганизующихся систем противоречивы. Они в большинстве случаев являются положительными и отрицательными, желательными и нежелательными. Их не сразу удается понять и объяснить для того, чтобы выбрать и создать нужную степень их
проявления. Такие системы легче изготовить и ввести в действие, преобразовать и изменить, чем описать какой-либо формализованной математической моделью. В связи с этим формулируется следующая важная
особенность самоорганизующихся систем:
ж) принципиальная ограниченность формализованного их описания.
Эта особенность вызывает необходимость при моделировании самоорганизующихся систем наряду с методами формализованного описания использовать методы качественного анализа, базирующиеся на опыте и интуиции специалистов. При формировании таких моделей меняется привычное представление о моделях, характерное для математического моделирования и прикладной математики. Изменяется представление и о
доказательстве адекватности разрабатываемых моделей.
5. Если помнить, что модель любой системы – это ряд представлений о ней как совокупности ее компонентов, как-то взаимосвязанных
друг с другом, то процесс моделирования самоорганизующихся систем
можно представить себе следующим образом.
5.1. Выбирается подходящая знаковая система (язык) для описания
модели. В случае организационных самоорганизующихся АСОИУ, которые состоят из конечного числа компонентов, подходящими знаковыми
системами, естественно, являются дискретные системы. Это может быть
система теоретико-множественных представлений, которая использует
понятия множества, элементов множества и отношений, определенных на
элементах множества, их парах, тройках и т. д., это может быть система,
использующая понятия теории графов или понятия теории конечных автоматов или что-то другое. Все зависит от изучаемого аспекта в деятельности системы (описание структуры, описание функций, описание информационных потоков и т. д.).
При этом для каждого изучаемого аспекта деятельности системы
может быть выбрана своя знаковая система, в результате полная модель
системы будет представлять собою совокупность ее частных моделей для
каждого аспекта деятельности. Например, для описания производственной структуры фирмы можно выбрать язык теории графов, когда подраз20
деления фирмы представляются узлами графа, а вхождение одних подразделений в другие, более крупные, представляется дугами или ребрами,
как это изображено на рис. 1.6. Здесь, кроме подразделений, узлами
изображены и должностные лица, руководители производств.
Директор
Начальник
производства 1
...
Начальник
производства 2
...
Начальник
производства 3
...
...
Цех 1 . . . Цех K
Рис. 1.6. Линейная структура управления на предприятии, изображенная в виде графа
5.2. В процессе проектирования АСОИУ или в результате ее развития рассматриваемая модель может изменяться по правилам той знаковой
системы, в которой эта модель описана. Например, может быть решено,
что в цехе 1 производства 2 следует установить две технологические линии, образовав в цехе два производственных участка. Тогда в графе на
рис. 1.6. появятся дополнительно два узла, соединенные ребрами с узлом,
соответствующим цеху 1. Узлам графа на рис. 1.6. могут быть сопоставлены веса, отражающие численность работников, могут быть сопоставлены и другие более сложные информационные структуры, типа списков
работающих с информацией о заработной плате и должностях, а также
видах и объемах работ, которые эти работники выполняют в процессе
своей деятельности. В результате на этом графе можно ставить и решать
различные задачи, связанные с расчетом заработной платы и др.
5.3. Действуя таким образом, можно накапливать информацию об
объекте управления АСОИУ и ее функциях и задачах управления, фиксируя при этом все новые компоненты и взаимосвязи между ними, получая при этом описания последовательных состояний проекта и формируя
тем самым все более адекватную модель реальной создаваемой или развивающейся АСОИУ. В этом процессе последовательных изменений моделей автоматически доказывается и адекватность конечной модели, так
как на каждом этапе производится оценка правильности всех проводимых с моделью операций. Иными словами, описанный подход к моделированию самоорганизующихся АСОИУ становится своеобразным механизмом как проектирования, так и развития системы.
1.4. Закономерности функционирования и развития АСОИУ
При изучении сложных систем были вскрыты и изучены их общие
свойства, названные закономерностями сложных систем. Эти закономерности присущи и АСОИУ.
21
1. Целостность. Эта закономерность проявляется в том, что у системы появляются свойства, отсутствующие у ее элементов. В западной
литературе для обозначения целостности системы используется термин
emerge (появляться), поэтому в русских переводах целостность иногда
называют эмерджентностью. Например, радиоприемник, телевизор,
станок и любое другое изделие обладают свойствами, которыми не обладает ни одна из их составных частей. То же самое наблюдается и в социальных системах, в том числе и в АСОИУ. Любое предприятие, как единое целое, обладает возможностями и свойствами, которыми не обладает
ни один отдельно взятый человек. Причем, пока система еще выступает
как единый организм, она обладает своими уникальными свойствами, но
как только она начинает разваливаться, эти свойства начинают теряться.
Отсюда и название закономерности – целостность. У целостности системы имеется два аспекта:
 свойства системы Qs не всегда являются суммой свойств ее элементов qi, i = 1, 2, 3, … ,
 свойства системы Qs зависят от свойств ее элементов.
Первый аспект целостности говорит о том, что система подавляет
некоторые ненужные ей свойства ее элементов. Например, у некоторых
работников торгового предприятия могут быть прекрасные вокальные
данные. Но эти способности предприятию не нужны, поэтому ее работники во время работы не поют, они занимаются другими делами. Второй
аспект целостности говорит о том, что свойства системы сохраняются до
тех пор, пока есть определенные свойства у некоторых ее элементов.
Например, кафе или ресторан славится своими чудесными блюдами, благодаря работающему там конкретному человеку – талантливому шефповару. С уходом этого человека имидж у данного кафе как места, где
можно вкусно поесть, постепенно пропадает, и оно становится заурядным предприятием общественного питания.
Свойство целостности связано с целью, для которой создается система. Пока существует цель, есть у системы и целостность. Если же система существует, то есть обладает целостностью, а цель в явном виде не
определена, то эту цель можно выявить, изучая причины возникновения
закономерности целостности у данной системы. В технической системе
целостность определяется ее конструкцией, схемой соединения частей,
например, у радиоприемника его целостные свойства появляются в результате сборки радиоприемника из конкретных деталей по определенной схеме. Изучая эту схему, можно выявить и цель, то есть замысел
данного радиоприемника.
Однако в организационных системах все это не так просто, хотя и
здесь используется тот же прием. Система представляется в виде структуры, то есть расчленяется на более простые элементы, а затем изучаются
отдельные элементы системы и их взаимосвязи между собой и внешней
22
средой. В силу того, что элементы системы являются более простыми образованиями, переход к изучению элементов уменьшает неопределенность, характерную для системы в целом и, следовательно, упрощает исследование. Изучая элементы системы, можно определить причинноследственные связи между ними и системой в целом, что позволяет установить причинно-следственные связи системы в целом со средой, а это в
конце концов и приводит к установлению целей функционирования системы. Например, заглянув в незнакомое нам помещение, мы замечаем,
что там стоят прилавки, как в любом магазине, а на прилавках лежат различные продукты с табличками, на которых написаны числа. За прилавками стоят люди. У нас сразу возникает предположение, что мы заглянули в продуктовый магазин. Заговорив с людьми, стоящими за прилавками, мы окончательно убеждаемся в том, что зашли именно в продуктовый магазин. А придя к такому выводу, нам нетрудно сделать выводы и о
целях данного заведения.
Целостность системы можно оценивать ее степенью. Для этого используется двойственная по отношению к целостности закономерность.
Ее называют независимостью, физической аддитивностью, суммативностью или обособленностью. Свойство физической аддитивности проявляется, когда система распадается на независимые части, и тогда для
физических свойств становятся верными соотношения:

Qs = qi, i = 1, 2, 3, …
В этом крайнем случае системы не существует, и степень ее целостности равна 0. На практике степень целостности колеблется от 0 (отсутствие целостности) до 1 (абсолютная целостность). Так что целостность
любой развивающейся системы движется по направлению от 0 к 1. В связи с этим вводятся понятия прогрессирующей систематизации, когда система стремится к уменьшению самостоятельности элементов, и прогрессирующей факторизации, когда самостоятельность элементов системы со
временем возрастает. Научившись оценивать степень целостности систем,
можно будет обнаруживать тенденции их укрепления или распада.
Система обладает целостностью, она развивается в режиме прогрессирующей систематизации благодаря ряду факторов, которые в совокупности определяют закономерность интегративности сложных систем. В
качестве факторов, которые в организационных системах эту закономерность определяют, выступают с одной стороны неоднородность и противоречивость элементов системы, а с другой стороны стремление вступать в коалиции. Например, на рынке ремонтно-строительных услуг существует много предпринимателей, которые выполняют работы только
определенного вида, потому что умеют хорошо делать работы только такого вида. Есть плиточники, которые занимаются укладкой керамических
плиток, есть сантехники, выполняющие сантехнические работы, есть
23
штукатуры и т. д. Однако имеется много заказчиков, которым необходимо выполнить весь комплекс работ по ремонту и отделке служебного помещения или квартиры. Налицо существование неоднородности как в
смысле разнообразия работ, необходимых для выполнения, так и в смысле исполнителей, специализирующихся на разных видах ремонтностроительных услуг. Для преодоления этой неоднордности предприниматели разных строительных специальностей объединяются в бригаду
(вступают в коалицию), в результате чего появляется структура с новым
свойством: она способна выполнять весь комплекс работ по ремонту и
отделке помещений. Такая структура будет обладать целостностью до
тех пор, пока существуют факторы, определяющие ее интегративность.
2. Коммуникативность. Эта закономерность отражает тот факт, что
система не изолирована от других систем, она связана множеством коммуникаций с внешней средой, представляющей собою сложное образование, содержащее надсистему, подсистемы и актуальную среду, содержащую системы одного уровня с данной и как-то с ней связанные. Надсистема – это система более высокого порядка, которая задает требования
и ограничения для рассматриваемой системы. Подсистемы – это нижележащие подведомственные системы. Например, для предприятия надсистемой может являться либо государство, если это самостоятельное
предприятие, либо структура более высокого порядка, в которую предприятие входит, если оно, к примеру, является филиалом какой-либо
фирмы. Подсистемами предприятия являются его отделы и подразделения, а в качестве актуальной среды выступают конкуренты, поставщики,
покупатели (заказчики) и нейтральные предприятия, имеющие какие-то
опосредованные с ним связи.
3. Иерархичность. Мы уже встречались со свойством иерархичности
АСОИУ при рассмотрении различных видов их структурной организации. Закономерность иерархичности системы определяет иерархическую
упорядоченность ее элементов, которая проявляется в том, что более высокий уровень иерархии оказывает направляющее воздействие на подчиненный ему нижележащий уровень, в результате подчиненный уровень
приобретает новые свойства, отсутствующие в нем в изолированном состоянии. Например, плиточник, работая самостоятельно, не может позволить себе пользоваться некоторыми совершенными, но дорогими инструментами для разрезания керамических плиток, однако, работая в
строительной организации, он такую возможность получает, потому что
эта организация такой инструмент ему предоставляет. В результате производительность и качество труда плиточника в организации оказывается
выше, чем при индивидуальной работе.
Иерархическая упорядоченность в сложных системах обладает следующими особенностями:
24
3.1. Закономерность коммуникативности проявляется не только
между системой и ее внешней средой. Она проявляется также в виде
сложных взаимосвязей между вышестоящими и нижестоящими иерархическими уровнями внутри системы. В результате каждый узел иерархической системы обладает свойством "двуликого Януса", то есть по отношению к подчиненным элементам он имеет "лик" автономного целого, а
по отношению к вышестоящему элементу имеет "лик" зависимой части
этого элемента.
3.2. Закономерность целостности проявляется на каждом уровне
иерархии системы.
3.3. Неопределенность в узле верхнего уровня при переходе в нижестоящие узлы как бы уменьшается.
4. Эквифинальность. Эта закономерность заключается в том, что,
начиная с некоторого уровня сложности, организационные саморазвивающиеся системы имеют способность достигать состояния, которое не зависит от начальных условий, а определяется исключительно параметрами
системы (то есть, ее целями и средствами достижения этих целей). Это
состояние, к которому стремится система в своем развитии, характеризует ее предельные возможности.
5. Закон необходимого разнообразия. Субъект управления в сложной
системе сталкивается с большим разнообразием возможных ситуаций VS,
в которых необходимо принимать решения. Управление во всех случаях
будет успешным, если у субъекта управления на каждую ситуацию из
разнообразия VS будет адекватный ответ, то есть подходящий случаю метод решения проблемы, либо если субъект владеет такой методологией
управления, которая позволяет ему разрабатывать новые подходящие методы и применять их для решения возникающих проблем. Обозначая
разнообразие готовых методов управления, а также тех, которые субъект
управления может создать, используя методологию, которой он владеет,
в виде VС, формулируем закон необходимого разнообразия: разнообразие
субъекта управления должно быть больше или равно разнообразию
управляемого объекта (VC > VS).
Учитывая этот закон при создании систем управления, неравенству
VC > VS можно удовлетворить, если попытаться в максимальной степени
регламентировать поведение объекта управления и внешней среды.
Например, во времена социализма у нас стремились к стандартизации,
унификации и типизации (типизация структур предприятий, типизация
бухгалтерского учета, типизация проектирования сложных систем, в том
числе и АСОИУ, типизация правил финансовых и производственных
взаимосвязей предприятий с государством и друг с другом и пр.). Однако
такой путь привел к неповоротливой системе управления в государстве,
которая не смогла в своем развитии после достижения определенного
уровня сложности адекватно реагировать на внешние и внутренние изме25
нения. Следовательно, остается только один путь удовлетворить (VC > VS)
– это повышать профессионализм управленцев на всех уровнях, начиная с
самых мелких фирм и заканчивая государственными чиновниками.
6. Историчность. Любая сложная развивающаяся система после
своего возникновения проходит определенный жизненный цикл, то есть
переживает стадии становления, подъема, упадка и гибели. В этом и заключается закономерность историчности. Для преодоления "смерти" системы, связанной с историчностью, разрабатывают механизм ее реорганизации, в результате которой система сохраняется, но в новом качестве.
7. Закономерность самоорганизации. Любая самоорганизующаяся
открытая система в своем развитии подвержена двум противоположным
тенденциям: с одной стороны стремление к застою, старению и развалу в
соответствии с закономерностью историчности, и с другой стороны –
стремление к развитию путем повышения своей организованности, чтобы
противостоять разрушающим ее факторам. Наличие тенденции к повышению организованности в самоорганизующихся открытых системах
названо закономерностью самоорганизации. Ранее считалось, что причиной самоорганизации является свойство открытости самоорганизующейся системы, однако в последнее время полагают, что свойство самоорганизации в системе появляется из-за наличия в ней активных элементов.
Этими активными элементами являются люди, имеющие, с одной стороны, свою волю и цели, которые требуют существования системы в целом,
и обладающие, с другой стороны, методологией разработки новых методов решения проблем в меняющихся условиях.
8. Закономерности целеобразования. Цели в организационных системах также имеют иерархическую структуру, соответствующую иерархической структуре самой системы в том смысле, что элементы системы,
являющиеся подчиненными элементами для узла более высокого уровня,
имеют свои собственные цели, которые представляют собой подцели для
цели данного узла. При этом цель С данного узла в иерархической
структуре системы является побуждением к действию в этом узле в
направлении, соответствующем этой цели, а ее подцели, то есть цели
подчиненных узлу элементов, выступают как средство достижения цели
С. Например, цель получения дохода в фирме имеет подцель, связанную
с производством продукции, и подцель, связанную с реализацией этой
про-дукции. Очевидно, что эти подцели являются средством достижения
главной цели получения прибыли. Выделяются следующие закономерности целеобразования в сложных организационных системах.
8.1. Зависимость цели от внешних и внутренних факторов. Эта закономерность очевидна. Конечно же, цель определяется как внутренними
факторами, такими как потребности и мотивы самой системы, ее элементов и исполнителей, так и внешними факторами, например такими, как
цены на рынке, действия конкурентов и другие.
26
8.2. Возможность и необходимость сведения задачи формулирования обобщенной цели организации к задаче ее структуризации. Известно,
что первоначально цель в голове руководителя возникает нечетко, как
некоторая "размытая" область. Но добиться, чтобы все в организации
одинаково поняли такую цель без ее детализации невозможно. Отсюда и
необходимость ее декомпозиции (то есть, структуризации) по отдельным
элементам системы.
8.3. Проявление в иерархической структуре целей закономерности
целостности. Это свойство означает, что цель вышестоящего уровня, вопервых, не может быть полностью раскрыта без ее структуризации, то
есть без выделения согласованных с ней подцелей, которые отражают
разные стороны общей цели, а во-вторых, она не может быть реализована
без реализации этих подцелей, так как подцели являются средством ее
реализации. Например, цель получения прибыли уточняется тем, что в
качестве подцелей указываются производство определенного вида продукции и реализация этой продукции, в результате чего и получается
прибыль предприятия. Однако, чтобы добиться какой-то прибыли, кроме
собственно производства и реализации, необходимо выполнить еще ряд
условий, таких как выбор удачных рынков для сбыта продукции, выбор
соответствующих технологий производства, обеспечивающих низкую
себестоимость и высокое качество так, чтобы доход от реализации продукции превышал бы расходы на ее производство.
1.5. Задания и контрольные вопросы к 1 главе
1. Объясните смысл понятий «объект управления», «управляющий
орган» и «внешняя среда». Приведите примеры.
2. Что является моделью объекта управления и моделью внешней
среды применительно к оргсистемам?
3. Что такое вектор целей управления, вектор контрольных параметров, вектор ошибки управления, вектор управляющих воздействий
(параметров), вектор состояния системы и свободные параметры?
4. Объясните смысл понятия «устойчивость системы по предсказуемости».
5. Что такое ПФУ? Опишите ее состав.
6. Поясните смысл термина «режим самоуправления системы».
7. Перечислите известные Вам виды структур, используемых в
АСОИУ для описания различных объектов.
8. Перечислите известные Вам виды структур управляющего органа в организационных системах.
9. Поясните смысл понятия «открытые и закрытые системы» в отношении организационных систем.
10. Что такое хорошо и плохо организованные (диффузные) системы? Перечислите особенности самоорганизующихся АСОИУ.
27
11. Приведите примеры хорошо организованных систем.
12. Опишите закономерность целостности систем, ее аспекты и степень целостности. Перечислите другие известные Вам закономерности.
Глава 2. ЦЕЛИ В АСОИУ ОРГАНИЗАЦИОННЫХ СИСТЕМ
2.1. Проблемы формулирования целей
1. Роль целей в управлении организационными системами. Особенностью организационных систем управления по сравнению с техническими, как известно, является наличие в них активных элементов, что вызывает необходимость разрабатывать и использовать специальные методы исследования и проектирования таких систем. В 1920-х годах возникла теория организационных систем (тектология А. А. Богданова), а в
30-х годах общая теория систем, охватывающая и технологические системы (Людвиг фон Берталанфи). Вначале в рамках общей теории систем
были сформулированы такие основополагающие закономерности их развития как целостность, иерархичность и эквифинальность.
В те времена уже был известен второй закон термодинамики, гласящий о том, что в любой замкнутой физической системе со временем распределение энергии между ее элементами уравнивается, отчего система
теряет способность производить работу за счет разности энергетического
потенциала в разных ее частях. Мерой равномерности распределения
энергии в системе является специальный показатель, названный энтропией. С использованием этого понятия второй закон термодинамики
формулируется так: энтропия любой замкнутой системы с течением
времени только увеличивается, что в конце концов приводит к затуханию и разрушению всех процессов в системе, а следовательно к ее гибели. Увеличить энтропию системы можно только притоком энергии извне.
В организационных системах тоже существуют процессы затухания
и разрушения, аналогичные процессам в физических системах, однако
здесь в качестве базы таких процессов выступает не энергия, а информация. Если организационная система замкнута в информационном смысле,
то есть в нее в достаточной мере не поступает новых знаний об окружающей среде и методах решения возникающих задач, то такая ситуация
также приводит к потере живучести системы. Отталкиваясь от этого факта, исследователи на первых порах полагали, что именно открытость системы является гарантией ее живучести и способности к развитию. Однако в настоящее время более существенным считается наличие в системе
активных элементов, которые способны менять ее цели, а затем соответственно менять структуру и методы управления системой, то есть спо28
собных управлять по полной функции управления. В связи с этим роль
целей и целеполагания в системе очень важна, поэтому ее проектирование
или любое ее изменение должно начинаться с рассмотрения ее целей.
Любая организационная система имеет иерархическую структуру, и
любое ее подразделение так же, как и система в целом, имеет свои цели, а
в подразделениях свои цели имеет каждый отдельный работник. Это положение объективно и не зависит от желания каких-то лиц. Система будет живучей и успешной, если цели ее подразделений и отдельных работников этих подразделений будут согласованы с целями системы в целом.
Конечно, существуют традиционно используемые методы принуждения (принуждение к труду, принуждение исполнения определенных
правил поведения, эксплуатация человека человеком и прочее). Эти методы в какой-то мере действуют и на фоне несогласованности целей системы с целями ее частей, однако, эффективность системы в условиях
принуждения очень невысока. Поэтому задача построения такого управления, при котором существовала бы согласованность целей в системе,
важная и актуальная задача.
Для ее решения рекомендуется строить целевое управление, то есть,
используя активность элементов, осуществлять коллективное формирование таких целей, которые побуждают к действию и обеспечивают полноту реализации всех необходимых функций предприятия, организации,
региона и т. д.
Осознание роли цели в системах управления привело к созданию в
зарубежных странах так называемых "думающих" фирм и корпораций,
занимающихся разработкой прогнозов развития, формированием и анализом структур целей в отдельных фирмах и на уровне государства в целом. Справедливости ради следует отметить, что в истории нашей страны
тоже есть примеры целевого управления, например, план ГОЭЛРО, разработанный в 1918 году. В средине 60-х годов была предложена концепция программно-целевого управления, вследствие чего категория «цель»
была включена в систему экономических и управленческих понятий. В
70-х годах произошла замена директивных планов на пятилетку комплексной программой прогноза на 20 лет и основными направлениями
экономического и социального развития страны на 10–15 лет. Осуществлялось широкое обсуждение таких программ на различных уровнях. Теоретически были созданы условия для участия в обсуждении планов развития страны для всех желающих. На какое-то время реформы 70-х годов, именуемые косыгинскими (инициатором этих реформ в правительстве был А. Н. Косыгин), позволили повысить эффективность народного
хозяйства. Иными словами, «механизм» целевого управления в стране
был создан, однако он нуждался в дальнейшем развитии, чего в последствии по разным причинам не получилось.
29
2. Использование закономерности эквифинальности при формулировании целей. Цели каждого человека связаны с системой ценностей, принятых в данном обществе, с формами существования сообщества – города, региона, страны. Система ценностей определяет желаемое будущее,
предельный уровень развития, то есть цель-идеал, к которому надо стремиться. В теории систем этот предельный уровень характеризуется закономерностью эквифинальности, заключающейся в том, что система стремится к определенному состоянию, не зависимо от своих начальных
условий. Называют следующие предельные уровни, которые являются
или могут быть предметом устремлений человека в разных обществах и в
разное время.
 материальный уровень – определяется врожденными потребностями и программами человека (поесть, поспать, одеться, иметь определенные материальные блага),
 эмоциональный уровень – доступные развлечения, различного
рода удовольствия, потребность в проявлении чувств восхищения, любви, ненависти и прочее, эстетических чувств прекрасного и так далее,
 семейно-общественный уровень – реализация программы продолжения рода, воспитание потомства, традиционный семейный уклад
жизни,
 социально-общественный уровень – этические, эстетические и
другие нормы поведения в обществе, социальное положение и общественный статус,
 интеллектуальный уровень – специфическая система ценностей,
ориентированная на накопление знаний о мире и на развитие творческих
способностей личности.
У сформировавшейся личности имеется и своя индивидуальная система ценностей, в которой в той или иной степени присутствуют элементы всех названных уровней, однако существуют приоритеты, которые
меняются в разные периоды жизни и в разных условиях. Так, например,
молодой человек отдает предпочтение преимущественно ценностям эмоционального уровня – развлечения, получение удовольствий, романтика,
проявление различных чувств. Вступив в зрелый возраст, он начинает отдавать предпочтение либо ценностям материального уровня, стремясь к
семейному благополучию, либо стремится приобрести определенный
общественный статус, добиться какого-то социального положения, либо,
попав в интеллектуальную среду, начинает стремиться к знаниям и развивать свои творческие способности. Но бывают варианты, когда человек
с возрастом не меняет своих приоритетов, оставаясь на эмоциональном
уровне. В этом случае меняются только виды развлечений, получаемых
удовольствий и т. д.
30
Индивидуальная система ценностей человека – это объективная
сущность, которая в значительной мере определяет смысл его существования, его поведение и в соответствии с которой он создает вокруг себя
свое пространство смыслов. Однако, попадая в коллектив других людей,
он, конечно, пытается навязать другим членам коллектива свои смыслы.
Это получается либо частично, либо не получается вообще, и тогда человек приспосабливается к тому пространству смыслов, которое сложилось
в этом коллективе, меняя при этом и свои цели. Процесс формирования и
развития пространства смыслов коллектива объективен и происходит
всегда, поэтому он должен четко осознаваться теми, кто управляет, и
направляться в соответствии с целями организации. Если же в силу незнания этих моментов или в силу неумения этот процесс останется вне
пределов деятельности руководства, то в силу его объективности его
формированием и развитием обязательно займется кто-то другой в нужном для него направлении. Тогда этот другой становится неформальным
лидером в коллективе наряду с формальными лидерами, которыми являются его руководители. Если же такого другого не найдется, то коллектив потеряет свое пространство смыслов, потеряет управляемость и развалится. В этом заключается закономерность объективного существования управляемости в организационных системах через пространство
смыслов.
Применительно к одному человеку и к любой общности людей профессор Санкт-Петербургского технического университета В. А. Жуков
предлагает выделять следующие виды пространства смыслов:
 ситуативное пространство смыслов, когда отдельный человек
(группа, регион, народ, страна) рассматривает другого (другую общность) как средство достижения своих целей;
 социальное пространство, в котором личность стремится ставить социально значимые цели (достижение власти, должности, богатства, влияния и т. п.), а цели сообщества могут признаваться выше индивидуальных и возможно даже подавление личных целей ради общественных (Р. Акофф и Ф. Эмери);
 пространство культуры, в котором другой человек (другое сообщество) рассматривается как партнер по воспроизводству культуры и
ее развитию, при этом спорные вопросы решаются не большинством голосов, а взаимным дополнением, во взаимных добровольных уступках
друг другу на основе диалога, отрицающего использование партнера в
качестве инструмента и допускающего право на ошибку;
 пространство вечных смыслов, в котором другой человек, народ,
страна воспринимаются как неповторимое, самобытное творение; для
этого пространства характерно не только признание права на существование других, но характерен также и интерес к другому, к системе его
31
ценностей и даже потребность в их заимствовании, объединении в совместных моделях.
В настоящее время и во все исторически известные времена в человеческих сообществах практически реализовывалось, хотя и в разных вариантах, ситуативное пространство смыслов. Даже когда официально
провозглашались иные идеи (как, например, в нашей стране во времена
социализма), в реальности же во многом все оставалось по-прежнему. В
чистом виде это пространство смыслов провозглашается первой американской конституцией, основанной на философии Гоббса, которому принадлежит высказывание, что человек человеку волк, а также на индивидуализме и конкуренции, когда побеждает сильнейший, не признающий
никаких правил. Этому пространству смыслов соответствует и так называемая американский мечта – иметь свой дом и сад, хотя, казалось бы,
что в этом плохого? Но если система ценностей человека ограничивается
только материальным уровнем и только для себя, то это опять же индивидуализм и в лучшем случае равнодушие к тем, кто тебя окружает. Однако во все времена находилось много людей, которым такое пространство смыслов не нравилось, и люди мечтали, мечтают и сейчас о чем-то
другом – справедливом и человеческом. Названные выше социальное
пространство, пространство культуры и пространство вечных смыслов –
это примеры такой мечты.
Формируя в организации пространство смыслов, то есть иерархическую структуру целей организации, необходимо учитывать подготовленность людей к восприятию желаемых целей. И если в отдельной организации можно просто заменить неподходящих людей на других, то в городе, регионе, стране этого сделать уже нельзя, нужна кропотливая работа по воздействию на людей через средства массовой информации и
другими способами.
2.2. Методики структуризации целей
Цели в организационных системах, как правило, формулируются в
столь общей форме, что содержат в себе большую неопределенность в
смысле средств и путей их достижения. Чтобы снять эту неопределенность, их необходимо структурировать, то есть разбить на более мелкие
составляющие – подцели, достижение которых в совокупности обеспечивает достижение общей цели. Подцели, которые получились в результате
разбиения общей цели, как правило, требуют дальнейшего разбиения. И
так до тех пор, пока в результате не получатся такие составляющие, неопределенность в формулировке которых оказывается сведенной к минимуму. Иерархическая структура, получающаяся в результате такого
последовательного разбиения, называется деревом целей, а сам процесс
получения этой структуры называется структуризацией целей.
32
Дерево целей является согласованным с основной целью, породившей эту структуру, если на каждом уровне структуризации выполнено
условие согласованности дерева целей: достижение любой цели на любом уровне иерархии полностью обеспечивается достижением всех подцелей, составляющих данную цель. Это условие, очевидно, является необходимым для осуществления успешного управления организационной
системой, так как по своему содержанию составляющие цель подцели являются как бы способом или средством ее достижения. Однако условия
согласованности дерева целей недостаточно. Дело в том, что в организационной системе присутствуют активные элементы – люди, имеющие
свои собственные цели, которые могут быть не согласованы с целями организации. Но это проблема должной формулировки общей цели для организационной системы в целом и подбора соответствующих кадров.
Дерево целей может иметь много уровней, особенно в сложных случаях, когда оно составляется для больших проектов, фирм и регионов.
Как правило, подцели каждого уровня дерева целей получают свое
наименование: направления, проблемы, функции, задачи или что-то подобное. В АСОИУ элементы самого нижнего уровня называют задачами,
а элементы уровня, предшествующего нижнему, – функциями управления. Применяют также и термин «комплекс задач».
Существует ряд факторов, прямо определяющих или косвенно влияющих на деятельность фирмы. Эти факторы назовем факторами влияния. Они объединяются в следующие группы:
 управление – представляет собой перечень функций управления,
таких как перспективное и годовое планирование, оперативное управление, учет, контроль и прочее, без выполнения которых немыслима деятельность любой организации;
 действия – перечень производственных и других действий и
функций, которые определяют практическую деятельность организации
(транспортировка, хранение, ремонт, обеспечение безопасности, закупка,
реализация, изготовление, уплата налога и многие другие общие и специальные технологические функции);
 направления деятельности – у фирмы может быть одно или несколько направлений ее деятельности (оптовая продажа товаров, розничная продажа, производство продукции определенного вида, ремонт и обслуживание определенного вида оборудования и прочее);
 ресурсы – здания, сооружения, оборудование, инструменты, материалы, товары, продукция, трудовые ресурсы, финансы и так далее;
 вышестоящие органы – вышестоящие организации и государственные органы (администрация региона, где расположена фирма, налоговая инспекция, пенсионный фонд, надзорные органы и прочее);
33
 подчиненные организации – дочерние фирмы, автономно функционирующие подразделения и тому подобное;
 актуальная среда – предприятия, организации и физические лица, прямо или косвенно участвующие в деятельности рассматриваемой
фирмы или на нее влияющие (поставщики, покупатели, банки, партнеры
и так далее).
Рассмотренный список групп факторов и их состав в различных ситуациях и для различных направлений деятельности может быть дополнен или изменен. Например, в случае некоммерческой организации целесообразно выделить группу спонсоры. Для административных организаций, управляющих территориями и регионами (поселение, район, город, область), в группе направления деятельности необходимо наряду с
направлениями хозяйственной деятельности, добавить такие направления, как образование, здравоохранение, наука, культура, религия, юриспруденция, правоохранительная деятельность, работа с населением, армия и другие.
Тщательно проработанный список групп факторов влияния и их состав является гарантией получения полного и качественного перечня задач управления рассматриваемой организацией. Дело в том, что эти задачи являются результатом сочетания наборов конкретных факторов из
различных групп. Например, задача планирования оптовых закупок товаров на текущий год является результатом сочетания следующего набора
факторов влияния: годовое планирование из группы управление, оптовая
продажа из группы направления деятельности, закупка из группы действия, товары из группы ресурсы, поставщики из группы актуальная среда.
В этом примере в рассматриваемый набор факторов вошли элементы из всех описанных выше групп, кроме групп вышестоящие органы и
нижестоящие организации. Такое произошло по следующим причинам:
– ни один из факторов из группы вышестоящие органы по смыслу
не сочетается с факторами, вошедшими в рассматриваемый набор, действительно, ни к одному из элементов группы вышестоящие органы
(вышестоящая организация, администрация региона и т. д.) функция годовое планирование и действие закупка не подходят;
– предполагается, что у рассматриваемой фирмы, занимающейся
оптовыми продажами, отсутствует группа нижестоящие организации, потому что у нее нет подчиненных организаций и автономных подразделений.
Если выбрать усеченный набор сочетающихся факторов, например,
только годовое планирование из группы управление и оптовую продажу
из группы направления деятельности, то в результате получится целый
комплекс задач. В данном случае это комплекс задач годового планиро34
вания всего направления оптовых продаж, в который входят задачи годового планирования всей деятельности по направлению закупок товаров,
их продаж, планирования приобретения, ремонта и использования ресурсов и так далее. Таким образом, список групп факторов влияния, разработанный для конкретной организации, является своеобразной матрицей.
Элементы этой матрицы определяют весь состав задач, которые должны
решаться в организации, а также всевозможные группировки этих задач в
комплексы.
В свете сказанного процедура формирования дерева целей организации выглядит следующим образом. Для формирования узлов дерева, расположенных на втором уровне иерархии, выбирается одна из групп факторов влияния. Естественнее начать с группы направления деятельности.
Для каждого из направлений деятельности в дереве целей образуется
узел, которому соответствует организация работ по данному направлению. Это цели второго уровня, достижение которых необходимо для достижения целей организации в целом. Если среди групп факторов влияния существуют группы, элементы которых не сочетаются с другими
группами, то такие элементы также образуют в дереве целей узлы второго уровня. Чаще всего это имеет место для элементов из группы вышестоящие органы, так как взаимодействие организации с государственными органами осуществляется в целом, а не в разрезе отдельных
направлений деятельности. Например, уплата налогов, отчисления в пенсионный фонд, контрольные проверки органами надзора и прочее. На
рис. 2.1 изображен фрагмент дерева целей для фирмы, занимающейся
оптовыми продажами, которая упоминалась выше.
На следующем шаге для каждого из узлов второго уровня формируются узлы третьего уровня путем сочетания фактора, соответствующего
данному узлу второго уровня с элементами какой-нибудь другой группы,
например, из группы управление, и так далее. Сформированный очередной узел дерева становится его листом, если ему соответствует набор из
элементов всех групп факторов, сочетающихся между собой. Листу, как
уже отмечалось, соответствует конкретная задача управления конкретными объектами или процессами.
Формирование узлов второго уровня можно начать не из направлений деятельности, а из элементов другой группы, например, из группы
управление. В этом случае получится группировка задач в комплексы по
функциям управления: перспективное планирование деятельности фирмы,
годовое планирование ее деятельности, оперативное управление и далее
по другим функциям, которые определены для данной организации.
Такая функциональная структура организации удобна для разработки организационной структуры ее управляющего органа. Отдельным узлам второго уровня естественным образом сопоставляются соответству35
ющие подразделения: плановый отдел, производственный отдел, бухгалтерия. Причем для этих отделов сразу же формулируются задачи, которые предстоит им решать, а по задачам определяется численность персонала и распределение обязанностей. Производственную структуру организации удобнее определять по дереву целей, в котором узлам второго
уровня соответствуют направления ее деятельности, а узлам третьего
уровня – элементы из группы действия.
Таким образом, потенциально существует много деревьев целей, которые могут быть получены в результате структуризации целей. Причем,
для решения той или иной задачи проектирования системы управления
организацией можно создать свое наиболее подходящее дерево. Это обстоятельство говорит о достаточно универсальном характере процедуры
структуризации целей и о степени ее важности при решении проблем
разработки и корректировки управления организациями.
Цели фирмы в целом
Взаимодействие с
Оптовые продажи
Розничные продажи
Администрацией
Перспективное
планирование
оптовых продаж
Перспективное
планирование
розн. продаж
Налоговой инспекцией
Пенсионным фондом
Годовое планирование оптовых продаж
Годовое планирование розничных продаж
Санэпидемстанцией
Службой пож. надзора
...
...
...
Рис. 2.1. Узлы второго и третьего уровней дерева целей
1. Методика структуризации целей, базирующаяся на двойственном
представлении системы. Эта методика была разработана А. И. Уёмовым
и Б. Д. Кошарским и преимущественно применяется для систем управления производством продукции. Система управления производством продукции может быть представлена двояко: как совокупность взаимосвязанных процедур и как совокупность факторов, обеспечивающих это
производство. Таким образом, процедурное представление – это представление по функциям управления: планирование, оперативное управ36
ление, учет, анализ. Набор функций управления может меняться, то есть
детализироваться или, наоборот, укрупняться в зависимости от ситуации.
Факторное представление – это представление по составляющим процесс производства факторам, которые обеспечивают производство продукции: основное производство, вспомогательное производство, кадры,
материально-техническое снабжение, финансы, информационное обеспечение, обеспечение качества и прочее. Набор обеспечивающих факторов
также зависит от конкретной ситуации. Другими словами, в этой методике используются только две группы факторов влияния: процедуры управления и факторы производства.
Общая цель в данном случае формулируется как управление производством продукции по заданному критерию при заданных ограничениях. Структуризация этой цели осуществляется методом сочетания элементов факторного и процедурного представления системы. Составляется матрица, состоящая из строк и столбцов. Столбцам соответствуют,
например, функции управления процедурного представления системы, а
строкам – обеспечивающие факторы ее факторного представления. Пересечение строки и столбца соответствует какому-то конкретному сочетанию, например, «планирование основного производства» или «учет кадров». На первом уровне структуризации выделяются подцели по столбцам или по строкам матрицы. Если выбор пал на выделение подцелей по
строкам, то это могут быть такие подцели, как управление основным
производством, управление вспомогательным производством и т. д. На
следующем уровне структуризации для каждой из функций первого
уровня выделяются комплексы задач по столбцам, например, для функции «управление основным производством» выделяются задачи планирования основного производства, задачи оперативного управления основным производством, задачи учета в основном производстве и т. д.
Этот метод структуризации целей удобно использовать при создании
АСОИУ на действующих предприятиях. Он был рекомендован и положен в основу разработки АСУП предприятий в качестве типовой структуры. Однако для вновь создаваемых или реорганизуемых предприятий, а
также для регионов и отраслей этот метод не обеспечивает полного набора структурных элементов в дереве целей, так как у него нет средств для
определения новых объектов.
2. Методика структуризации целей, базирующаяся на концепции системы, учитывающей внешнюю и внутреннюю среду. Методика была разработана учеными томского университета Ф. И. Перегудовым, В. З. Ямпольским и Л. В. Кочневым. В основу методики было положено определение системы В. Н. Сагатовского, который впервые ввел понятия
надсистемы, подсистемы и актуальной среды, составляющие внешнюю
среду системы, и понятие внутренней среды системы.
37
Группу вышестоящих органов составляет организация, в которую
входит данная система (если такая организация существует), а также различные государственные органы, определяющие или влияющие на деятельность данной системы (администрация региона, налоговые органы,
пенсионный фонд и т. д.).
Нижестоящие организации составляют подведомственные организации (филиалы, дочерние предприятия).
Актуальную среду составляют:
– потребители производимой продукции или услуг,
– поставщики сырья, материалов и комплектующих деталей,
– конкурирующие фирмы,
– нейтральные организации, то есть фирмы и частные лица, как-то
влияющие на деятельность данной системы.
Внутреннюю среду составляют факторы, обеспечивающие производство конечного продукта, а также факторы, являющиеся внутренним
источником целей (стремление к совершенствованию системы управления, решения о разработке или освоении новых технологий и прочее).
В рассматриваемой методике структуризации целей предусмотрено
несколько групп факторов.
 Виды конечного продукта (продукта производства). Рассматриваемая организационная система может производить несколько видов
конечного продукта. Это могут быть какие-то товары или услуги, результаты научных исследований, специалисты, закончившие обучение в образовательном учреждении, произведения искусства в академии художеств и так далее. В этом случае производство каждого вида конечного
продукта составляет отдельную подцель общей цели системы, заключающейся в производстве продукции. Таким образом, каждый вид конечного продукта образует отдельную ветвь в дереве целей системы.
 Пространство инициирования целей (надсистема, подсистема,
актуальная среда, собственно система). По каждому виду конечного продукта заказы на его производство могут инициировать вышестоящие органы (надсистема), нижестоящие организации для своих нужд, например,
представительства, занимающиеся сбытом продукции в других регионах
(подсистема), а также организации-потребители продукции или частные
лица (актуальная среда). Инициатором новых целей может выступать и
сама система в стремлении улучшить качество конечного продукта,
внедрить новые технологии и т. п.
 Жизненный цикл (выявление потребностей, производство, потребление). Каждый конечный продукт имеет свой жизненный цикл, состоящий из этапов. В частности, это могут быть следующие этапы: этап
выявления потребности в продукте (сколько продукта нужно произвести), этап производства требуемого количества продукта и этап передачи
продукта потребителю.
38
 Основные элементы самой системы (объекты деятельности,
средства деятельности, кадры), то есть факторы системы, обеспечивающие производство конечного продукта, в частности, рассмотренные в
предыдущей методике.
Процедурные признаки структуризации в рассматриваемой методике состоят из двух групп.
 Управленческий цикл (прогнозирование, планирование, организация, контроль, анализ), где понятие «организация» употребляется в
смысле организации исполнения планов, в частности, как оперативное
управление производством конечного продукта.
 Делегирование полномочий (исполнение, соисполнение, согласование, утверждение). Каждая функция управления управленческого
цикла имеет аспекты, связанные с ее выполнением:
o у функции есть основной исполнитель, который отвечает за
результат,
o могут быть соисполнители, которые выполняют некоторую
часть работы,
o если в результате выполнения функции получается документ, то он должен быть согласован с лицами, которые имеют какое-то
отношение к данной функции (например, используют результаты ее выполнения, или используют некоторый разделяемый ресурс, который применяется и при выполнении данной функции, или им поручен контроль
выполнения данной функции и прочее),
o может быть установлен порядок утверждения вышестоящим
руководителем документа, являющегося результатом выполнения данной
функции, после чего документ приобретает легитимность.
Рассмотренная методика, конечно, обеспечивает очень широкий
охват всевозможных факторов и признаков, по которым возможна структуризация целей. Применялась методика для структуризации целей в
процессе проектирования АСУ области, АСУ министерства образования.
Во многих случаях некоторые группы факторов и признаков структуризации, фигурирующие в методике, оказываются излишними, тогда они
просто исключаются из рассмотрения.
3. Методика структуризации целей системы, стремящейся к идеалу. Рассмотренные ранее методика структуризации целей, базирующаяся на двойственном представлении системы, и методика, базирующаяся
на концепции системы, учитывающей внешнюю и внутреннюю среду,
лучше всего подходят для предприятий и организаций, деятельность которых направлена на производство продукции (товаров и услуг). Для организационных структур, осуществляющих многоплановую и многоаспектную деятельность, например, регионов (городов, областей и прочее),
требуется что-то другое, использующее другую систему понятий.
39
В этом случае более приемлемым вариантом является использование
методики структуризации целей системы, стремящейся к идеалу, которая
была сформулирована в работах Р. Акоффа и Ф. Эмери. Они разработали
свою методику для гипотетических общин, которые существуют в социальном пространстве смыслов, когда личность стремится ставить перед
собой социально значимые цели, а само сообщество, где личность существует, стремится к идеалу и ставит перед собой такие цели, как изобилие, поиск правды, добро и красота. В терминологии нашей сегодняшней
жизни цели к изобилию можно поставить в соответствие политикоэкономическую сферу деятельности; поиску правды соответствует научно-образовательная деятельность; стремлению к добру соответствует
функция разрешения различных конфликтов, то есть юриспруденция, религия, этика, мораль и т. п.; стремлению к красоте соответствует функция
эстетики, то есть искусство, отдых, культура, формирование личности.
На рис. 2.2 представлена структура целей на примере региона.
Факторы влияния и их группы для системы управления регионом
Политикоэкономическая
сфера
Научно-образовательная
деятельность
Разрешение
кофликтов, этика,
право
Промышленность
Строительство
Коммуникации
Торговля
Финансы
Налоги
Здравоохранение
Силовые органы
Армия
Наука
Образование:
дошкольное,
школьное,
среднее специальное
высшее,
послевузовское
Право
Юстиция,
Охрана порядка
Воспитание этики
Правовое воспитание
Философия
Религия
Формирование
личности,
культура
Культура:
искусство,
литература,
СМИ
Всестороннее
развитие:
путешествия,
экскурсии,
спорт,
отдых
Рис. 2.2. Пример структуры целей региона
4. Структуризация целей в многоуровневых системах. Структуры
целей, которые получаются в виде одного дерева, не подходят к организационным системам, имеющим ярко выраженное иерархическое нецентрализованное управление. Примерами могут служить организация управления в вузах или в крупных коммерческих компаниях типа холдингов.
4.1. В случае организационных систем типа вузов систему имеет
смысл представить в виде многоуровневой стратифицированной структуры так, что каждый организационный уровень системы образует свою
страту, а затем на каждой страте строить свои деревья целей. Например, в
40
вузе выделяется три страты: кафедры, факультеты и вуз в целом. Для вуза
в целом строится свое дерево целей, охватывающее цели, функции и задачи управления вузом в целом. Здесь вполне может быть использована
методика структуризации, базирующаяся на концепции системы, учитывающей внешнюю и внутреннюю среду. На уровне факультетов для каждого факультета строится свое дерево целей, которое по структуре может
повторять дерево для вуза в целом, исключая только некоторые функции,
присущие только вузу в целом (управление финансами, бухгалтерский
учет, библиотека, транспорт и прочее). На уровне кафедр каждая кафедра
должна иметь свое дерево целей, которое также в какой-то степени может структурно повторять структуру вуза в целом.
После построения деревьев целей на каждом уровне иерархии вуза
проводится работа по перераспределению функций управления между
различными уровнями иерархии с целью предоставления большей самостоятельности нижележащим звеньям системы управления, если в этом
есть необходимость. При этом следует обеспечить контроль над тем, чтобы, передавая ряд функций нижележащим уровням, не утратить функции,
которые должны выполняться только централизованно, так как по природе своей в принципе не могут быть выполнены на нижележащих уровнях.
Примером может служить эксплуатация вузовских зданий и обустройство прилегающих территорий, управление финансами, содержание вузовской библиотеки и другие подобные функции. Однако существуют и
другие менее очевидные примеры. Например, во многих вузах проведение научных исследований передано на кафедры, которые их проводят по
своим характерным для них научным направлениям. Однако в такой ситуации бывает затруднено, а порой даже невозможно организовать исследования на стыке различных наук, для проведения которых требуются
совместные усилия специалистов не только различных кафедр, но разных
факультетов.
4.2. В случае организационных систем типа холдинга систему имеет
смысл представить в виде эшелонов, когда допускаются взаимодействия
между уровнями иерархии не только в форме прямых управляющих воздействий вышестоящего уровня на нижестоящий, но и взаимоотношения
между структурными единицами различных организационно-правовых
форм по горизонтали и вертикали в виде координирующих связей с разной степенью вмешательства. Структуризация целей в этом случае заключается в построении деревьев целей для организационной системы в
целом и для каждой структурной единицы на каждом уровне иерархии,
после чего также может возникнуть необходимость в перераспределении
функций управления между разными эшелонами системы. При этом все
время необходимо осуществлять оценку степени координируемости
41
предприятий и организаций, входящих в холдинг, чтобы не потерять целостности системы.
2.3. Формализация процесса структуризации целей. Анализ
Как показывает практика, сразу построить структуру целей, которая
во всех отношениях была бы удовлетворительной, невозможно. Это
сложный итеративный процесс, требующий уточнения списка групп факторов структуризации, состава этих групп, обсуждения результатов, организации экспертиз. Все это приводит к многократной повторяемости
формирования новых, откорректированных структур целей, что без использования компьютера очень трудоемко.
Идея организации процесса структуризации целей во всех рассмотренных методиках заключается в том, что формируется несколько групп
факторов, влияющих на структуризацию, а затем просматриваются всевозможные наборы конкретных факторов по одному из каждой группы.
Некоторым из этих наборов соответствует конкретный смысл, конкретная функция управления. Другие же наборы могут оказаться бессмысленными, тогда они отбрасываются. Просмотрев все множество возможных наборов факторов и отбросив бессмысленные или неактуальные в
данной ситуации для данного предприятия наборы, получают вполне
определенное дерево целей, которое затем может анализироваться и корректироваться.
1. Алгоритм организации процесса структуризация целей. Нет никаких принципиальных препятствий для организации описанного процесса
на компьютере, кроме одного: при определенном количестве групп факторов и определенных количествах факторов в группах возникает слишком много наборов, которые нужно просматривать. Например, при семи
группах факторов и семи факторах в каждой группе число всевозможных
наборов равно 7 в степени 7, то есть 823 543 наборов, что чрезвычайно
много, и все они не могут быть просмотрены в разумное время. Однако,
пользуясь тем, что многие наборы и даже целые ветви дерева, составленного из этих наборов, оказываются бессмысленными, можно процесс
просмотра организовать в диалогом режиме, отбрасывая ненужные ветви
сразу, что значительно сокращает перебор. Описание такого процесса
выглядит следующим образом.
g – количество групп факторов структуризации,
Нi,j – наименование j-го фактора в i-ой группе факторов,
Кi – количество факторов в i-ой группе факторов,
Вi – текущий номер фактора i-ой группы факторов,
Уi – номер фактора из i-ой группы в предъявляемом наборе,
Принято = истина, если предъявленный набор принимается,
Узел – наименование узла, соответствующего принятому набору,
42
Д m – m-ый узел формируемого дерева целей.
Вi = 0 для i; i = 0; p = -1; m = 0; (Переменная p содержит код пустой позиции для набора У)
Ц { пока i > = 0
если Вi < Ki
то Уi = Вi ; Вi = Вi + 1;
если i < g – 1 то Ц по j: i + 1  j  g - 1 { Уj = p;} конецесли
Вывод У; Ввод Принято, Узел;
если Принято
то s = "";
Ц по j : 0  j  g - 1
{ r = Уj; если r  p то c = Нj,r ; иначе с =
"-" ; s = s*c*".";}
s = s* Узел; Д m = s; m = m + 1;
если i < g – 1 то i = i + 1; Вi = 0; конецесли
конецесли
иначе i = i - 1;
конецесли
}
2. Оценка составляющих структуры целей и функций. Для анализа
полученного дерева целей можно использовать различные методы экспертной оценки. Наиболее распространенным методом является оценка
относительной важности составляющих структур целей и функций (то
есть узлов дерева) с использованием нескольких критериев и с учетом
весовых коэффициентов qi этих критериев. На каждом уровне для каждого узла b дерева экспертами заполняется матрица si,j, где i – номер критерия, а j – номер узла, подчиненного рассматриваемому узлу b. Значение
si,j – оценка относительного вклада j-го узла в достижение цели узла b по
i-му критерию. Значения si,j должны быть таковы, что выполняется
условие
j si,j
= 1 для каждого критерия i. Окончательная оценка rb,j =

важности j-го узла получается из соотношения rb,j = i (qi * si,j), где qi –
весовой коэффициент i-го критерия. Коэффициенты qi должны быть нор-

мированы, то есть должно выполняться соотношение i qi = 1.
В реальных условиях процедура оценки относительной важности
подчиненных узлов для каждого узла дерева целей выполняется в два –
три тура. После проведения каждого тура эксперты знакомятся с результатами оценок других экспертов и в принципе на основе этого в следующем туре могут пересмотреть свои оценки. По окончательным результа43
там оценок относительно каждого подчиненного узла принимается решение, оставлять его в дереве целей или нет.
3. Логический анализ структур АСОИУ. Результатом структуризации целей автоматизируемой системы является список функций и задач
управления системой. Эти функции и задачи должны быть распределены
между исполнителями, то есть отдельными руководящими работниками
организации и ее подразделениями. Если целью проектирования АСОИУ
является добавление новых направлений деятельности в организации или
ее реконструкция, то выявленные задачи должны быть распределены
между подразделениями существующей организационной структуры системы, может быть с добавлением или с ликвидацией или переориентацией старых подразделений. Если целью разработки АСОИУ является
новая система, то вначале подбирается подходящая система-аналог и ее
оргструктура затем соответствующим образом корректируется под выявленные функции и задачи проектируемой системы. Но в любом случае
полученный вариант оргструктуры должен быть подвергнут анализу на
предмет ее соответствия поставленным перед автоматизируемой системой задачами. Одной из важных целей анализа оргструктур является их
логический анализ на целостность системы по критерию степени централизации-децентрализации ее управления. Наиболее плодотворным методом такого анализа является использование для этих целей информационного подхода описания систем. В рамках информационного описания систем различают информацию восприятия, логическую информацию
и прагматическую информацию о системе.
3.1. Информация восприятия J получается в результате восприятия
органами чувств человека или в результате измерения приборами. Однако и в том, и в другом случае величина J определяется с некоторой точностью A и равна A/A, где A – это исходная измеряемая величина, а
A – принятая единица измерения. Например, электрическое напряжение
измеряется прибором с определенной точностью, которая задается делениями его шкалы, а количество производимых в стране автомобилей измеряется в 10000 штук. A – это относительная величина, которая выбирается в каждом конкретном случае из каких-то соображений. Но во многих случаях точность измерения может быть и объективной величиной
B, которая определяется природой измеряемого объекта. Например, те
же автомобили не могут измеряться с точностью, меньше, чем штука, так
как если меньше штуки, то это уже не автомобиль, вещество не может
измеряться с точностью меньше, чем одна молекула, так как если меньше
молекулы, то это уже не вещество и т. д.
По отношению к системе информация восприятия J – это данные о
ее элементах и связях между элементами. Это какие-то характеристики
элементов и их взаимосвязей. Другими словами, информация восприятия
44
J относится к какому-то понятию, обозначающему определенный класс
предметов или явлений (автомобили, принадлежащие фирме, работники
фирмы, продукция, выпускаемая фирмой и так далее). При этом J – это
объем всей информации, относящейся ко всем элементам рассматриваемого класса. Например, при восприятии текста на экране дисплея мы видим символы, причем каждый символ имеет определенную высоту (допустим, 8 пикселей) и ширину (допустим, 4 пикселя). Эту систему символов мы воспринимаем как текст и измеряем объем текста в количестве
n = 1000 символов. Таким образом, в данном случае A – это площадка
на экране в 8*4= 32 пикселя, которая отводится под изображение одного
символа. Но изображение символа содержит конкретную информацию о
том, какой пиксель, каким цветом должен выводиться на экран. Обозначим объем этой информации в битах символом H, и пусть H = 1024. Тогда объем информации обо всем тексте, выводимом на экран, равен J =
n*H = 1000*1024 = 1 024 000 битов.
3.2. Логическая информация (сущность понятия) H – это некоторая
усредненная информация, относящаяся к среднему представителю рассматриваемого класса. То есть H – это результат некоторой обработки
информации J и может выражаться соотношением
H = J / n,
(1)
где n – объем понятия (количество элементов в классе). Например, для
текста из n = 1000 символов, выводимого на экран дисплея, Н = 1 024 000
битов / 1000 = 1024 бита – это логическая информация об одном символе
текста и является в данном случае сущностью символа, а точнее – его количественной характеристикой.
Другой пример. Если на предприятии работает n = 3000 рабочих, а J

– это информация о рабочих предприятия J = k Jk, k = 1, …, 3000, где Jk
– информация о k-м рабочем, то H – это объем информация о среднем
рабочем. Могут использоваться и другие формы усреднения, например
среднеквадратическое :

H = ( k k2/n)1/2.
Кроме детерминированных форм выражения логической информации об элементах системы, могут использоваться и вероятностные формы. Например, если Jk – некоторые значения объемов для одного элемента, k = 1, …, m, а qk – вероятность k-го значения, тогда

H = К (qk *Jk), k = 1, …, 3000.
(2)
Для текста, отображаемого на экране, формула (2) может быть применена в тех случаях, когда шрифт не моноширинный и входящие в него
символы могут быть разной ширины.
45
3.3. Прагматическая (целевая) информация описывается аналогично
логической информации, только здесь под J понимается информация о
средствах достижения цели, а под n – количество бит информации о
средствах на один бит информации о цели (результате). То есть в данном
случае величина n определяется через известную величину J и известный
объем информации о цели, выраженные в битах, что в конечном случае,
если Н получать по формуле (1), приводит к равенству H объему информации о цели.
Наряду с рассмотренными выше видами информации вводится понятие сложности (содержания, смысла) С системы, которое определяется
в виде произведения
C = J × H.
Эту формулу можно пояснить на примере отображаемого на экране
текста. Человек воспринимает текст как некоторое графическое изображение, которое затем разбивается на элементы, между различными элементами устанавливаются всевозможные связи и уже на основе этих связей происходит распознавание изображения и воспринимается его содержание, смысл. В общем случае присутствуют все связи между элементами (пикселями) обобщенного, среднего представителя символов
текста (объем которого равен H) и элементами (пикселями) графического
изображения текста (объем которого равен J), то есть каждый с каждым.
Количественно это произведение J × H, а качественно это и есть содержание или смысл изображения
Различают системную сложность Cc, собственную сложность C0 и
взаимную сложность Cв. Системная сложность (системное содержание
или смысл) Cc – это сложность всей системы в целом, собственная сложность (собственное содержание или смысл) C0 – это суммарная сложность всех элементов системы вне связи их между собой, а взаимная
сложность (взаимное содержание или смысл) Cв – это сложность взаимных связей между элементами системы, так, что
Cc = C0 + Cв.
(3)
Это соотношение символически отображает закономерность целостности системы и говорит о том, что носителем, причиной целостности
системы является ее взаимное содержание Cв, так как именно из-за Cв
содержание Cc системы в целом отличается от суммарной сложности
всех ее элементов. Суммарная сложность C0 элементов в устойчивых системах оказывается больше сложности системы в целом. Например,
управление телевизором с точки зрения пользователя намного проще
суммарной сложности деталей, из которых телевизор состоит. Большим,
нежели Cc, может быть и Cв. Но если C0 > Cc, то с учетом (3) делается вывод, что знак Cв является отрицательным, что означает, что связанное содержание Cв как бы остается внутри системы, так как оно характеризует
46
ту ее работу, которая тратится на себя, а не на выполнение стоящей перед
системой цели.
Оценки величин Cc, C0 и Cв сами по себе ни о чем не говорят, они
могут быть использованы только для сравнительного анализа систем, их
элементов и структур из элементов и могут по-разному интерпретироваться. Например, Cв можно рассматривать как сложность конструкции
(схемы) технической системы или как сложность оргструктуры управления в организационной системе, а можно рассматривать как характеристику устойчивости технической системы, а в организационной системе –
как меру ее целостности.
При различной сложности элементов сравниваемых систем величины Cc, C0 и Cв могут ввести в заблуждение, так как Cв простенькой схемы
с большим числом элементов может оказаться таким же, как и у сложной
схемы с малым числом элементов, но с сильными связями между ними.
Поэтому удобнее пользоваться относительными характеристиками
 = - Cв/ C0 и  = Cc/ C0 ,
(4)
которые соответственно называются степенью целостности или связности элементов системы и степенью самостоятельности элементов системы или степенью использования возможностей элементов системы. Коэффициент  характеризует также степень устойчивости для технических
систем и степень централизации управления в организационных системах. Знак минус в формуле для коэффициента использован, чтобы оставить его положительным, поскольку величина Cв, как отмечалось выше,
является отрицательной. Потребовав, чтобы выполнялось неравенство Cc
>= 0, что вполне естественно, так как сложность системы в целом не может быть отрицательной по смыслу, получим, что выполняется |Cв|<= C0,
откуда следует:
0 <=  <= 1 и  = 1 - .
(5)
При Cв = 0 в системе отсутствуют связи между ее элементами, следовательно, они абсолютно автономны и степень целостности системы
нулевая, что характеризуется значениями  = 1 и  = 0. При |Cв| = C0,
наоборот,  = 1,  = 0, что возможно только, если Cc = 0, откуда следует,
что абсолютная целостность системы наступает при нулевой сложности
системы в целом, то есть при автоматической ее работе, не требующей
никакого внешнего по отношению к системе управления.
Приведем пример сравнительного анализа иерархических структур,
которые могут отражать различные варианты оргструктуры управляющей системы, включающие разное число заместителей директора и подчиненных им подразделений. Предположим, что целью всех вариантов
рассматриваемых структур является выбор из 8 элементов нижнего уровня (рис. 2.3). То есть задачей руководителей является решить, кому из 8-и
исполнителей надо направить документ на исполнение или поручить вы47
полнение возникшей проблемы. Это означает, что управляющая система
в целом на выходе имеет 8 вариантов. Если положить сложность одного
варианта равной 1 бит (выбран – не выбран), то системная сложность системы управления в целом окажется равной: Cc = log 2 8 = 3 бит.
На рис. 2.3а директор имеет двух заместителей, которые в свою
очередь имеют по два помощника. Здесь они представляет собой узлы с
2-мя связями. Если каждой связи сопоставить 1 бит информации (есть
связь – нет связи), то логическая сложность Н этого узла равна log 2 2 = 1,
а поскольку таких узлов 7 (рис. 2.3в), то в данном случае у системы в целом C0 = 7 * log 2 2 = 7 бит, а Cв = Cc - C0 = -4 бит. Откуда следует, что 
= 0,43,  = 0,67.
а)
б)
в)
г)
Cc = 3,
C0 = 7,  = 0,43,
Cв = -4,  = 0,67,
Cc = 3,
C0 = 4,6,  = 0,66,
Cв = -1,6,  = 0,34.
Рис. 2.3. Варианты управляющей системы выбора из 8 вариантов
На рис. 2.3б директор имеет двух заместителей, которые непосредственно управляют исполнителями. В этом варианте структуры управления имеется три узла (рис. 2.3г). Два узла с двумя связями и один узел с
шестью связями. В данном случае системная сложность остается, как и у
варианта 1а, Cc = log 2 8 = 3 бит, собственная сложность C0 = 2* log 2 2 +
1* log 2 6 = 4,6 бит, а Cв = Cc - C0 = -1,6 бит. Откуда следует, что  = 0,66,
 = 0,34.
Сравнительный анализ этих двух структур показывает, что целостность структуры на рис. 2.3а является выше, чем на рис.2.3б, она более
централизована и меньше предоставляет творческой свободы для своих
работников. Структура на рис. 2.3б обладает свойством децентрализации
в большей степени, кроме того, заместитель директора, управляющий 648
тью исполнителями в структуре, имеет вес даже больший, чем директор.
Причем это наблюдается и на практике. Независимо от склада характера
и личностей заместителей в случаях, когда ответственность за принятие
большинства управленческих решений директором перекладывается на
одного из своих подчиненных, реальное управление оказывается в руках
этого подчиненного, а не самого директора. Эта закономерность объективна.
Исследования показывают, что целостность системы (то есть централизация управления) растет с ростом числа уровней иерархии. Возрастает целостность системы и при увеличении числа непосредственных заместителей главного руководителя.
2.4. Задания и контрольные вопросы ко 2 главе
1. Какова роль целей при управлении организационными системами?
2. Перечислите предельные уровни устремлений человека.
3. Что такое пространство смыслов? Какие виды пространства смыслов существуют?
4. Что такое дерево целей?
5. Что включается в перечень факторов, влияющих на деятельность
организационной системы?
6. Опишите метод структуризации целей, основанный на процедурном и факторном представлении систем.
7. Опишите метод структуризации целей, основанный на использовании понятий надсистемы, подсистемы и актуальной среды.
8. Укажите особенности структуризации целей в многоуровневых
системах.
9. Что такое информация восприятия?
10. Что такое логическая информация?
11. Что такое прагматическая (целевая) информация?
12. Какие характеристики используются для оценки сложности систем?
13. Как выполняется оценка составляющих структуры целей и функций?
14. Как осуществляется сравнительный анализ различных вариантов
структуры управления организационными системами?
49
Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ АСОИУ ОРГАНИЗАЦИОННЫХ СИСТЕМ
3.1. Формальные и неформальные методы моделирования
1. Моделирование проблемной области и формальная постановка
задачи. По определению АСОИУ – это система управления, в которой
при решении задач должны широко использоваться компьютерные технологии. Но для того, чтобы задачу можно было решать на компьютере,
она должна быть формализована, затем должен быть составлен алгоритм
ее решения, который потом должен быть реализован в виде программы.
Формализация задачи – это первый и самый важный этап подготовки ее
решения с помощью вычислительных средств. Заключается он в переходе от словесной (вербальной) формулировки задачи к ее формальной постановке, то есть к формулировке в терминах какой-либо математической теории или на каком-либо другом формальном языке. Этот переход
начинается с формального описания ее проблемной области, то есть той
реальности, с которой задача имеет дело. Процесс такого формального
описания называется моделированием рассматриваемой проблемной области, а само описание называется ее формальной моделью. В формальной модели отражаются только существенные детали проблемной области, необходимые для решения поставленной задачи, хотя то же самое
можно сказать и о вербальных описаниях. Поэтому вербальные описания
тоже могут рассматриваться как модели, относимые к типу неформальных моделей, заданных в словесной форме. К неформальным моделям
следует отнести также и любые другие системы представлений о проблемной области решаемой задачи, например, совокупность интуитивных представлений, еще не выраженных даже вербально.
Формальная модель проблемной области рассматриваемой задачи
позволяет получить ее формальную постановку, которая формулируется
в терминах этой модели. Любая задача в исходной постановке имеет цель
и средства ее решения. Цель решения задачи – это состояние ее проблем50
ной области, которого необходимо достичь. Средства решения задачи –
это элементы этой области, с использованием которых или посредством
которых цель достигается. В формальной постановке задачи ее цели сопоставляется целевой критерий – некоторая информационная структура
(в простейшем случае число) для оценки просто факта или степени ее достижения. То есть целевой критерий – это некоторая характеристика состояний проблемной области, из которых по этому критерию выбирается
то состояние, которого надо достичь. Средствам решения задачи также
сопоставляются какие-то характеристики, то есть параметры, которые
описывают различные существенные для задачи свойства. Результатом
формальной постановки задачи является формальное описание связи целевого критерия задачи с параметрами средств ее решения.
2. Процесс решения задачи. Получив формальную постановку задачи, необходимо показать ее адекватность, то есть ее соответствие исходной проблеме в том смысле, что решение задачи в данной формальной
постановке приводит к решению самой задачи. Это может быть очевидно
без всяких доказательств, однако в сложных случаях требует особых усилий, например, проведения специальных экспериментов. Далее, убедившись в адекватности формальной постановки задачи, можно приступать к
определению метода решения задачи, а потом и разработке соответствующего алгоритма и программы. На рис. 3.1 иллюстрируется описанный
процесс решения задач в виде многослойной иерархической структуры.
Моделирование проблемной области задачи
Формулировка формальной постановки задачи
Определение метода решения задачи
Разработка алгоритма и программы
Рис. 3.1. Многослойная иерархическая структура процесса решения задачи
Рассмотрим к примеру задачу доставки грузов автомобильным
транспортом от поставщика из пункта А в пункт Б. Имеется несколько
видов грузовиков с разной грузоподъемностью и разным потреблением
бензина или дизтоплива на 100 км пути. Цель решения задачи – определить вид грузовика, обеспечивающего доставку груза с минимумом расхода денежных средств за бензин или дизтопливо. Средствами решения
задачи являются дорога и грузовики. Проблемной областью рассматриваемой задачи являются груз, дорога, связывающая пункты А и Б, грузовики и автомобильное горючее. С целью формального описания этой проблемной области зафиксируем следующие данные:
51
 вес перевозимого груза P,
 длина дороги в километрах L,
 стоимость горючего на 100 км пути для каждого вида грузового
автотранспорта v1,v2, … , v n, где n – количество видов автотранспорта,
 стоимость расхода горючего на проезд от пункта А к пункту Б и
обратно на транспорте i-го вида
Vi = 2L * vi / 100,
(1)
 pi – грузоподъемность грузовика i-го вида,
 количество рейсов грузовика i-го вида для перевозки груза,
ri = P % p i ,
(2)
где % – операция получения минимального целого большего или
равного числу P/pi,
 стоимость доставки груза из пункта А в пункт Б грузовиком i-го
вида.
Сi = Vi * ri.
(3)
В принятых обозначениях задача доставки грузов формулируется
так: найти j такой, что
Сj = min{ С1, С2 , … , Сn },
(4)
где j – целевой критерий рассматриваемой задачи доставки грузов, а
P, L, vi , Vi , pi , ri , Сi – параметры средств ее решения.
Числовые выражения (1)–(4) описывают связь между целевым критерием задачи и параметрами средств ее решения и являются ее формальной постановкой. Метод решения сформулированной задачи очевиден. Он заключается в простом переборе всех видов грузовиков: расчете
стоимостей доставки груза для каждого вида и выбора среди полученных
значений наименьшего.
3. Стохастическая постановка задачи. В рассмотренном варианте
задачи доставки грузов предполагалось, что значения целевого критерия
и всех параметров средств решения задачи известны и детерминированы.
Однако, могут быть ситуации, когда это не так. Например, расход автомобильного горючего зависит от условий эксплуатации автомобиля, от
качества дороги, от скорости движения и многих других факторов. Другими словами, это величина, которая в каждом конкретном случае имеет
некоторое случайное значение. В этом случае наша задача из детерминированной превращается в стохастическую. Если известен ряд наблюдений расхода автомобильного горючего для каждого вида грузовиков, то
обработав эти наблюдения стохастическими методами, можно выявить
такие характеристики, как математические ожидания расходов горючего
и дисперсии значений этого расхода для каждого вида автомобиля. Эти
значения затем можно использовать для оценки математических ожиданий и дисперсий значений характеристик, которые определяются форму52
лами (1)–(2). В результате модель проблемной области получается стохастической, что должно быть учтено при выборе метода ее решения.
4. Неаналитическое формальное моделирование. В обоих примерах
формализации задачи доставки грузов, рассмотренных выше, получаются
аналитические модели проблемной области, когда связи между различными параметрами модели описываются в виде выражений над числовыми значениями. При моделировании технических систем использовать
аналитические модели, как правило, удается. В организационных же системах часто встречаются задачи, моделирование проблемных областей
которых с помощью аналитических выражений не получается. Для иллюстрации такого положения вещей рассмотрим задачу доставки грузов в
следующей постановке.
Между этими пунктами А и Б имеется несколько маршрутов. Цель
решения задачи – выбор маршрута доставки грузов. а средствами ее решения являются автомобильные дороги, составляющие возможные
маршруты. Проблемной областью рассматриваемой задачи является сеть
дорог, связывающих пункты А и Б, грузы, которые надо перевозить, и автомобили, на которых грузы перевозятся. Сеть дорог можно представить
неориентированным графом G, вершинам которого соответствуют пункты, где дороги сходятся или разветвляются, а дугам соответствуют отрезки дорог между этими пунктами. На этом графе выделяется две вершины
a и b, соответствующие пунктам А и Б. Если нет никаких оговорок и требований в формулировке задачи доставки грузов, кроме требования доставить груз из А в Б, то в формальной постановке ее можно сформулировать как задачу поиска пути в графе G между вершинами а и b. Любой
путь в G, соединяющий вершины а и b, является решением задачи. Таким
образом целевым критерием задачи в данной формулировке является логическая характеристика «быть путем в графе G». Определив процедуру
формирования в графе G последовательностей дуг, являющихся путями,
мы получаем способ формального описания связи между целью задачи
«найти путь между вершинами a и b» и средствами достижения этой цели дугами графа G, который не является аналитическим.
В наиболее общем случае при формальной постановке задачи могут
варьироваться не только целевые критерии и компоненты достижения
цели, но и сами цели, если выясняется невозможность их достижения.
При решении задач организации современного производства требуется учитывать все большее и большее число факторов различной природы, которые являются предметом исследования различных областей знаний. В этих условиях, как правило, один человек не может принимать
решение о факторах, ведущих к достижению цели в решаемой задаче.
Поэтому в таких ситуациях в формировании моделей проблемных областей решаемых задач и в определении методов их решения необходимо
участие коллектива специалистов различных областей знаний, между ко53
торыми следует организовать взаимодействие и взаимопонимании. В
этом случае говорят о методах коллективного принятии решений.
5. Классификация методов моделирования систем. В числе целевых
критериев задачи могут быть и неформализуемые параметры, например
такой праметр, как «степень комфортности езды», которая определяется
состоянием дороги. В таком случае необходимо ввести специальную
шкалу для оценки степени комфортности и оценивать эту степень с использованием этой шкалы с помощью экспертов. В результате получается модель проблемной области задачи, которая формальна лишь частично, в этой модели оценка значения параметра «степень комфортности езды» осуществляется не формально с помощью аналитической формулы
или формализованной процедуры, а неформально с помощью процедуры
опроса экспертов. В силу неформальности процедуры оценки значения
параметра «степень комфортности езды» она не может быть выполнена
на компьютере, однако компьютер в данном случае может быть применён для обработки данных опроса экспертов и дальнейшего использования результатов этой обработки.
В связи с этим методы моделирования проблемных областей задач
АСОИУ делятся на два больших класса: методы формализованного
представления систем (МФПС) и методы, направленные на активизацию использования интуиции и опыта специалистов (МАИС). В литературе часто встречаются и другие названия этих двух классов методов моделирования. Для методов МФПС используется термин «количественные
методы», а для МАИС – термин «качественные методы».
Класс МФПС методов формализованного представления систем содержит множество методов различной направленности. В него входят
аналитические и стохастические методы, а также обширный класс методов дискретной математики. Методы из класса МАИС являются неформальными и применяются в случаях, когда нет возможности осуществить
формальную постановку задачи либо в силу большой изначальной неопределенности, либо по причине невозможности найти формальный метод решения задачи в силу ее сложности.
3.2. Методы моделирования с применением теории множеств и
математической логики
Проблемные области значительной части задач управления в организационных системах таковы, что у их элементов наряду с обычными
числовыми параметрами, имеются параметры, которые принимают либо
числовые дискретные значения, либо значения из ограниченного списка
объектов нечисловой природы, либо логические значения 'истина' и
'ложь'. Естественно, что для моделирования таких проблемных областей
аналитические методы неприемлемы. Поэтому в таких случаях используются методы дискретной математики. В настоящее время дискретная
54
математика является бурно развивающимся направлением. Сюда включаются такие теории, как теория множеств, математическая логика,
теория алгоритмов, лингвистика, теория графов, теория автоматов,
комбинаторика и другие менее известные направления.
Мы рассмотрим примеры моделирования с использованием теории
множеств и математической логики. И хотя эти теории традиционно относятся к дискретной математике, они имеют фундаментальное значение
для всей математики в целом, так как результаты этих теорий широко используются не только в случае совокупностей дискретных величин, но и в
случае непрерывных числовых совокупностей
1. Теория множеств. Основными понятиями теории множеств являются понятия множества и элемента множества. Один из основоположников теории множеств Кантор множество определял как «многое, мыслимое как единое». Под множеством мы можем мыслить что угодно:
множество действительных и множество целых чисел, совокупность конечного числа каких-то чисел, совокупность любых объектов – людей,
видов товаров, материалов, изучаемых процессов и тому подобное. Между любым элементом b множества M и самим множеством M существует
отношение принадлежности b  M . Над любыми множествами M и N
определена операция объединения M  N и операция пересечения
M  N . Часть A элементов множества M называется его подмножеством ( A  M ). Для любого подмножества A множества M определена операция его дополнения  A. Используется понятие пустого множества, то есть множества без элементов, которое обозначается знаком ø.
Над любыми множествами M1 и M2 определена операция произведения множеств M = M1 × M2 . Операция M × M обозначается в виде M2,
а M × M × M в виде M3, и т. д. Если каждому элементу b множества M1
поставлены в соответствие некоторые элементы множества M2 , то такое
соответствие r называется отображением M1 в M2 и обозначается в виде
r: M1 → M2 . Однозначное отображение, то есть когда каждому b  M
поставлено в соответствие один и только один элемент d  N , называется гомоморфизмом или функцией f над элементами множества M со
значениями в множестве N. Говорят, что функция f определена на множестве M, причем множество M называется ее областью определения, а
множество N называется областью ее значений. Запись f b, где b  M ,
обозначает элемент d  N , который функция f ставит в соответствие
элементу b. Индекс b в записи f b называется аргументом функции f, а
сама функция f называется одноместной функцией. Функция F: M1 × M2 ×
… × M N → M имеет N аргументов и называется N-местной функцией,
при этом запись Fx1, …, xN обозначает элемент d  N , который функция
55
F ставит в соответствие набору элементов x1 M 1 , . . . , xN  M N .
Если функция f определена на множестве M1, а ее значения принадлежат
множеству M2, причем при b ≠ c всегда f b ≠ fc , то функция f называется
изоморфным отображением множества M1 в M2 или изоморфизмом, или
взаимнооднозначной функцией.
Пусть функция f определена на множестве M1, а областью ее значений является множество M2. Допустим далее, что функция g определена
на множестве M2, а областью ее значений является множество M3. Сконструируем определенную на множестве M1 функцию fg, с областью значений M3 так, что если значение f b равно c, то значение fg b равно значению g c. Эта функция называется суперпозицией функций f и g. Операция
суперпозиции функций определяется и для функций с несколькими аргументами. Пусть функция F определена на множестве M1 × M2 × … × M N,
а областью ее значений является множество Li, 0  i  K. Далее пусть
функция G определена на множестве L1 × L2 × …× LK, а областью ее значений является множество M. Сконструируем функцию FG с областью
определения M1 × M2 × … × MN × L1 × … × Li-1 × L i+1 × … LK и областью
значений M так, что если значение Fx1, …, xN равно c, то значение FGx1, …,
xN,y1,…,yK равно значению Gy1, …, c,…,yK . Функция FG является суперпозицией функций F и G.
Если функция f осуществляет отображение множества M в M, то она
называется унарной операцией на множестве M. Функция g: M n → M
называется n-арной операцией на M. Множество M вместе с совокупностью определенных на нем всевозможных операций называется алгеброй. Если областью значений рассматриваемых функций является некоторая алгебра, например множество чисел N, то, используя операции этой
алгебры, можно из рассматриваемых функций конструировать новые.
Например, пусть заданы числовые функции fr,d и hr (то есть с числовыми
значениями из N), у которых аргумент r принимает значения из множества M1, а аргумент d принимает значения из множества M2. Тогда функция
fhr,d = fr,d + hr
(1)
тоже является числовой и представляет собой отображение
fh: M1 x M2 → N.
Заменяя в (1) операцию сложения на другие операции, мы будем получать другие функции. Кроме описанного способа конструирования новых
функций, существует и другой, с использованием кванторов. Кванторы –
это операторы, которые сокращают число аргументов, имеющих место у
исходных функций. Мы рассмотрим наиболее используемые кванторы:
квантор суммирования, квантор произведения, кантор минимума и
квантор максимума. Квантор суммирования
56
r fr,d осуществляет сумми-
рование по переменной r, в результате чего получается функция с одним
аргументом d. Аналогичный эффект дает квантор произведения Пr fr,d,
осуществляя перемножение. Квантор минимума MINr fr,d определяет минимальное значение, а квантор максимума MAXr fr,d – максимальное
значение для каждого фиксированного значения аргумента d.
2. Математическая логика. Математическая логика изучает частный, но очень интересный и широко используемый класс гомоморфных
отображений p: M → B, где M – произвольное множество, а B – логическое множество, состоящее из двух элементов 'истина' и 'ложь'. При M
= B любая функция g: B N → B, N = 1, 2, … является операцией на B.
Множество B является алгеброй, которая называется булевой алгеброй, а
функции g: BN → B называются логическими функциями или функциями
алгебры логики. Наиболее широко используемыми логическими функциями являются одноместная функция  отрицания, двуместная функция
 дизъюнкции и двуместная функция  конъюнкции. Функция отрицания меняет истинностное значение на противоположное (  'истина' =
'ложь',  ' ложь' = 'истина'), функция дизъюнкции дает значение 'ложь',
если оба исходных значения ложны, в противном случае она дает значение 'истина', а функция конъюнкции дает значение 'истина', если оба исходных значения истинны, в противном случае она дает значение 'ложь'.
Этот набор логических функций в логическом множестве B является
полным в том смысле, что путем суперпозиции этих функций можно получить любую другую функцию в B.
Если множество M не является множеством B, то функции p называются предикатами, определенными на множестве M. Предикат p: M → B
называется одноместным предикатом (с одним аргументом), а предикат
Р: M1 × M2 × … × M N → B имеет N аргументов и называется Nместным или N-арным. Если зафиксировать значения x1  M 1 , . . . ,
xN  M N , то выражение Px1, …, xN есть высказывание, относящееся к
данному набору значений x1, …, xN, которое является либо истинным,
либо ложным. Таким образом, с помощью предикатов можно записывать
всевозможные утверждения, относящиеся к элементам множеств или к
наборам элементов одного или нескольких множеств. К этим утверждениям можно применять логические функции и получать новые утверждения. Тем самым появляется возможность с помощью средств математической логики конструировать формализованные описания различных
высказываний, относящихся к элементам проблемных областей формализуемых задач.
Например, пусть R – множество работников фирмы, а D – множество
ее подразделений. Определим предикат S: R × D → B, представляющий
57
собой утверждение 'работник r работает в подразделении d'. Кроме того,
определим предикат G: R → B, представляющий утверждение 'работник r
является женщиной'. Тогда предикат
GDr,d = Sr,d 
(2)
r
представляет собой утверждение 'работник r работает в d и является
женщиной'.
Описанный способ использования логических функций к значениям
предикатов по сути задает определенный класс операций над предикатами. Причем такие операции не сокращают арность (то есть количество
аргументов) исходных предикатов. Однако, кроме такого рода операций,
как и в случае функций, существуют еще специальные операторыкванторы, сокращающие арность. Используется два квантора: квантор
существования и квантор всеобщности. Пусть задан предикат Px. Квантор
существования  x Px определяет высказывание «существует x такой, что
Px.= 'истина'». Квантор всеобщности  x Px "для всех x Px.= 'истина'".
Например, выражение  r GDr,d , где GD – предикат, заданный в (2),
определяет предикат, представляющий высказывание «в подразделении d
есть женщины».
3.3. Язык формализованного описания задач
Если объединить описанные в предыдущей лекции средства теории
множеств и математической логики в единую систему и дополнить эту
систему необходимыми средствами для описания алгоритмов, то получается язык формализации, который оказывается удобным и мощным средством формального описания проблемной области, формальной постановки и алгоритмов решения любых задач АСОИУ. Действительно, с помощью функций можно представить любые параметры элементов проблемной области любой формализуемой задачи, а с помощью предикатов
можно описывать любые логические условия, относящиеся к элементам
проблемных областей задач.
1. Представление характеристик элементов проблемной области
функциями и предикатами. Ранее был рассмотрен пример представления
информации о составе сотрудников в подразделениях фирмы в виде предиката Sr,d , а информацию, которая указывает пол сотрудников, в виде
предиката Gr, где r  R, а d  D (R – множество сотрудников фирмы, а
D – множество ее подразделений). Примером использования функций
может служить такая характеристика, как оклад сотрудников. Эта характеристика представляется числовой функцией Wr так, что значение Wr
для конкретного работника r равно его окладу. Другими словами, для
представления характеристик элементов проблемной области формализуемой задачи ее элементы разбиваются на однородные группы, которые
образуют различные множества M1, M2 , …, например, работники, под58
разделения, материалы, работы и т. д. У элементов этих групп существуют важные для рассматриваемой задачи свойства, то есть характеристики, которые выражаются в виде числа, наименования, кода, принадлежности какому-либо типу и т. п. Этим характеристикам при формализации
ставятся в соответствие функции с одним аргументом, который принимает значение из соответствующего множества, а соответствующими значениями функций являются числа, если характеристика числовая, слово
или текст, если характеристика текстовая или представляет собой шифр
(пример – функция Tbr, значения которой – это табельные номера сотрудников).
Существуют характеристики, которые отражают какое-то утверждение или высказывание, имеющее значение 'истина' или 'ложь'. Таким характеристикам сопоставляется одноместный предикат (пример – предикат Gr). Существуют характеристики, которые описывают определенную
связь между элементами одного или разных множеств. Связи могут относиться к парам элементов, тройкам и т. д. элементов. Таким характеристикам сопоставляются функции с двумя, тремя и т. д. аргументами.
Примером может служить характеристика 'быть сотрудником определенного подразделения фирмы', которая представляется предикатом Sr,d, или
характеристика 'заработная плата за определенный месяц', которая представляется функцией Zr,m, где m – аргумент, принимающий значения из
множества 'месяцы': январь, февраль и т. д.
Хотя существуют характеристики со значениями самой различной
природы, например, цвет, тип и прочее, характеристики элементов проблемных областей задач или связей между элементами всегда можно свести к числовым или текстовым (словарным) функциям и предикатам с
логическими значениями 'истина' или 'ложь'. Поэтому в языке формализации вводятся три стандартных множества: множество N чисел, множество T всевозможных текстовых цепочек и логическое множество B, состоящее из двух элементов: 'истина' и 'ложь'. И если любое нестандартное
множество, использованное в конкретном формализованном описании на
языке формализации, должно быть описано, то стандартные множества
не описываются, так как их смысл определен изначально.
На практике функции и предикаты, которые используются в постановке задачи и описании алгоритма ее решения, как правило, получают
конкретное значение не для всех наборов значений их аргументов. Часто
бывает, что по смыслу задачи значения функций и предикатов для определенных наборов значений их аргументов пустые, то есть не задаются.
Например, данные о количестве отработанных сотрудниками дней в текущем месяце по подразделениям фирмы можно представить функцией
ODr,d , где r  R, а d  D (R – множество сотрудников фирмы, а D –
множество ее подразделений). Если сотрудник r0 из подразделения d0 отработал 20 дней, то ODr0,d0 = 20, если же r0 не является сотрудником под59
разделения d0, то значение ODr0,d0 не имеет смысла и оно полагается пустым. Пустое значение обозначается символом ~ . В связи с существованием понятия пустого значения ~ этим значением пополняются и стандартные множества: множество N чисел, множество T всевозможных
текстовых цепочек и логическое множество B.
2. Построение выражений в языке формализации. К элементам
стандартных множеств в языке формализации применяются известные
арифметические операции сложения +, вычитания -, умножения *, деления / и прочие, операции конкатенации +, то есть соединения (приписывания друг к другу слов или текстовых цепочек), логические операции
отрицания не, дизъюнкции | и конъюнкции &. Кроме того, используются также операции сравнения чисел и текстовых цепочек: =, <, >, и <>
(не равно). Результатом операций сравнения являются логические значения 'истина' и 'ложь'. При этом любая из указанных выше операций имеет
значение ~, если такое значение имеет хотя бы один из ее операндов.
Для построения выражений в языке формализации используются:
– имена числовых, текстовых и логических переменных,
– числовые, текстовые (в виде 'ООО Рут') и логические константы
(истинно, ложно),
– обозначения функций и предикатов в виде Sr,d ,
r.
Переменные, которые используются для обозначения аргументов
функций и предикатов, называются предметными переменными, а множества значений этих аргументов называются предметными множествами. Обозначения переменных, констант, функций и предикатов, которые соединяются символами операций с использованием в необходимых случаях скобок, уточняющих порядок выполнения операций, образуют выражения:
(АБ + ДЕrb,дел) * 5.4,
(1)
(Чr = 78.5) & (Xm > а) | Sr,d.
(2)
Для построения выражений используются также кванторы. Например,
дел
( (АБ + ДЕrb,дел) * 5.4)
(3)
(4)
Все предметные переменные, использованные в бескванторном выражении типа (1) и (2), называются его свободными переменными. Выражение имеет значения, которые определяются набором конкретных
значений его свободных переменных и поэтому говорят, что оно зависит
от этих переменных. В выражениях, образованных кванторами типа (3) и
(4), предметная переменная при кванторе (кванторная переменная) называется связанной переменной, причем она должна быть свободной в подкванторном выражении. Свободные переменные подкванторного выражения за исключением кванторной переменной составляют совокупность
свободных переменных всего кванторного выражения. Необходимо от-
 r ( (Чr = 78.5) & (Xm > а) | Sr,d)
60
метить, что кванторное выражение принимает значение ~, только если
для всех значений кванторной переменной подкванторное выражение
имеет значение ~.
Наряду с описанными средствами в языке формализации имеется
способ построения выражений с помощью условной связки при. Эта связка употребляется в следующем виде
при R1: W1 при R2: W2 … при RN: WN,
(5)
где W1, W2, …, WN – некоторые выражения со значениями одинакового типа (числовые или текстовые), а R1, R2, …, RN – выражения с
логическими значениями. Свободными переменными выражения (5) является объединение всех свободных переменных выражений R1, R2, …,
RN, W1, W2, …, WN. Значением формулы (5) является значение выражения W1, если истинно выражение R1, равно значению W2, если значение
R1 ложно, а значение R2 истинно и так далее. Если значение ни одного из
выражений R1, R2, …, RN не равно 'истина', то значение (5) равно ~.
3. Порядок построения кванторных выражений. Использование
кванторов суммирования
,
произведения П, минимума MIN и макси-
мума MAX опишем на примере квантора
торное выражение имеет вид:

. В самом общем виде кван-
(6)
n CH(n) при L(n),
где CH(n) – числовое выражение со свободной предметной переменной n, а L(n) – логическое выражение с переменной n в качестве свободной предметной переменной, называемое ограничителем диапазона изменения предметной переменной n. Значение кванторного выражения (6)
определяется суммированием значений выражения CH(n) по всем значениям предметной переменной n, для которых выражение L(n) истинно. В
(6) часть при L(n) может отсутствовать, тогда суммирование осуществляется по всем значениям переменной n.
Использование кванторов существования  и всеобщности  опишем на примере квантора . В самом общем виде кванторное выражение
имеет вид:
 к L(r),
где L(r) – логическое выражение с переменной r в качестве свободной предметной переменной.
Кроме описанных традиционных кванторов, в языке формализации
используется ряд дополнительных кванторов MINE к, MAXE к, CARD к,
квантор 'такой, что' и квантор 'где'. В отличие от кванторов MINк, MAX к,
кванторы MINE к и MAXE к в качестве значений принимают то значение предметной переменной r, для которого подкванторное выражение
имеет минимум или максимум.
61
Квантор CARD к применяется к логическим выражениям и в качестве значения принимает число таких значений переменной r, для которых подкванторное выражение истинно, и значение ~ в случае, когда подкванторное выражение для всех r имеет значение ~. Например, выражение
CARD d Sr,d
для каждого подразделения d равно числу работников, работающих в
этом подразделении.
Квантор 'такой, что', как и квантор CARD к, применяется к логическим выражениям и в качестве значения принимает то значение предметной переменной r, для которого подкванторное выражение истинно. Если
таких значений переменной r несколько, то выбирается одно из них, если
таких значений нет, то значение кванторного выражения 'такой, что' полагается равным ~. Употребляется квантор 'такой, что' в виде r: L(r), где
L(r) – логическое выражение, у которого предметная переменная r свободна. Например, выражение
d: Sr,d ,
для каждого работника r равно подразделению, к которому этот работник
относится.
Квантор 'где' употребляется в связке с числовыми или текстовыми
выражениями. В самом общем виде кванторное выражение имеет вид:
V(n) где n: L(n),
(7)
где V(n) – числовое или символьное выражение со свободной предметной переменной n, а L(n) – логическое выражение с переменной n в
качестве свободной предметной переменной. Выражение (7) принимает
то значение подкванторного выражения V(n), которое оно имеет для n
такого, что L(n) является истинным. Если для всех значений предметной
переменной n L(n) не является истинным, то значение (7) равно ~. В качестве примера использования квантора 'где' выступает следующее выражение:
Zr,m где m: m = 'январь',
которое для каждого работника r принимает значение, равное его зарплате за январь.
4. Присваивание значений переменным, функциям и предикатам в
языке формализации осуществляется с использованием операций единичного и множественного присваивания. Операция единичного присваивания имеет вид:
w = p,
где p – выражение, которое, в частности, может быть просто переменной или константой, а w – это обозначение переменной либо функции
или предиката с аргументами. Операция единичного присваивания заключается в установке переменной w значения выражения p. Если w –
функция или предикат, то значение устанавливается для текущих значе62
ний обозначенных аргументов этой функции или предиката. Если p не
переменная и не константа, то значение выражения p вычисляется для текущих значений его свободных переменных.
Операция множественного присваивания имеет вид:
Sa1, …, aK, p1, …, pN = P(p1, …, pN) для p1, …, pN.
Здесь S – функция или предикат с K + N аргументами, а p1, …, pN – свободные переменные выражения P. В результате этой операции присваивания S получает значения для всех наборов значений аргументов a1, …,
aK, p1, …, pN, в которых значения аргументов a1, …, aK фиксированы и
равны их текущим значениям, а аргументы p1, …, pN принимают всевозможные значения из множеств, на которых они определены в соответствии с природой функции или предиката S.
5. Алгоритмические средства языка формализации. Порядок выполнения операций присваивания в языке формализации определяется порядком их расположения в описании. Для обеспечения возможности менять этот порядок в языке формализации, как и в любом алгоритмическом языке, имеются средства построения структурированных описаний,
с помощью которых описание составляется из совокупности вложенных
друг в друга блоков различных типов. Простейшим типом блока является
составной блок, представляющий собой последовательность следующих
друг за другом операций присваивания или других более мелких блоков.
В частности, составной блок может состоять из единственной операции
присваивания.
Второй тип – условные блоки, которые имеют вид
если Y то B1 иначе B2 конецесли
или вид
если Y то B1 конецесли.
Здесь B1 и B2 – некоторые блоки, а Y – некоторое логическое выражение, называемое условием ветвления.
Третий тип блоков – циклические блоки, которые имеют вид
Ц{B1 пока Y то B2}
или вид
Ц{B1 до Y иначе B2},
или вид
Ц по i: H, K {B1}.
В блоках первого и второго видов может отсутствовать один из блоков
B1 или B2. Выполнение циклического блока первого типа заключается в
циклическом выполнении блоков B1 и B2, пока значение Y истинно.
Выполнение прекращается в момент проверки условия Y, когда значение
этого условия становится ложным. Все сказанное относится и к циклическому блоку второго типа с тем лишь исключением, что его выполнение
прекращается, когда значение условия Y становится истинным. Цикличе63
ский блок третьего вида называется циклом с параметром i. Он эквивалентен следующему блоку
I = H; Ц {пока i <> K то B i = i + 1;}.
Здесь H и K – некоторые выражения с целочисленными значениями.
Кроме рассмотренных средств блочного построения формализованных описаний, в языке формализации имеется операция безусловного перехода
на М,
где М – это метка, которой может быть помечена любая операция
присваивания или блок. Для обозначения конца последовательного просмотра формализованного описания используется операция конец, которая может быть помещена в любом месте, где по смыслу просмотр описания должен закончиться.
3.4. Аналитические и стохастические методы моделирования
Теперь мы начинаем рассматривать широкий класс методов формализованного представления систем (МФПС).
1. Аналитические методы. К аналитическим методам относятся традиционные математические методы, которые используют такие понятия
классической математики, как величина, формула, функция, уравнение,
неравенство, система уравнений или неравенств, логарифм, производная,
дифференциал, интеграл, экстремум и т. д. Эти методы имеют многовековую историю развития и широко используются в практике моделирования систем. На базе этих методов последнее время возникают новые
направления, например, математическое программирование (линейное,
нелинейное, динамическое) и теория игр. Эти новые направления стали
основой для развития прикладных направлений: теории автоматического
управления, теории оптимальных решений и многих других.
Специального рассмотрения требуют методы математического программирования. Идея математического программирования была впервые
предложена инженером Л. В. Канторовичем для решения экономических
задач, а потом независимо зарубежными учеными Данцигом и Купмансом. Привлекательность этих методов для решения слабоформализованных проблем, каковыми являются задачи планирования, распределения
работ и ресурсов, загрузки оборудования и других задач управления объясняется рядом следующих особенностей.
1.1. Используются понятия целевой функции и ограничений и ориентация на их формирование делает их средствами постановки задач, причем эти средства могут использоваться даже если не удается сформировать целевую функцию либо систему ограничений, поскольку в этом случае они помогают сформулировать задачу хотя бы в первом приближении.
64
1.2. При использовании методов математического программирования появляется возможность объединения в единой модели разнородных
критериев (разных размерностей и с различными областями значений).
1.3. Модель математического программирования позволяет выход на
границу допустимых решений, что не всегда возможно при использовании других математических методов.
1.4. Методы решения задач математического программирования
наглядно демонстрируют очень результативный прием пошагового приближения к решению.
1.5. Графическая интерпретация (рис. 3.2) задач математического
программирования дает представление об области допустимых решений.
Использование методов математического программирования поясним на примере задачи оптимальной загрузки цехов.
В трех цехах Ц1, Ц2 и Ц3 изготавливаются два вида продукции, при
этом процесс изготовления каждого из этих видов изделий последовательно развивается в каждом из названных цехов. Известен процент zi,j от производственной мощности i-го цеха, который занимает процесс изготовления единицы j-ой продукции в этом цехе, и цена cj реализации j-ой продукции. Требуется определить объемы xj продукции каждого вида (j = 1, 2),
которые следует производить при возможно более полной загрузке цехов, чтобы получить за рассматриваемый плановый период максимальный доход C от реализации продукции. Здесь параметр C является целевым критерием задачи, а zi,j, xj – это параметры средств ее решения. В
табл. 3.1 приводятся исходные данные для рассматриваемой задачи.
Таблица 3.1
Ц1
Ц2
Ц3
Цена продукции
Продукт 1
5%
1,6 %
2,9 %
240 руб.
Продукт 2
4%
6,4 %
5,8 %
520 руб.
100 %
100 %
100 %
Максимальная загрузка
В соответствии с табл. 3.1 имеем следующую систему ограничений:
5х1 + 4х2
(1)
1,6х1 + 6,4х2
(2)
2,9х1 + 5,8х2
(3)
х1, х2
(4)
Точки < х1, х2>, координаты которых удовлетворяют соотношениям
(1)–(4), называются допустимыми решениями рассматриваемой задачи.
В формальной постановке рассматриваемая задача формулируется следующим образом: необходимо определить допустимую точку < х 1,
х2
ечивающую максимум значения выражения
65
С = 240х1 + 520х2 → max,
(5)
где С – стоимость реализации продукции обоих видов. Выражение
(5) называется целевой функцией задачи. Целевая функция связывает целевой критерий с параметрами средств решения задачи.
На рис. 3.2 иллюстрируется система ограничений (1)–(4) заштрихованной областью, а выражению (5) при значениях С = 1900 и С = 1700
соответствуют линии, обозначенные надписью (5). Очевидно, решением
задачи является точка М =< 10.34, 12.07 > при С = 8757.
Так как все соотношения (1)–(5) в рассматриваемой постановке
являются линейными, то и сама задача является задачей линейного программирования. При нелинейных соотношениях постановка становится
задачей нелинейного программирования, которая требует других, более
сложных методов решения.
Рассмотренный пример иллюстрирует задачу с одним критерием.
Однако на практике возникают случаи, когда в задаче имеется несколько
целей, по которым надо находить оптимальное решение, тогда она сводится к многокритериальной задаче математического программирования.
х1
(2)
(3)
(5) С = 1900
(1)
(5) С = 1700
М
x2
Рис. 3.2. Графическая иллюстрация ограничений (1)–(4)
Например, задача оптимальной загрузки цехов может возникнуть в
следующей постановке. Необходимо в рассматриваемом плановом периоде обеспечить максимум объемов производства продукции обоих видов
по той причине, что фирма уже получила от покупателей предоплату, и
требуется отгрузить им продукцию в как можно короткие сроки. Здесь
66
имеется две цели: максимизация значения переменной х 1 и максимизация
переменной х2. Эти цели противоречивы, так как при увеличении значения х1 приходится уменьшать значение х2, и наоборот, поэтому необходима дополнительная информация о том, как устранить возникшее противоречие.
Существуют разные способы действий при наличии нескольких целевых критериев qi (i = 1, 2, …, M) у оптимизационной задачи.
Взвешенное суммирование целевых критериев:

I *qi , i = 1, …, M,
где i – веса целевых критериев, обычно i >= 0, а Q – новый обобщенный единственный целевой критерий.
Произведение целевых критериев:
или
Q = Пi qi , i = 1, …, M
Q = 1 - Пi (1- qi ), i = 1, …, M.
Случайное и неопределенное свертывание критериев:
Q = qi .
Замена некоторых целевых критериев на ограничения:
qi >= qi0 , 1 < i <= M
для случая, когда qi надо максимизировать, и на ограничения
qi <= qi0 , 1 < i <= M
для случая, когда qi надо минимизировать, где qi0 – некоторое желательное значение i-го критерия.
2. Стохастические методы. Во многих случаях проблемная область
решаемой задачи не допускает использование детерминированных выражений для описания взаимосвязей между ее элементами, процессами и
явлениями, потому что о численных значениях параметров этих элементов, процессов и явлений можно говорить лишь с некоторой вероятностью. В таких случаях используются стохастические (вероятностные)
представления об этих параметрах, когда они рассматриваются как случайные величины или процессы. Если рассматриваемый параметр x может принимать только конечное множество значений из некоторого
набора {x1, x2, …, xn}, то говорят о дискретной случайной величине, если
же x принимает любые значения из некоторого интервала [a, b], то говорят о непрерывной случайной величине. Каждое значение xi, дискретной
случайной величины может появиться с вероятностью pi. Эти вероятности задают закон распределения вероятностей данной случайной величины. Закон распределения вероятностей непрерывной случайной величины x задается либо интегральной функцией распределения вероятностей
F(x), либо плотностью распределения вероятности p(x).
67
На практике часто бывает трудно или вообще невозможно определить законы вероятностей параметров элементов проблемной области, в
таком случае используют различные характеристики случайных величин
x, такие как математическое ожидание (среднее значение) mx и диспер2
сию  x .
В условиях, когда некоторые параметры проблемной области решаемой задачи являются случайными величинами, формальная постановка
задачи усложняется, так как при этом необходимо учитывать данные о
законах распределения вероятностей случайных величин. Для примера
рассмотрим формулировку задачи оптимальной загрузки цехов для случая, когда цены на продукцию достоверно не известны, а имеются данные о распределении вероятностей возможных значений этих цен как
дискретных случайных величин. Эти законы задаются следующими
функциями:
gj,k – k-ое возможное значение цены на продукцию j-го вида (j = 1, 2;
k = 1, 2, …, mj),
Pj,k – вероятность k-ого возможного значения цены на продукцию jго вида (j = 1, 2; k = 1, 2, …, mj).
Из значений цен множества g1,k и значений цен множества g2,k составим всевозможные пары. Число M таких пар, очевидно, равно m1*m2.
Определим функции:
s j,q – цена на продукцию j-го вида из q-ого сочетания возможных
цен (q = 1, 2, …, M),
p q – вероятность q-го сочетания возможных цен на продукцию (q =
1, 2, …, M).
Значение pq в случае независимости распределений вероятностей для
цен 1-го и 2-го видов продукции друг от друга получается путем перемножения значений вероятностей P1,u и P2,v. Здесь u – номер возможного
значения цены 1-го вида продукции в q-м сочетании цен, а v – номер
возможного значения цены 2-го вида продукции в этом сочетании.
С использованием введенных функций задача оптимальной загрузки
цехов распадается на M задач. Решение q-ой задачи обозначим в виде
<х1,q , х2,q, >, где х1,q – объем производимой продукции 1-го вида, а х2,q –
объем производимой продукции 2-го вида.
В этих обозначениях постановка q-ой задачи формулируется в виде
следующих соотношений:
5 х1,q + 4 х2,q
(6)
1,6 х1,q + 6,4 х2,q
(7)
2,9 х1,q + 5,8 х2,q
(8)
х1,q, х2,q
(9)
Cq = s 1,q х1,q+ s 2,q х2,q → max.
(10)
68
В результате решения указанных M задач получаются ряды значений
случайных величин:
х1,q, х2,q, Cq , q = 1, 2, …, M,
с вероятностями p q, которые затем используются для вычисления средних значений этих случайных величин и если надо, то и дисперсий. Полученные средние значения являются наиболее вероятными значениями
и поэтому могут рассматриваться в качестве решения задачи. Для проверки чувствительности решения можно попробовать решить задачу и с
другими наборами вероятностей Pj,k возможных цен на продукцию.
3.5. Методы моделирования с применением математической
лингвистики и семиотики
Математическая лингвистика и семиотика – самые молодые методы
формализованного представления систем. Математическая лингвистика
возникла как средство изучения естественных языков строгими математическими методами. Однако активный интерес к ее методам возник в
связи с развитием языков программирования и информационных систем.
Семиотика образовалась как наука о знаках, знаковых системах. Однако в
настоящее время произошло взаимное проникновение этих направлений
друг в друга настолько, что можно говорить о едином направлении –
лингвосемиотике. Основными понятиями, на которых базируются лингвистические представления, являются тезаурус, грамматика, семантика
и прагматика.
1. Тезаурус – это множество смысловыражающих элементов языка
(слов, словосочетаний и т. д.) с заданными смыслами у этих элементов.
Тезаурус представляется в виде многоуровневой структуры, состоящей
из страт (множество букв, множество слов, множество словосочетаний,
множество предложений, множество абзацев). Смысловыражающие элементы на каждой страте формируются из смысловыражающих элементов
предшествующей страты по определенным правилам и приобретают свой
собственный смысл, в данном случае как бы проявляется закономерность
целостности. Например, слова формируются из букв, словосочетания из
слов и т. д. Однако эти правила в тезаурус не включаются, в нем определяются только вид, наименование страты и вид смысловыражающих элементов. Таким образом, элементы каждой страты тезауруса находятся как
бы на более высоком уровне обобщения по отношению к элементам
предшествующей страты. Например, в языке программирования С на
самом низшем уровне можно выделить страту, элементами которой является алфавит языка. Следующий уровень – это идентификаторы переменных, типы значений и простейшие операции как то: сложение, вычитание, умножение, деление, дизъюнкция, конъюнкция и прочее. Следующую страту составляют выражения и операторы присваивания и так далее.
69
Можно говорить о глубине тезауруса того или иного языка, которая выражается числом страт, о видах обобщения при переходе от страты к страте.
В искусственных языках зачастую удается сформулировать правила
конструирования элементов страт из элементов предшествующих страт.
Например, в языке программирования такие правила формулируются
четко (как строятся идентификаторы из букв и цифр, как строятся выражения, операторы и так далее), поэтому при работе с такими языками нет
необходимости на каждой страте перечислять все входящие в нее элементы. В естественных языках таких четко формулируемых правил не
существует. Например, на страте слов приходится перечислять все слова,
существующие в языке, на страте словосочетаний перечисляются существующие словосочетания и так далее (именно так это делается в редакторах текстов, в которых осуществляется грамматический и синтаксический контроль вводимого текста, или в поисковых системах для разного
рода справочников). Поэтому составление тезаурусов для естественных
языков является сложной и трудоемкой задачей.
2. Грамматика, семантика и прагматика. Под грамматикой языка,
которую еще называют синтаксисом, понимают правила, с помощью которых формируются его конструкции, то есть его смысловыражающие
элементы. Для искусственных языков, пользуясь этими правилами, можно порождать синтаксически правильные конструкции или распознавать
их грамматическую правильность. Под семантикой понимается содержание, значение, смысл формируемых или распознаваемых языковых
конструкций, а под прагматикой понимается полезность конструкции
для данной задачи. Для естественных языков строго определить понятия
семантики и прагматики не удается, поэтому их поясняют на примерах.
Предложение "Муха лукаво всплеснула зубами" является в русском языке синтаксически правильным, однако не имеет смысла и тем более
прагматически бесполезное. Другое предложение "Девочка собирает цветы на лугу" является синтаксически правильным и имеет смысл. Однако
если его поместить в производственный отчет фирмы за отчетный период, то оно будет прагматически неправильным, поскольку там не будет
нести никакой полезной информации.
3. Формальные языки и формальные грамматики. При создании и
использовании искусственных языков применяются понятия порождающей и распознающей грамматик. Под порождающей грамматикой понимают совокупность правил, с помощью которых формируют (порождают) синтаксически правильные конструкции языка из его первичных
элементов, а под распознающей грамматикой понимается совокупность
правил, с помощью которых распознают синтаксическую правильность
той или иной цепочки первичных символов языка. Теоретические вопросы грамматик искусственных языков изучаются в теории формальных
языков. Формальный язык определяется как множество всевозможных
70
цепочек, каждая из которых построена некоторым формальным способом
из конечного множества элементов (символов), составляющих алфавит
языка. Способ построения формальных языков называют формальной
грамматикой и определяют в виде
G = <VT, VN, R, A>,
где VT – множество основных или терминальных символов, VN –
множество вспомогательных символов, R – множество правил вывода,
которые называются продукциями, а A – множество аксиом, то есть некоторых цепочек, которые изначально считаются заданными. Продукции
из R имеют вид
→ ,
где  – цепочка из символов множества VT  VN, а  – цепочка из
символов множества VT  VN, содержащая, по крайней мере, один
вспомогательный символ из VN.
Процесс порождения (или еще говорят вывода) цепочки начинается
с одной из аксиом, которая объявляется текущей цепочкой . Потом последовательно выполняются шаги подстановки в текущую цепочку новых символов по следующему правилу. Осуществляется поиск в цепочке
 вхождения одной из цепочек , которые в продукциях находятся слева от знака →, и вместо этого вхождения подставляется цепочка , которая находится справа от знака →. Эти подстановки выполняются до тех
пор, пока на очередном шаге не получится цепочка , в которой не обнаружится ни одного из вхождений цепочек , которые в продукциях
находятся слева от знака →. Эта цепочка  и является результатом порождения (вывода) очередной грамматически правильной конструкции
языка.
Продукции распознающей грамматики строятся из продукций порождающей путем перестановки в них цепочки слева от знака → на место правой цепочки, и наоборот. Если, последовательно применяя продукции распознающей грамматики к произвольной цепочке, удается получить из нее аксиому, то это говорит о правильности этой цепочки.
В качестве примера рассмотрим формальную грамматику, порождающую всем известный язык арифметических выражений, в которой VT =
{a, b, c, +, -, *, /, ), ( }, VN = {I, T, M, K }, A = {I}, а множество R состоит
из следующих продукций:
Порождающая грамматика
Распознающая грамматика
I→T
T→I
(1)
I → I+T
I+T → I
(2)
I → I-T
I-T → I
(3)
T→ M
M→T
(4)
T→ T*M
T*M → T
(5)
T→ T/M
T/M → T
(6)
71
M→ (I)
(I) → M
(7)
M→ K
K→M
(8)
K→a
a→K
(9)
K→b
b→K
(10)
K→c
c→K
(11)
Действительно, на первом шаге в качестве текущей цепочки полагаем цепочку, состоящую из одного символа I (I по определению является
аксиомой). Далее, применяя продукцию (2), имеем цепочку I + T. Применяя (5), имеем I + T*M; применяя (4), имеем I + M*M; применяя (8), имеем
I + M*K; применяя (9), имеем I + M*a; применяя (8), имеем I + K*a; применяя (10), имеем I + b*a; применяя (1), а потом (4), имеем M + b*a; применяя
(8), имеем K + b*a; и наконец, применяя (11), получаем выражение
c + b*a,
(12)
к которому неприменима ни одна из продукций. Теперь, применив к цепочке (12) правила распознающей грамматики, можно убедиться, что,
конечно же, она грамматически правильна:
c + b*a => K + b*a => K + K*a => K + K*K => K + K*M => K + M*M =>
M + M*M => M + T*M=> M + T => T + T => I + T => I.
4. Типы формальных грамматик. Выделяют 4 типа формальных
грамматик:
 на правила вывода R не накладывается никаких ограничений,
кроме одного: они не должны укорачивать исходную цепочку, то есть в
любой продукции из R цепочка справа должна быть длиннее цепочки
слева, такие грамматики называются неукорачивающими грамматиками
или НУ-грамматиками;
 помимо требования неукорачиваемости, накладывается ограничение, чтобы продукции в R имели вид: b  → B , где  и  – произвольные цепочки, называемые контекстом, b  VN – некоторый нетерминальный символ, а B – некоторая непустая цепочка; такие грамматики
называют контекстными грамматиками или грамматиками непосредственных составляющих (НС-грамматиками);
 помимо требования неукорачиваемости, накладывается ограничение, чтобы продукции в R имели вид: b → B , где по-прежнему b  VN
– некоторый нетерминальный символ, а B – некоторая произвольная цепочка; такие грамматики называют контекстно-свободными грамматиками (КС-грамматиками);
 помимо требований, которые выполняются для КС-грамматик,
накладывается дополнительное требование на вид цепочки B, которая в
этом случае должна иметь вид: D или Dd, где d  VN – некоторый нетерминальный символ, а D  VT – терминальный символ; такие грамматики называют автоматными или А-грамматиками (если нетерминальный символ d стоит справа, как указано выше, то А-грамматика называется праволинейной, можно строить грамматики с расположением нетер72
минального символа d слева, такие грамматики называются леволинейными А-грамматиками).
Имеет место соотношение A  КС  НС  НУ, то есть множество всевозможных КС-грамматик включает в себя множество всевозможных А-грамматик и т. д.
I
1
I 3
2
3
13
4
+
5
M
6
M
K
9
K
11
15
7
6 *
M
8
14
T
T
c
K
10
12
a
b
Рис. 3.3. Дерево вывода формулы c + b*a
В теории формальных грамматик наиболее популярным является
класс КС-грамматик, так как он достаточно широк и обладает многими
полезными свойствами. В частности, любой результат вывода в любой
КС-грамматике можно представить графически в виде "дерева вывода".
На рис. 3.3 изображено дерево вывода выражения (12).
5. Нормальная форма Бэкуса. Появление понятия КС-грамматики,
введенного Хомским, одним из основоположников теории формальных
грамматик, совпало с появлением метаязыка Бэкуса (или нормальной
формы Бэкуса), который используется для формального описания языков
программирования. Описание языка с использованием нормальной формы Бэкуса несравненно удобнее, чем его описание в виде формальной
грамматики с правилами вывода в виде продукций, и представляет собой
совокупность «металингвистических формул», то есть выражений вида X
::= Y1| …|Yn, где Х – некоторый текст, заключенный в угловые скобки и
называемый металингвистической переменной, а Y1, …,Yn – последовательности металингвистических переменных и основных символов языка. В частном случае допускается использование пустых последовательностей. Знак ::= называется металингвистической связкой и читается как
'есть' или 'это', знак | называется металингвистической связкой 'или'. Металингвистическая переменная представляет собой название конструкции
73
языка, а металингвистическая формула – это описание построения различных вариантов определяемой конструкции.
Для иллюстрации приведем описание на метаязыке Бэкуса рассмотренного выше языка арифметических выражений.
<переменная> ::= a | b | c
<операция> ::= + | - | * | /
< арифметическое выражение> ::= <переменная> | < арифметическое
выражение >< операция>< арифметическое выражение> | (< арифметическое выражение >< операция>< арифметическое выражение>)
Из описания на языке Бэкуса нетрудно получить совокупность продукций правил вывода R формальной грамматики, используя металингвистические переменные в качестве нетерминальных символов.
6. Семантика формальных языков. Чтобы задать семантику языка L,
необходимо определить множество смыслов S и интерпретирующее
отображение  языка L в S. Если, например, язык L – это язык программирования, то под смыслом конструкций такого языка понимаются те
операции, которые соответствуют его конструкциям в программе. Важным достоинством языков, которые описываются КС-грамматиками, является то, что отображение  такого языка можно определять с помощью
деревьев вывода. Поясним это на примере дерева вывода выражения (12)
на рис. 3.3. На этом рисунке вершинам с номерами 3 и 6, которые помечены символами + и *, соответствуют операции сложения и умножения.
Операндами операции сложения являются результаты вычислений в
вершинах с номерами 2 и 4, а результат сложения соответствует вершине
1. Операндами операции умножения являются результаты вычислений в
вершинах с номерами 5 и 7, а результат умножения соответствует вершине 4. Вершинам, помеченным символами a, b и c, соответствуют некоторые переменные, которые также будем обозначать a, b и c, считая, что
каждая из них имеет некоторое конкретное значение. Это значение является результатом вычислений в соответствующей вершине. Вершинам,
которые помечены нетерминальными символами, соответствует простое
равенство. Описанное смысловое значение каждой вершины дерева
определяет смысл всего дерева в целом.
7. Семиотические представления используют другие средства исследования семантических возможностей языков, нежели в лингвистике.
В семиотике центральным понятием является знак, как средство представления информации. Согласно семиотическим представлениям знак
имеет форму, синтаксис и семантику (смысл, значение). В семиотике используются языки синтагматического типа, правила вывода которых состоят из синтагм (ai r k bj), где ai  A, bj  B – взаимодействующие
множества (подклассы) исходных понятий языка r k  R – множество отношений, которые могут иметь произвольный вид. В частности, используются отношения эквивалентности, толерантности и строгого поряд74
ка. Отношение эквивалентности, как известно, рефлексивно, симметрично и транзитивно, отношение толерантности рефлексивно и симметрично, а отношение строгого порядка транзитивно, но антирефлексивно и
антисимметрично.
Примером отношения эквивалентности может служить отношение
сходства по принадлежности к частям речи на множестве понятий русского языка. Все слова русского языка, которые являются существительными, эквивалентны в рамках этого отношения. Эквивалентными также
являются все слова, являющиеся глаголом, все слова, являющиеся прилагательными и т. д.
Примером отношения толерантности, является сходство по падежу.
Обозначив это отношение символом , имеем, что этому отношению
принадлежат пары
рама  стол и стол  книгу,
так как слова 'рама' и 'стол' являются словами в именительном падеже, а
слова 'стол' и 'книгу' являются словами в винительном падеже. Однако,
этому отношению не принадлежит пара (рама, книгу), так как существительное 'рама' стоит в именительном падеже, а слово 'книгу' – в винительном. То есть отношение рефлексивно, симметрично, но не транзитивно.
Используя синтагматический способ, в принципе можно как угодно
полно описать грамматику естественного, в частности, русского языка.
Однако это очень трудоемкий процесс, так как для указания информации
об используемых отношениях приходится выписывать всевозможные
пары слов, принадлежащие рассматриваемому отношению.
3.6. Методы моделирования с применением теории конечных
автоматов
1. Конечным автоматом (в дальнейшем просто автоматом) называется система S = <A, Q, V, , >, где A – множество входных символов
(входной алфавит) автомата, V – множество его выходных символов (выходной алфавит), Q – множество состояний (алфавит состояний) автомата,  – функция : Q x A → Q, называемая функцией переходов автомата,
и наконец, – функция : Q x A → V, называемая функцией выходов. У
автомата может быть выделено одно состояние, которое называется
начальным состоянием. Все множества A, Q и V являются конечными
множествами. Функции переходов и выходов автомата, как правило, задают в виде таблиц, которые называются таблицами переходов и выходов. Пример таких таблиц для автомата, у которого A = {a1, a2, a3}, Q =
{ q1, q2, q3, q4}, V = {v1, v2} приводится ниже.
Таблица 3.2
Таблица 3.3
75
q1
q2
q3
q4
a1
q2
q4
q2
q4
a2
q2
q1
q2
q2
a3
q2
q1
q2
q1
a1
v1
v1
v1
v1
q1
q2
q3
q4
a2
v2
v1
v1
v1
a3
v1
v1
v2
v2
Табл. 3.2 переходов автомата и табл. 3.3 выходов автомата вместе
полностью определяют автомат, так как в них содержится вся необходимая информация. Иногда эти таблицы совмещают в одну, записывая в
клетках по два значения состояние, куда осуществляется переход автомата, и значение выхода.
Часто автомат описывают графом переходов, направленным мультиграфом, то есть таким графом, у которого вершины могут соединяться не
одной дугой, а несколькими. На рис. 3.4 представлен мультиграф, описывающий автомат, задаваемый таблицами 3.2 и 3.3. В этом мультиграфе
каждому состоянию автомата ставится в соответствие вершина, помеченная символом этого состояния, а дуги определяются так: если из состояния qi есть переход в состояние qj по входному символу ak, то на мультиграфе этому переходу соответствует дуга из вершины qj в вершину qj,
которая помечается символом ak, и тем выходным символом, который
соответствует данному переходу согласно функции  выходов автомата.
На мультиграфе достаточно просто формулируются условия корректности рассматриваемого описания автомата. Для любой вершины q
графа и для любого символа ai входного алфавита автомата в графе
должна существовать (условие полноты) единственная (условие непротиворечивости) помеченная этим символом дуга, выходящая из данной
вершины q.
a3,v1
a2,v1
a3,v1
q2
a1,v1
a1,v1
a2,v1
q1
a1,v1
a2,v2
q3
a1,v1
q4
a3,v2
a2,v1
a3,v2
Рис. 3.4. Граф переходов автомата, задаваемого таблицами 3.2 и 3.3
76
Согласно определению конечного автомата, он любой символ из A
на своем входе преобразует в выходной символ из V в зависимости от того,
в каком состоянии находился. Параллельно этому преобразованию автомат
переходит в новое состояние согласно его функции переходов.
Если на входе автомата задать какую-то последовательность из N
символов a1, ... aN, то он осуществит N последовательных переходов в
состояния
 (q, a1), …,  ( (…, (q, a1)…), aN),
где q – начальное состояние автомата. При этом параллельно этим
переходам на его выходе получится последовательность выходных символов v1, …, vN, таких что
v1=  (q, a1), …,  ( ( (…, (q, a1)…), aN), aN).
(1)
Другими словами, автомат осуществляет отображение множества A
всевозможных последовательностей из символов алфавита A в множество V всевозможных последовательностей из символов алфавита V по
формулам (1). Такие отображения слов в одном алфавите в слова в другом алфавите называются автоматными отображениями. Автоматные
отображения обладают двумя свойствами:
– входные и выходные слова отображения имеют одинаковую длину,
– если входное слово , где  и  – подслова слова , отображается в выходное слово  = 1  и длина подслова 1 равна длине
подслова  , то слово  отображается в слово 1.
Рассмотренное определение конечного автомата задает класс конечных автоматов, называемых автоматами Мили. Существует еще одно
определение конечного автомата, которое задает класс автоматов, называемых автоматами Мура. Автоматом Мура называется автомат, у которого функция выходов имеет один аргумент и зависит только от состояний автомата. Эта функция обычно обозначается символом  и называется функцией отметок. Для любого автомата Мили существует эквивалентный ему автомат Мура. Пусть дан автомат Мили S = <A, Q, V, ,  >,
где A = { a1, …, am}, Q = { q1, …, qn}.
Автомат Мура SM, эквивалентный данному автомату Мили S, строится
следующим образом: AM = A, VM = V, а QM содержит m*n + n состояний:
m*n состояний qi,j (i = 1, …, n, j = 1, …, m) соответствующих парам (qi, aj)
автомата S, и n состояний qi,0 (i = 1, …, n). Функции M и  задаются так:
M(qi,0, ak) = qi,k, для i = 1, …, n, M(qi,j, ak) = ql,k, где l таково, что (qi, ak) = ql;
 ( qi,0) не определено, для остальных состояний  (qi,j) =  (qi, aj).
Конечный автомат является довольно точной формальной моделью
дискретного цифрового вычислительного или управляющего устройства.
Входная буква – это входной сигнал устройства; входное слово – это последовательность входных сигналов, поступающих на вход устройства в
дискретные моменты времени (такты); выходное слово автомата – это
77
последовательность выходных сигналов устройства; состояние автомата
– это комбинация состояний запоминающих элементов устройства. Такая
интерпретация была основным стимулом развития теории автоматов с
целью решения задач анализа и синтеза дискретных цифровых устройств.
Однако автомат как формальная модель может иметь и другие приложения.
2. Сети из автоматов. Использование теории конечных автоматов
для формального моделирования цифровых вычислительных и управляющих устройств привело к необходимости ввести такое понятие, как сеть
автоматов. Любое цифровое устройство реализуется с помощью более
мелких цифровых элементов из определенного набора, соединяемых друг
с другом по входам и выходам по заданной схеме. Если каждому из этих
цифровых элементов сопоставить конечный автомат, моделирующий
функции этого элемента, и соединить эти автоматы по входам и выходам
подобно тому, как соединены в схеме устройства исходные элементы, то
получится сеть автоматов. Рассматривается несколько типов соединений
автоматов в сети, которые описываются ниже.
2.1. Параллельное соединение автоматов иллюстрируется на рис. 3.5а
– с раздельными входами и алфавитами А1 и А2 на этих входах и на рис. 3.5b
– с объединенными входами с общим алфавитом А. Автомат S = < A, Q,
V, , > на рис. 3.5а определяется следующим образом: А = А1×А2, Q =
Q1×Q2 , V= V1×V2 так, что входные символы а = (a1, a2), состояния q =
(q1, q2) и выходные символы v = (v1, v2) автомата S являются парами
входных символов, состояний и выходных символов автоматов S1 и S2
соответственно.
Функции переходов и выходов автомата S определяются следующими соотношениями:
 ( q, a) =  (( q1, q2), (a1, a2)) = (1(q1, a1), 2(q2, a2)),
(2)
 ( q, a) = (1(q1, a1), 2(q2, a2)).
(3)
а)
b)
V1
S1
A1
V1
S1
А
S2
A2
V2
V
S2
Рис. 3.5. Параллельное соединение автоматов
Автомат S = <A, Q, V, , > на рис. 3.5b определяется аналогично с
учетом того, что у него входные символы совпадают с входными символами автоматов S1 и S2.
 ( q, a) =  (( q1, q2), a) = (1(q1, a), 2(q2, a)),
 ( q, a) = (1(q1, a), 2(q2, a)).
78
Об автомате на рис. 3.5а говорят, что он имеет два входа и два выхода. Очевидно, что в случае более сложных сетей соответствующие им автоматы могут иметь сколько угодно входов и выходов.
2.2. Последовательное соединение автоматов иллюстрируется на
рис. 3.6.
A1
S1
V1 = A2
S2
V2
Рис. 3.6. Последовательное соединение автоматов
Эта связь также может быть описана как автомат S = <A, Q, V, , >, у
которого А = А1, Q = Q1×Q2 , V = V2, а функции переходов и выходов
определяются соотношениями
 (q, a) =  ((q1, q2), a) = (1(q1, a), 2(q2, v1)), где v1 = 1(q1, a),
 (q, a) =  (( q1, q2), a)= 2(q2, v1), где v1 = 1(q1, a).
S1
S1
S2
S3
Рис. 3.7. Примеры обратной связи в сети автоматов
2.3. Обратная связь иллюстрируется на рис. 3.7. Эта связь характеризуется тем, что в сети автоматов появляются циклы, которые и образуют обратные связи. Для описания сетей с циклами уже нельзя обойтись
без того, чтобы не вводить время. Время t может быть введено двумя
способами как дискретное время, представляющее собой последовательность единичных тактов t = 0, 1, 2, … или как непрерывное время. В первом случае полагается, что переход каждого элемента сети из одного своего состояния в другое происходит за один такт, тогда в случае последовательного соединения элементов, как на рис. 3.6, полный переход по
всей сети займет столько тактов, сколько элементов содержит самая
длинная цепочка последовательно соединенных элементов. При этом на
каждом такте в каждом элементе сети будут происходить какие-то переходы. В случае существования в сети обратных связей картина таких переходов усложняется и могут быть ситуации, когда с течением времени
на выходах сети бесконечно будут повторяться какие-то последовательности символов даже при неизменных входах.
Сети автоматов с дискретным временем называются синхронными
сетями автоматов и их поведение при определенных условиях может
описываться моделью конечного автомата. Сети с непрерывным време79
нем при наличии обратных связей уже не могут быть описаны как конечный автомат и представляют собой объекты уже совсем другого вида.
Автоматная модель, как уже отмечалось, широко используется при
решении задач анализа и синтеза дискретных цифровых вычислительных
и управляющих устройств. Однако эта модель может с успехом использоваться и для моделирования процессов организационного управления
в АСОИУ, например, в задаче организации обслуживания и ремонта
технологического или любого другого оборудования на предприятии.
Для иллюстрации способа такого моделирования рассмотрим процесс обслуживания средств вычислительной техники. С этой целью компьютер
опишем в виде конечного автомата Мура, который может находиться в
нескольких состояниях q0, q1, …, qn, где q0 – это исправное состояние, а
q1, …, qn – различные неисправности (не работает монитор, нет ввода с
клавиатуры, нет чтения с дискет и т. д.). Автомат имеет два входа. На
первый вход поступают воздействия a1, …, an обслуживающего персонала, переводящие автомат из любого состояния qi, i = 1, …, n в исправное
состояние q0. На второй вход поступают воздействия внешней среды, переводящие автомат в неисправное состояние.
На предприятии процесс обслуживания средств вычислительной
техники имеет структуру, представленную на рис. 3.8, где изображен
только один компьютер. Однако эта сеть легко расширяется простым добавлением новых компьютерных элементов путем параллельного их присоединения.
Сервис
Компьютер
Пользователи
Внешняя среда
Рис. 3.8. Автоматная модель процесса обслуживания средств вычислительной техники
Элемент сети 'сервис' представляет собой автомат, на вход которого
поступают заявки от пользователей вычислительной техники, переводящие его в новые состояния, связанные с наличием тех или иных заявок.
На выходе элемента – соответствующие воздействия на компьютер, переводящие его в исправное состояние. На второй вход элемента поступает с выхода элемента 'компьютер' сигнал, переводящий автомат в новое
состояние, в котором обслуженная заявка уже отсутствует. Элемент сети
'пользователи' имеет два состояния: 'рабочее' и 'нерабочее'. На входе он
имеет выход элемента 'компьютер', который соответствует его текущему
состоянию и переводит элемент 'пользователи' в нерабочее состояние в
случае неисправности. На выходе элемента 'пользователи' появляется за80
явка на обслуживание компьютера, если пользователи обнаружили неисправность и перешли в нерабочее состояние.
3.7. Методы, направленные на активизацию использования
интуиции и опыта специалистов (МАИС)
В практике проектирования АСОИУ всегда возникают ситуации, когда из-за недостатка информации о проблемной области решаемой задачи
либо по другим причинам не получается подобрать подходящий метод ее
формального моделирования. В этих случаях прибегают к методам неформального моделирования, то есть поиска решений за счет активизации интуиции специалистов, имеющих опыт работы в рассматриваемой
области. Допустим, некая структура планирует вложение своего капитала
в строительный бизнес в определенном регионе. Одним из этапов принятия решения в данном направлении является оценка рыночной ситуации
в этом регионе.
Если бы имелись данные о всевозможных факторах, влияющих на
появление заказов на строительные услуги в регионе, а также если бы
был доступ к статистической информации об этих факторах, то можно
было бы, используя соответствующие методы статистической обработки
этих данных, получить достаточно достоверные сведения о строительном
рынке. Но если такая возможность отсутствует, то ничего другого не
остается, как прибегнуть к помощи экспертов, то есть специалистов, которые так или иначе связаны с вопросами строительства и которые имеют по
этому поводу какое-то представление. Существует ряд методов работы с
экспертами, которые разработаны и применяются в различных ситуациях.
1. Методы «мозговой атаки». Первоначально метод мозговой атаки
или мозгового штурма применялся для открытия новых идей и для достижения согласия группы людей на основе интуитивного мышления.
Мозговая атака основана на гипотезе, что среди большого числа идей,
которые могут быть высказаны группой людей, имеются и хорошие, которые можно применить к решению поставленной проблемы. Для мозговой атаки могут быть приглашены даже люди, не имеющие прямого отношения к рассматриваемой предметной области. Такие люди не связаны
системой устоявшихся стереотипов, как это имеет место у специалистов
рассматриваемой области, и поэтому они случайно могут высказать
очень полезную идею. Для мозговой атаки создается соответствующая
обстановка, в которой участник чувствует себя свободно и, не стесняясь,
может высказывать все, что угодно. Все высказываемые мысли записываются ведущим, даже, если они на первый взгляд кажутся абсурдными.
Затем по окончании сеанса мысли анализируются, и среди них выбираются наиболее подходящие. Различного рода совещания, комитеты и
прочие мероприятия практически используют эти же принципы, однако,
в этих случаях, как правило, специально не создают обстановки, раскре81
пощающей участников совещания, что, конечно, не способствует свободному высказыванию своих мыслей. Методы мозговой атаки применялись, например, при разработке и реализации научно-исследовательских
программ НАТО, но уже в шестидесятые годы прошлого века они превратились во вспомогательное средство при реализации других методов
для работы с экспертами.
2. Методы типа сценариев. Метод сценариев заключается в описании экспертами представлений о проблеме в письменном виде. Первоначально этот метод предполагал подготовку текста, описывающего логическую последовательность событий или вариантов решения проблемы,
развернутых во времени, поэтому он и назывался методом сценариев.
Однако, в последующем требование временных координат было снято, и
сценарием стали называть любой документ, содержащий анализ рассматриваемой проблемы или предложения по ее решению. Сценарии пишутся
экспертами индивидуально, а затем разрабатывается согласованный
текст. В сценарий включают не только содержательные рассуждения, с
целью не упустить детали в будущей формальной модели, но включают
также и различные количественные технико-экономические и статистические данные. Экспертам, которым поручается разработка сценария по
заданной проблеме, обеспечивается широкий доступ к любой информации на предприятии, которая имеет прямое или косвенное отношение к
решаемой проблеме, и предоставляются возможности для консультации с
любыми работниками предприятия.
Сценарий позволяет создать предварительное представление о проблеме и ситуациях, которые сразу не удается учесть в принятой формальной модели. Однако сценарий – это все же текст, который не исключает
неоднозначного толкования, и это необходимо учитывать при использовании данного метода.
3. Методы типа "дерева целей". Идея метода дерева целей впервые
была предложена в связи с проблемами принятия решений в промышленности. Термин "дерево" подразумевает расчленение общей цели на
подцели в виде иерархической структуры. Элементы различных уровней
такой иерархической структуры обычно называют различными именами,
например, направления, проблемы, функции, задачи. Применительно к
проблемам управления в АСОИУ для наименования элементов разных
иерархических уровней дерева целей используются понятия "функции
управления" и "задачи управления", как более мелкого элемента, входящего в состав функции.
4. Методы экспертных оценок. Методы экспертных оценок являются в настоящее время очень популярными, и им посвящено большое количество работ. Многие представители точных наук воспринимают их
неоднозначно, усматривая в них произвол и недоказанность, однако в
жизни так часто встречаются ситуации, в которых приходится принимать
82
решения в обстановке большой неопределенности, так что других возможностей, кроме привлечения экспертов для оценки различных параметров проблемной области, просто не существует. То же самое имеет
место и при проектировании АСОИУ. При организации процесса получения экспертных оценок необходимо решить следующие вопросы:
 сформировать экспертную группу, учтя требования к экспертам в
смысле их компетентности (для чего необходимо эту компетентность
оценить),
 выбрать необходимые размеры группы (если потом предполагается статистическая обработка результатов, для которой необходимо
обеспечить нужную достоверность результатов),
 обеспечить в случае необходимости тренировку экспертов (чтобы они знали что делать и как делать),
 выбрать форму экспертного опроса (анкетирование, интервью,
мозговой штурм, написание сценариев, деловая игра),
 выбрать подход к оцениванию выбранных параметров проблемной области (количественная оценка значений параметров или ранжирование их значений в смысле больше-меньше, лучше-хуже, или упорядочение по предпочтению, или упорядочение методом попарных сравнений
и прочее),
 выбрать метод обработки полученных экспертных оценок (определение среднего значения, определение степени достоверности получаемых результатов, определение степени согласованности мнений разных
экспертов и прочее).
Выбор того или иного метода формирования группы экспертов, метода оценивания параметров, метода обработки полученных результатов,
конечно, зависит от конкретной задачи, однако есть и общие проблемы,
которые необходимо понимать при организации экспертного опроса.
Возможность использования полученных экспертных оценок и
обоснование их объективности обычно базируется на том, что неизвестная характеристика исследуемого параметра трактуется как случайная
величина p, а конкретные оценки pi конкретных экспертов – это разные
значения этой случайной величины. Причем предполагается, что истинное значение исследуемого параметра находится внутри диапазона оценок <p1, …, pn>, полученных от экспертов, а оценки <p1, …, pn> являются
репрезентативной выборкой случайной величины p.
Однако в некоторых случаях эти предположения оказываются неверными. Эти предположения оправданы, если исследуемая проблема
хорошо известна экспертам, и их можно рассматривать в качестве «хороших измерителей», а групповое их мнение близким к истинному. Если
же информации о проблемной области у экспертов мало, то их нельзя
рассматривать в качестве «хороших измерителей». В этом случае может
83
оказаться, что один эксперт, который более знаком с проблемой, чем другие и лучше других ее чувствует, даст более достоверную оценку. Эта
оценка может резко отличаться от оценок других экспертов и по этой
причине будет отброшена при использовании традиционных методов обработки статистических данных, хотя на самом деле она одна является
верной, а остальные ошибочны.
Другая проблема, которую надо иметь в виду при использовании методов экспертных оценок, заключается в том, что экспертные оценки
несут в себе не только узкосубъективные черты, присущие отдельным
экспертам, но и коллективное общепринятое мнение, распространенное
среди специалистов данной области. Это мнение может быть ошибочным, поэтому оценки, полученные экспертным путем, нужно рассматривать как некое «общественное мнение».
Есть еще одна особенность, на которую следует обращать внимание.
В сформированной группе экспертов может выявиться неформальный
лидер, который постепенно "уведет" всю группу в желаемом для него
направлении.
Разновидностью метода экспертных оценок является метод Дельфи,
который часто используется для повышения достоверности результатов
экспертных опросов. Опрос по методу Дельфи организуется итеративно в
несколько туров. После каждого тура и обработки результатов опроса,
полученных на этом туре, экспертов знакомят с этими результатами, после чего проводится следующий тур опроса. Как правило, опрос проводится методом анкетирования, и после каждого проведенного тура вопросник анкеты может уточняться с учетом уже полученных результатов
опроса. В результате такой итеративной процедуры каждый эксперт корректирует свой взгляд на проблему с учетом полученной информации о
мнении других экспертов, поэтому согласованность оценок разных экспертов от тура к туру будет повышаться. Однако здесь возникает проблема внушаемости или приспособляемости к мнению других.
При определении среднего значения оценки по методу Дельфи может учитываться компетентность экспертов в виде коэффициентов ki
компетентности, значения которых лежат в диапазоне от 0 до 1. Среднее
значение оценки в этом случае определяется по формуле:


pср = ( i piki ) / i ki.
Коэффициенты компетентности экспертов от тура к туру могут
определенным образом корректироваться с учетом согласованности оценок данного эксперта со значениями оценок других экспертов.
5. Методы решающих матриц. Недостатки методов экспертных
оценок привели к необходимости получения более объективных оценок
путем расчленения большой проблемы с большой неопределенностью на
более малые проблемы, лучше поддающиеся осмыслению.
84
Одним из путей реализации этого приема является метод решающих
матриц. В этом случае проблема представляется в стратифицированном
виде, то есть в виде иерархической структуры, имеющей несколько уровней-страт. На каждом уровне этой структуры имеется ряд более мелких
задач, в качестве исходных данных которых выступают результаты решения задач предыдущего уровня (рис. 3.9).
Для иллюстрации рассмотрим задачу оценки себестоимости производства работ на строительном объекте. Для этого полагаем, что весь
комплекс работ на данном строительном объекте разбивается на части
(рытье котлована, закладка фундамента, возведение стен, устройство
крыши и т. д.) с объемами работ a1, …, an, выраженными в соответствующих этим частям единицах.
a1
b1
c1
…
an
bg
…
…
ck
Рис. 3.9. Стратифицированная, иерархическая структура проблемы
Эти части составляют самый верхний уровень структуры, изображенной на рис. 7.1. Следующий уровень составляют всевозможные виды
строительных работ, которые необходимо выполнять при строительстве
объекта. Они также характеризуются объемами b1, …, bg, выраженными в
единицах, соответствующих этим работам. И наконец, нижний уровень
рассматриваемой структуры составляют ресурсы – материалы, инструменты, строительные механизмы и рабочая сила, степень использования
которых также характеризуется объемами c1, …, ck, выраженными в соответствующих единицах. Путем экспертных оценок, обработки имеющихся статистических данных и необходимых расчетов устанавливаются
значения коэффициентов pi,j , i = 1, …, n, j = 1, …, g и коэффициентов
qj,m, j = 1, …, g, m = 1, …, k. Коэффициент pi,j равен объему работы j-го
вида в единице объема i-ой части строительного объекта, а коэффициент
qj,m равен объему m-го ресурса в единице объема j-ой работы.
Считая заданными величины a1, …, an, можно рассчитать значения
величин b1, …, bg по формулам

bj = i pi,j*ai , i = 1, …, n,
а значения величин c1, …, ck по формулам
cm =
j
qj,m*bj , j = 1, …, g .
85
В результате оценка себестоимости работ на строительном объекте
составляет

C = m cm*sm , m = 1, …, k,
где sm – цена m-го ресурса.
6. Морфологические методы. Морфология – это учение о внутренней структуре, в биологии это внутренняя структура живого организма, в
языкознании это структура языка. Основоположником морфологического
анализа сложных систем является швейцарский астроном Цвигги, который предложил ряд методов морфологического моделирования. Наиболее интересным для задач проектирования АСОИУ является метод морфологического ящика. Он основан на построении морфологической таблицы, которая и называется морфологическим ящиком (1). Построение и
исследование морфологического ящика проводится в 4 этапа:
 формулировка поставленной проблемы;
 определение параметров (признаков) Pi, i = 1, …, n, от которых
зависит решение проблемы;
 построение морфологического ящика
p11, …, pk11
p12, …, pk22
(1)
p1n, …, pknn,
где pji – j-ое значение i-го признака, а k1, … , kn – количества значений у признаков. Конкретный набор значений признаков – это один из
вариантов решения задачи. Очевидно, что общее количество возможных
вариантов равно k1*k2*…*kn;
 оценка всех имеющихся вариантов и выбор наилучшего.
Морфологические ящики могут быть не только двумерными, но и
многомерными.
3.8. Задания и контрольные вопросы к 3 главе
1. Перечислите этапы процесса решения задачи с помощью компьютера.
2. Объясните понятия проблемной области задачи и моделирования
проблемной области.
3. Объясните понятия цели и средств решения задачи.
4. Перечислите известные Вам методы моделирования АСОИУ.
5. Опишите средства представления моделей задач с применением
теории множеств.
6. Опишите средства представления моделей задач с применением
математической логики.
7. Опишите язык формализованного описания задач.
8. Опишите аналитические и стохастические средства моделирования.
86
9. Опишите средства моделирования с применением математической лингвистики и семиотики.
10. Что такое конечный автомат, автомат Мили и автомат Мура?
11. Перечислите известные Вам методы моделирования задач с использованием интуиции и опыта экспертов.
Глава 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АСОИУ ОРГАНИЗАЦИОННЫХ СИСТЕМ
4.1. Общая характеристика процессов проектирования АСОИУ
Проектирование АСОИУ является сложной проблемой, при решении
которой необходимо искать компромисс между целостностью представления проектируемого объекта и детализацией описания его компонентов
в процессе разработки и реализации проекта.
1. Этот компромисс может быть найден в рамках системного подхода путем использования семейства моделей при стратифицированном
способе представления процесса проектирования, рассматривая следую87
щие уровни представлений об объекте проектирования и соответствующие им стадии проектирования от замысла, то есть концепции построения этого объекта до материального его воплощения и эксплуатации.
 Теоретико-методологический или концептуальный уровень
(предпроектная стадия процесса проектирования АСОИУ), на котором
выполняются работы по обследованию автоматизируемого объекта
управления, выявляются цели, функции и задачи объекта. В случае необходимости проводятся научно-исследовательские работы по выбору или
разработке формализованных моделей различных процессов в автоматизируемой системе, позволяющих проведение последующих проектных
работ. В результате на этой стадии разрабатывается технико-экономическое обоснование создания АСОИУ и техническое задание на ее разработку.
 Проектный уровень (стадия технического проекта процесса проектирования АСОИУ). На этом уровне решаются следующие задачи:
– окончательно уточняется список функций и задач управления, который был определен на предпроектной стадии,
– выбираются формальные модели решения задач управления автоматизируемой системой,
– выбираются готовые или разрабатываются новые алгоритмы решения задач управления,
– разрабатываются формы представления данных,
– определяются характеристики технических средств, которые
должны использоваться при функционировании АСОИУ,
– определяется информационная структура АСОИУ (способы представления информации и база данных).
 Инженерно-конструкторский уровень (стадия рабочего проекта
процесса проектирования АСОИУ), на котором выполняются следующие
работы:
– разработка проектной документации на необходимые устройства,
если в таковых есть необходимость,
– окончательный выбор технических средств реализации АСОИУ и
их структуры,
– настройка или разработка необходимых программ,
– разработка нормативно-технологических материалов, обеспечивающих функционирование проектируемой автоматизированной системы,
– разработка нормативно-технической и нормативно-методической
документации (положений, методик, инструкций, стандартов и прочих
документов),
– окончательный выбор технических средств реализации АСОИУ и
их структуры,
– оформление рабочего проекта.
88
 Уровень тестирования и опытной эксплуатации (стадия ввода системы в действие), на котором осуществляется:
– комплексная отладка системы,
– обучение персонала,
– поэтапное внедрение системы в эксплуатацию,
– оформление акта о приемо-сдаточных испытаниях АСОИУ.
 Уровень сопровождения и модернизации системы (стадия промышленной эксплуатации), на котором осуществляется:
– эксплуатация системы,
– обнаружение недостатков и ошибок, допущенных и не обнаруженных на стадиях проектирования системы, их текущее устранение и при
необходимости принятие решения о модернизации системы, когда описанный цикл проектирования может быть запущен с самого начала или с
любой его стадии.
Последовательность рассмотренных уровней или стадий проектирования АСОИУ составляет ее жизненный цикл. Характерной особенностью этого цикла является его повторяемость, когда возникает необходимость в модификации эксплуатируемой системы. Это соответствует
представлениям об АСОИУ как о развивающейся, самоорганизующейся
динамической системе.
Другой важной чертой жизненного цикла АСОИУ является наличие
циклов внутри описанной схемы:
– цикл первичного проектирования АСОИУ, то есть проход по всем
описанным стадиям жизненного цикла первый раз,
– цикл опытного внедрения, когда выявляются частные ошибки в
элементах проекта, которые устраняются, что приводит к необходимости
корректировок в документации, выполненной на предыдущих стадиях
проектирования,
– цикл после сдачи в промышленную эксплуатацию, когда выявляются ошибки в определении функций и задач системы,
– цикл модификации системы, о котором уже упоминалось, когда
возникает необходимость в адаптации системы к новым изменившимся
условиям.
2. Исходные данные для проектирования АСОИУ. На каждом из рассмотренных этапов проектирования АСОИУ используется своя система
представлений (то есть совокупность моделей) об объекте управления и
внешней среде, в которой он существует. На концептуальном уровне рассмотрения системы, то есть на предпроектной стадии проектирования
АСОИУ основной задачей работ является ответ на вопросы: с какими целями разрабатывается АСОИУ и какие функции и задачи должна решать
система. Эти вопросы и определяют систему представлений об объекте
управления и его внешней среде на концептуальном уровне.
Если говорить об организационных системах, то здесь в первую очередь необходимо определить совокупность всех факторов, влияющих на
89
функционирование системы. Наиболее продуктивно использование модели внешней среды организационных систем, согласно которой она состоит из надсистемы, подсистемы, актуальной среды и внутренней среды
системы, включающей в себя ее обеспечивающие части. Следующим шагом является формулировка стратегии развития системы, ее общих целей
и их структуризация с учетом выявленных факторов в результате изучения внешней среды системы и ее внутренней среды. Результатом структуризации целей является список функций и задач управления, который
составляет функциональную структуру АСОИУ, а способ представления
этой структуры (то есть в виде деревьев целей) определяет ее функциональную модель.
В результате рассмотрения задач функциональной структуры АСОИУ
определяются:
– входная и выходная информация для каждой задачи, что в совокупности дает состав данных, подлежащих использованию и обработке в
АСОИУ, способы их представления (в виде бумажных документов и/или
массивов данных в памяти компьютера) и объемы этих данных,
– способы представления данных в памяти компьютеров (с использованием интегрального хранилища в рамках выбранной СУБД или в виде отдельных массивов, доступ к которым обеспечивается системой
управления данными операционной системы),
– частота решения каждой задачи,
– способ решения каждой задачи (вручную или с помощью компьютера),
– длительность решения каждой задачи,
– трудоемкость решения каждой задачи (число человеко-часов, человеко-дней и т. п., которое требуется затратить на процесс решения),
– способ хранения и обработки данных (централизованный на одном компьютере, в локальной сети или в распределенной системе, которая включает в себя удаленные пункты хранения и обработки данных,
соединяемые телефонными каналами связи или каналами других типов).
Все перечисленные данные в совокупности составляют информационно-логическую структуру АСОИУ и являются исходной информацией
для ее проектирования.
3. Технологические модели процесса проектирования АСОИУ. Среди
известных технологий процесса проектирования АСОИУ выделяются
следующие.
3.1. Каскадная модель. Для этой модели характерна автоматизация
отдельных несвязанных задач или их комплексов, не требующая выполнения информационной интеграции и совместимости программного, информационного и организационного сопряжения. Такая модель проектирования оправдывает себя в тех случаях, когда возникают серьезные
ограничения на стоимость и сроки разработки проекта автоматизации.
90
Например, принимается решение об автоматизации только задач бухгалтерского учета, или задач автоматизации конкретного технологического
процесса. При каскадной модели осуществляется последовательный переход на следующий этап автоматизации после завершения предыдущего. Идеология каскадной модели проектирования АСОИУ широко применялась до недавнего времени и зафиксирована в существующих ГОСТ
на проектирование автоматизированных систем управления.
3.2. Итерационная модель. Необходимость в итерационной модели
возникает при проектировании АСОИУ методом снизу-вверх, когда вначале принимаются проектные решения по отдельным задачам, а потом
эти решения увязываются вместе, чтобы получить комплексный проект.
При этом, естественно, возникает необходимость в возвратах для корректировки решений по тем или иным задачам, так как их увязка друг с другом требует таких корректировок. При таком подходе, как правило, возникает много итераций, что приводит к необходимости большого объема
корректировок в проектной документации, большой запутанности и к
увеличению времени проектирования и его стоимости.
3.3. Спиральная модель. Необходимость в этой модели возникает при
проектировании по методу сверху-вниз, когда вначале определяется состав функциональных подсистем, а уж потом осуществляется постановка
отдельных задач. В этом случае вначале разрабатываются системные вопросы: создание интегрированной базы данных, разработка технологии
сбора, передачи и накопления данных, а потом технология решения отдельных задач. Программирование в этом случае ведется, начиная с головных программных модулей, осуществляющих требуемые общесистемные функции, после чего разрабатываются программные модули для
отдельных задач. При этом на первый план выходят вопросы организации интерфейсов программных модулей между собой и с базой данных, а
уж потом вопросы реализации отдельных алгоритмов.
В основе спиральной модели лежит применение прототипной технологии (RAD-технологии, Rapid application development). Согласно этой
технологии АСОИУ разрабатывается путем расширения программных
прототипов, когда выбирается некоторый готовый прототип разрабатываемого модуля или задачи в целом, который затем корректируется и
расширяется применительно к конкретному случаю. Таким образом организуется как бы движение вверх по спирали. Использование готовых
прототипов ускоряет процессы разработки, уменьшает число допускаемых
ошибок и сокращает количество итераций в процессе проектирования.
При использовании RAD-технологии предполагается активное участие пользователей будущей системы на всех этапах разработки: на
предпроектной стадии, на стадиях технического и рабочего проектов и на
стадии ввода проектируемой системы в эксплуатацию.
4.2. Информационное обеспечение
91
На стадиях технического и рабочего проектирования АСОИУ дается
ответ на вопрос «Какими средствами должны быть реализованы функции
и задачи управления, выявленные на предпроектной стадии процесса
проектирования?». Все эти средства реализации задач группируются в
так называемые обеспечивающие подсистемы:
– информационное обеспечение АСОИУ,
– математическое (программное) обеспечение АСОИУ,
– техническое обеспечение АСОИУ,
– организационное обеспечение АСОИУ.
Перечисленные виды обеспечения АСОИУ могут детализироваться,
например, из информационного обеспечения выделяют лингвистическое,
из математического – программное, из организационного – правовое, из
технического – эргономическое.
1. Информационное обеспечение включает в себя собственно информационное обеспечение (файлы и базы данных) и лингвистическое.
1.1. Файлы бывают
 бинарными, то есть представляющими из себя последовательность байтов – 8-разрядных двоичных кодов,
 текстовыми без разметки, состоящими из отображаемых (воспроизводимых на устройствах вывода) кодов символов и простейших
управляющих кодов типа возврат каретки, перевод строки и страницы,
табулирование,
 текстовыми с разметкой, состоящими из отображаемых кодов
символов и разметки для управления форматированием вывода текста
(файлы, создаваемые текстовыми редакторами Lexicon, Word, HTML,
SGML и другие),
 табличными, служащими для представления таблиц и состоящими из строк (то есть однородных форматированных записей), создаваемыми и обрабатываемыми табличными СУБД типа FoxPro, MS Access
или процессорами типа MS Excell,
 графическими – бинарными файлами, служащими для представления графической информации (форматы tif, bmp, gif, pcx, pic и пр.),
 мультимедиа, содержащими мультимедийную (аудио и видео)
оцифрованную информацию.
1.2. Базы данных бывают:
 фактографические – табличные базы данных, управляемые специальными программными системами, которые называются системами
управления базами данных СУБД (FoxPro, MS Access, Oracle, MS SQL и др.),
 документальные – базы данных, содержащие текстовые документы и управляемые программными оболочками типа STAIRS, ISS,
IRBIS и прочее,
92
 интеллектуальные – базы знаний или экспертные системы, управляемые программными оболочками типа EXPERT, OPS, HEARSAY, EXSYS
и другие,
 гипертекстовые – базы данных и базы знаний, управляемые гипертекстовыми системами, являющимися основой Интернета.
1.3. Лингвистическое обеспечение в свою очередь состоит из лексической базы, информационных языков и форматной базы.
1.3.1. Лексическая база включает в себя кодификаторы, классификаторы и тезаурусы.
Кодификаторы представляют собой словари, содержащие информацию о соответствии между часто используемыми понятиями и их кодами или шифрами, которыми эти понятия заменяются в файлах или других структурах с целью экономии места. Например, вместо указания пола
работников в виде 'мужской' и 'женский' могут использоваться коды 1 и
0, для указания подразделений предприятия могут использоваться их
шифры, для указания документов – их номера и так далее. При выводе
данных в виде документов на печать или экран дисплея вместо кодов и
шифров целесообразно подставлять соответствующие им наименования,
для чего и используются кодификаторы. Кодификаторы могут применяться и при вводе данных, когда оператор вместо ввода кода или шифра
выбирает строку из кодификатора, высвечиваемого на экране, и в результате автоматически вводится указанный код или шифр.
Классификаторы являются словарями, несущими определенную
смысловую нагрузку. Они описывают иерархическое разбиение проблемной области на классы, подклассы и так далее. Бывают классификаторы с
фиксированным числом иерархических уровней и с произвольным числом уровней. Примером может служить классификатор товарной номенклатуры, фрагмент которого представлен ниже.
Раздел Подраздел
Содержание рубрики
------------------------------------------------------------------------------------ ----------2200.00 Напитки алкогольные и безалкогольные, уксус
2201.00 Воды, включая минеральные, натуральные, искусственные, газированные, без добавления сахара
2202.00 Воды, включая минеральные и газированные с добавлением сахара
Процесс отнесения того или иного понятия к определенной позиции
в классификаторе называется индексацией.
Тезаурусы представляют собой толковые дескрипторные словари, в
которых значение каждой лексической единицы (слова или словосочетания), называемой дескриптором, интерпретируется через связи с другими
дескрипторами. Поэтому, кроме самих описываемых лексических единиц, в тезаурусе используются служебные метки, которые применяются
93
для указания отношений (связей) данной лексической единицы (то есть
дескриптора) с другими лексическими единицами (дескрипторами). Любая часть тезауруса есть перечень дескрипторных статей, каждая из которых посвящена конкретной лексической единице. В статье называется
сама лексическая единица, а затем последовательно указываются снабженные метками лексические единицы, с которыми данная единица связана. Метки обозначают вид связи. Примером таких меток являются:
BT1, BT2, BT3, … – используются для указания родовых связей
(Broader terms), то есть лексических единиц, находящихся на более высоких уровнях иерархии в стратах тезауруса, где числа 1, 2, 3, … – это номера уровней иерархии так, что последовательность лексических единиц,
помеченных кодами BT1, BT2, BT3, …, образует ветвь родовых связей
данной лексической единицы;
NT1, NT2, NT3, … – используются для указания видовых связей
(Narrower terms), то есть лексических единиц, находящихся на нижележащих уровнях иерархии в стратах тезауруса, где числа 1, 2, 3, … – это
номера уровней иерархии так, что последовательность лексических единиц, помеченных кодами NT1, NT2, NT3, …, образует ветвь видовых связей данной лексической единицы;
RT – используется для указания ассоциативных связей (Related term).
1.3.2. Информационные языки. В современных СУБД для манипулирования данными и их описания применяют специальные информационные языки. Причем для манипулирования данными используются языки
манипулирования данными (ЯМД), а для их описания языки описания
данных (ЯОД).
С помощью ЯМД решаются две задачи – поиск необходимых данных и описание формы отображения этих данных на экране дисплея или
устройствах печати. Причем, в системах управления фактографическими
(табличными) базами данных вместо термина ЯМД используется словосочетание «язык запросов» (ЯЗ), а в системах управления документальными базами данных применяется термин «информационно-поисковый
язык» (ИПЯ).
Стандартом для языков запросов в настоящее время является язык
SQL (Structured query language), хотя существуют и другие языки, используемые в других СУБД. По запросу, описанному на ЯЗ, СУБД выдает все строки указанных в запросе таблиц, которые удовлетворяют условию отбора, описанному в запросе. Кроме того, по запросу будут выбраны не все поля строк, а только указанные, причем они будут скомпонованы в нужном порядке и отсортированы по указанным ключам.
Информационно-поисковые языки включают в себя лексику (словарь лексических единиц текста, используемых для поиска). В качестве
такого словаря может выступать тезаурус. При вводе новых документов в
базу данных осуществляется формирование поискового образа документа
94
(ПОД), который в базе данных сохраняется наряду с текстом самого документа. ПОД документа представляет собой набор лексических единиц
из словаря, встречающихся в тексте документа. При вводе запроса на поиск документов формируется поисковый образ запроса (ПОЗ), также состоящий из лексических единиц словаря. Кроме ПОЗ, при осуществлении
запроса на поиск документов формулируется критерий смыслового соответствия (КСС), уточняющий правила отбора документов по ПОЗ. В процессе поиска документов ПОЗ запроса сравнивается с ПОД документов и
с учетом КСС отбираются нужные документы. Примерами информационно-поисковых языков являются поисковые языки, которые реализуются в Интернете в поисковых системах Yandex и Rambler.
1.3.3. Форматная база включает в себя типы и структуры данных, а
также форматы файлов, форматы экранных форм и структуру документов, выдаваемых на печать.
Среди возможных типов данных используются такие, как символьный, целый, действительный, двоичный, десятичный, логический, а также
дата, время и некоторые другие типы. Перечисленные типы данных
называются простыми типами в отличие от структур, которые представляют собой композиции из простых, например, массивы данных, располагающиеся в оперативной памяти компьютера или файлы, располагающиеся во внешней памяти. Кроме того, под структурами понимают также
произвольные композиции типов данных (записи, текстовые поля и прочее), которые определяются и используются только в конкретном проекте
или программе.
Понятие запись применяется для обозначения однородных блоков
информации, из которых часто составляется файл. Как правило, запись –
это структура данных, состоящая из элементов, называемых полями. Поля записи могут быть элементарными (со значениями, соответствующими
простым типам данных – символьными, целыми и т. п.) и групповыми
(агрегатными). Записи могут быть фиксированной и неопределенной (переменной) длины.
С появлением СУБД возникают новые разновидности структур данных – множественные поля данных, периодические групповые поля и
текстовые объекты (документы), имеющие иерархическую структуру
(документ, сегмент, предложение, слово).
1.3.4. Для унификации работы с файлами, содержащими данные той
или иной структуры, вводится понятие формата файла. Для бинарных
файлов не предусматривается никакого специального формата – это простая последовательность байтов, которая может считываться с внешних
носителей или записываться туда произвольными порциями, и задача интерпретации данных в файле целиком лежит на программе, работающей с
данным файлом. Структура и интерпретация содержимого текстовых
95
файлов определяются текстовым редактором, в котором файл создается и
обрабатывается. Для файлов, состоящих из строк (записей), используются следующие способы идентификации записей в файле.
Фиксированная длина записей, когда все поля записи в файле имеют
фиксированную длину, количество и типы значений полей также фиксированы и как следствие, длина всей записи тоже фиксирована. Структура
записей файла и интерпретация ее полей описываются в программах, работающих с данным файлом.
Записи с разделителями, когда поля записи отделяются друг от друга
специальными разделителями, а в конце записи также помещается специальный код – разделитель записей. В данном случае упомянутые разделители должны быть уникальны и не могут использоваться внутри полей
записи. Интерпретация полей записей файла описывается в программах,
работающих с данным файлом.
Записи с метками, когда каждая запись отображает значение произвольного типа и вначале записи помещается метка, иначе называемая
тэгом, указывающая на тип значения этой записи. Интерпретация тегов,
используемых для идентификации записей, осуществляется в программах, работающих с данным файлом.
Автономное описание структуры записей в файле, когда полное
описание структуры записей в файле помещается отдельно от записей,
например, в заголовке файла или даже в отдельном файле. В этом случае
в программах, работающих с таким файлом, для интерпретации структуры и полей записей файла используется описание их структуры. В результате достигается независимость описания записей файла от программ, так что определенные изменения в структуре записей и отраженные в описании этой структуры могут не потребовать изменений в программах, работающих с данным файлом.
1.3.5. Структура документов, выдаваемых на печать, включает в себя:
– их содержание, то есть состав реквизитов документов, наименования которых размещаются в шапке документа и являются наименованиями его граф либо размещаются в заголовке документа, если относятся
ко всему документу в целом (например, номер документа, дата его формирования, подразделение, в котором документ сформирован, и так далее),
– подвал документа, в котором размещаются должности и фамилии
ответственных лиц с их подписями.
Форматы экранных табличных форм так же, как и документы, выдаваемые на печать, состоят из заголовочной части и шапки, в которой размещаются названия граф формы. Кроме табличных экранных могут использоваться и любые произвольные формы. Описание формата произвольной экранной формы содержит описание отображаемых в форме
реквизитов и их расположения.
96
4. Разработка модели и защита данных. Основной задачей разработки информационного обеспечения АСОИУ является выбор для всех
ее документов способов их представления как в текстовом виде, то есть в
виде документов, выдаваемых на печать, так и на экране дисплея и в памяти компьютера в виде файлов определенной структуры или в виде баз
данных. При этом, для всех видов представления данных должны быть
разработаны соответствующие форматы. В этом и состоит задача разработки модели данных.
Проблема разработки защиты данных в АСОИУ заключается в обеспечении двух требований:
– защита данных от разрушения в результате неправильных действий пользователей или различных сбоев в работе системы,
– защита файлов и баз данных АСОИУ от несанкционированного
доступа, то есть доступа к ним лиц, не имеющих на то прав.
4.1. Для защиты данных от разрушения в результате неправильных
действий пользователей или различных сбоев в работе системы используется известный проверенный широкой практикой прием архивации
данных с последующим их восстановлением в случае их разрушения. С
определенной периодичностью (например, один раз в день) все данные
системы дублируются в архив. Если при сбое в системе или в результате
ошибки пользователя данные в каком-либо файле системы испортились,
то этот файл восстанавливается из архива. Но в этом случае теряются те
данные, которые попали в испорченный файл в период с момента его последней архивации и до момента сбоя. Эти данные после восстановления
файла из архива должны быть снова введены.
В зависимости от объема изменений в файлах в единицу времени,
для разных файлов может выбираться своя частота их архивации. В простейшем случае частота архивации может быть назначена единой для
всех файлов АСОИУ. В некоторых операционных системах существуют
специальные программы архивации файлов, которые настраиваются на
любую частоту и любой режим архивации с учетом времени дня и дней
недели. В случаях, когда требуются особый режим и способ архивации
данных в АСОИУ и их восстановления из архива, может быть разработана специальная программа.
4.2. Для защиты данных от несанкционированного доступа применяются методы, которые делятся на два класса (называемые в русскоязычных переводах западных источников политиками безопасности):
– избирательный контроль доступа к данным,
– полномочные методы контроля доступа.
Суть избирательного контроля доступа заключается в том, что в
системе определяется ряд типов доступа к данным (чтение, запись, удаление, работа в определенные часы суток или дни недели и прочее).
Формируется матрица, описывающая для каждого субъекта и объекта до97
ступа разрешенные типы доступа к данным. Задача системы избирательного контроля доступа заключается в идентификации каждого пользователя и последующем контроле его доступа к защищенным данным.
Полномочные методы контроля доступа основываются на понятии
многоуровневой защиты. Все объекты защиты, то есть файлы и базы
данных, распределяются по уровням ценности, а отдельные пользователи
данных или группы пользователей распределяются по уровням полномочий. При этом каждому уровню полномочий определяется уровень ценности, начиная с которого и ниже разрешается доступ.
При любом методе контроля доступа к данным нужно обеспечить
возможность изменять параметры системы защиты, необходимо иметь
возможность регистрировать в системе новых субъектов или исключать
старых, изменять права доступа субъектов к данным и менять характеристики доступа у самих объектов доступа. Эти возможности (в западной
литературе используется термин «привилегии») должны быть предоставлены в первую очередь администратору системы. Существуют и другие
варианты предоставления привилегий на корректировку параметров системы защиты данных. Например, в некоторых программных системах,
кроме понятия администратора, используется понятие владельца. Владелец – это лицо, создавшее файл, и поэтому он обладает всеми привилегиями изменять права доступа к этому файлу любому из пользователей.
Кроме того, владелец может также передать свои привилегии любому
другому пользователю. Существуют и другие принципы, связанные с передачей привилегий.
4.3. Математическое обеспечение
Математическое обеспечение включает в себя формализованные модели задач управления, которые должны решаться при функционировании АСОИУ, алгоритмы и программы их решения, а также алгоритмическое описание и программную реализацию общесистемных вопросов интеграции отдельных программ для каждой из задач управления в единую
систему. К числу таких общесистемных вопросов относятся операции
преобразования (там, где это необходимо) выходных данных одних задач в форму, которая требуется на входе других задач, пользовательский
интерфейс системы, операции архивации данных и восстановления их из
архива и другие. Совокупность программ, функционирующих в АСОИУ,
называют ее программным обеспечением.
Ранее мы достаточно подробно рассматривали вопросы формализации и алгоритмизации задач АСОИУ. К программной части математического обеспечения, кроме самих программ решения задач управления
АСОИУ, относится и системное программное обеспечение, то есть используемые операционные системы, системы программирования, применяемые в АСОИУ системы управления базами данных, а также сетевое
98
программное обеспечение, которое используется для организации взаимодействия компьютеров между собой в вычислительной системе проектируемой АСОИУ.
Пользовательский интерфейс является важной частью программного обеспечения, без которого в настоящее время невозможно представить
ни один программный комплекс, в том числе и АСОИУ. Пользовательский интерфейс обеспечивает связь пользователя как с отдельной программой системы, так и с автоматизированной системой в целом. Он позволяет пользователю
 управлять последовательностью действий, которые выполняются
системой,
 получать (то есть выводить на экран дисплея, на принтер или
другие устройства отображения информации) любые необходимые ему
данные, хранящиеся и обрабатываемые в системе,
 выполнять ввод и корректировку этих данных.
Существуют определенные стандарты пользовательского интерфейса,
часть приемов которых зафиксирована документально, а часть стихийно
поддерживается разработчиками программного обеспечения, потому что,
с одной стороны, эти приемы часто используется в различных программах, а с другой стороны – они являются удобным средством для пользователей. Одним из существующих стандартов пользовательского интерфейса является раздел CUA (Common user access) стандарта SAA (System
application architecture) фирмы IBM. Прототипом этого стандарта является Windows 95.
Выделяются 4 составные элемента пользовательского интерфейса:
– представление – то есть то, что пользователь видит на экране дисплея (окна с текстом и изображениями, иконки, меню, курсоры и другие
текстовые и графические объекты),
– взаимодействие – то есть те способы, с помощью которых пользователь взаимодействует с компонентами системы (путем использования клавиатуры, кнопок мышки или еще чего-нибудь),
– действия – то есть команды пользователя, вызывающие или запускающие работу программ, реализующих какие-то определенные операции (расчеты, удаление данных, архивация данных и прочее),
– последовательности действий – фиксированные последовательности действий пользователя, приводящие к желаемому результату
(например, последовательность действий пользователя для вывода на
принтер текстового файла или последовательность действий оператора
при вводе определенного типа данных в систему).
Важным видом современного пользовательского интерфейса является графический интерфейс, то есть широкое использование графики.
Причиной этого является высокая скорость восприятия человеком графи99
ческой информации. Графическая информация человеком обрабатывается параллельно, в то время как текстовая в основном воспринимается последовательно.
Разработка пользовательского интерфейса в АСОИУ должна начинаться с его моделирования. По традиции интерфейс может быть представлен в виде стратифицированной структуры, то есть в виде совокупности моделей, начиная с интерфейсов отдельных программ системы и
заканчивая интерфейсом системы в целом. В простейшем случае, у этой
структуры получается два уровня – уровень программ и уровень системы
в целом. На уровне программ для каждой отдельной программы разрабатывается свой интерфейс, а на уровне системы в целом интерфейс должен обеспечивать интеграцию отдельных частей системы в единое целое,
что облегчает работу пользователя с системой. Однако возможно сколько угодно и промежуточных уровней в зависимости от сложности функциональной структуры системы.
На каждом уровне интерфейсной модели по сути инструментально
реализуется та совокупность представлений о разрабатываемой системе и
отдельных ее частях, которую должен иметь пользователь во время работы. Следовательно, стратифицированная структура пользовательского
интерфейса АСОИУ – это своеобразная пользовательская модель проблемной области, к которой эта АСОИУ относится. Например, если автоматизируется управление предприятием, то пользовательский интерфейс автоматизированной системы должен соответствовать представлениям пользователей о предприятии. Другими словами, интерфейс должен
предоставлять пользователю возможность думать в тех же терминах и понятиях, которые он применяет, решая на своем рабочем месте свои задачи.
Традиционно описание интерфейса пользователя в программах
оформляется либо в виде простого списка управляющих клавиш на клавиатуре компьютера и клавиш мышки с описанием последствий их нажатия, либо в виде справочной системы с перекрестными ссылками из текста одних справок в другие по мере того, как в тексте встречаются те или
иные понятия, требующие пояснений. Вызов описания интерфейса осуществляется либо по специальному пункту меню (например, «Справка»,
«Help»), либо путем нажатия специальной клавиши или комбинации клавиш на клавиатуре (например, «F1», «Ctrl+F1»). Причем, в сложных случаях для того, чтобы разобраться в описании интерфейса, представленного в программе, от пользователя требуются значительные усилия.
Например, описание пользовательского интерфейса текстового редактора Word фирмы Microsoft представляет собой сложную, иерархическую конструкцию, которой очень непросто пользоваться и для которой
применяется свой интерфейс для связи пользователя с этим описанием.
Тем более не просто разработать такой интерфейс. В связи с этим возни100
кает необходимость в удобных способах представления интерфейсов
пользователя в АСОИУ на этапе их разработки.
Одним из способов такого представления пользовательского интерфейса является его представление в виде некоторого объекта, который
может находиться в определенных состояниях S = {s1, s2, …, sns}. Переходы из одних состояний в другие интерфейс может осуществлять в результате наступления определенных событий (в результате нажатия
определенных клавиш на клавиатуре или клавиш мышки, в результате
каких-то событий, происходящих при выполнении программ, управляемых этим интерфейсом, например, окончание выполнения программы с
тем или иным результатом). Во множестве состояний S интерфейса выделяются одно начальное и одно конечное. Кроме понятия состояния,
определяются следующие понятия.
Множество наборов событий E = {e1, e2, …, ene}, вызывающих такие переходы. Например, общий набор событий, который относится ко
всем состояниям интерфейса, то есть события из этого набора воздействуют на интерфейс всегда, в каком бы состоянии он не находился, или
набор событий, относящийся только к одному конкретному состоянию
интерфейса.
Множество условий перехода Y = {y1, y2, …, yny}, определяющих
направление перехода интерфейса в то или иное состояние при наступлении определенных событий.
Множество действий D = {d1, d2, …, dnd}, которые могут выполняться при осуществлении переходов интерфейса из состояния в состояние (запуск программ, выполнение операций по изменению каких-то переменных или режимов работы программ и прочее).
Множество сообщений C = {c1, c2, …, cnc}, которые выдаются пользователю в том или ином состоянии интерфейса при переходе в него по
тому или иному событию. Эти сообщения могут оформляться в виде специальных окон для сообщений, диалоговых окон, меню и прочих приемов. В сообщениях, кроме всего прочего, может содержаться информация о наборе возможных событий, относящихся к данному состоянию
интерфейса (случай меню или диалогового окна, либо о возможных действиях, которые пользователь должен выбрать).
Таблица переходов TPs,e,y = w, при наступлении события e и условии
y = истина из состояния s осуществляется переход в состояние w.
Таблица действий TDs,e,y = d, при наступлении события e и условии
y = истина в состоянии s осуществляется действие d.
Таблица сообщений TCs,e,y = c, при наступлении события e и условии
y = истина в состоянии s выдается сообщение c.
В соответствии со сказанным формально интерфейс определяется,
как система
101
I = <S, E, Y, D, C, TP, TD, TC>,
которая называется структурой пользовательского интерфейса.
Можно выделить два класса интерфейсов: последовательные интерфейсы и интерфейсы с параллельными состояниями. Последовательный
интерфейс в один момент времени может находиться только в одном состоянии. Как следствие, в последовательном интерфейсе каждый раз во
времени может осуществляться только одна последовательность переходов. Интерфейс с параллельными состояниями может одновременно
находиться в более, чем одном состоянии, поэтому в таком интерфейсе
одновременно может разворачиваться несколько последовательностей
переходов.
Формулируются следующие условия корректности интерфейсов:
 в каждое состояние интерфейса, кроме его начального состояния,
должен быть хотя бы один переход (условие отсутствия висячих состояний),
 из каждого состояния интерфейса, кроме его конечного состояния, должен быть хотя бы один переход в другое его состояние (условие
отсутствия тупиковых состояний),
 из каждого состояния интерфейса должна существовать такая
цепочка переходов, которая заканчивается конечным состоянием (отсутствие зацикливания).
В сложных случаях для проверки интерфейсов на корректность
необходима специальная программа моделирования интерфейсов.
4.4. Техническое и организационное обеспечение
1. Техническое обеспечение АСОИУ делится на универсальное и
специализированное. Универсальное техническое обеспечение включает
в себя средства ввода, отображения, обработки, хранения и передачи информации. Все эти средства, за исключением устройств передачи информации, в настоящее время являются стандартными компонентами компьютеров, вычислительных комплексов и установок независимо от их
класса и масштаба. Средства передачи информации включают в себя сетевое и телекоммуникационное оборудование, а также системы и средства
связи общего назначения (телефонные средства связи). Специализированное техническое обеспечение включает в себя оборудование, выполняющее специальные функции, например, машины баз данных, настенные
табло для отображения информации в больших залах, устройства чтения
банковских кредитных карточек и прочее.
В настоящее время технической базой, на которой реализуются
АСОИУ, как правило, являются вычислительные системы. Это могут
быть локальные вычислительные системы (ЛВС) у небольших предприятий и фирм, располагающиеся в одном или в рядом стоящих зданиях, и
102
сложные вычислительные системы, отдельные компоненты которых располагаются на больших расстояниях друг от друга и соединяются с помощью телефонных каналов связи или каналов связи других видов. По
этим причинам современные АСОИУ в большинстве своем – это системы
с распределенной обработкой данных.
1.1. Проектирование систем распределенной обработки данных.
Современные вычислительные системы строятся с использованием архитектуры открытых систем, открытых в том смысле, что к вычислительной системе может быть подключен любой новый элемент, например,
компьютер вне зависимости от его марки, производительности и других
его особенностей. Другими словами, архитектура системы открыта для
подключения любых элементов. Это свойство достигается тем, что вычислительная система строится по определенным стандартам, и эти стандарты обязательны для исполнения при построении и производстве различных сетевых устройств и компьютеров в любой фирме-производителе, а также при разработке операционных систем и соответствующего
сетевого программного обеспечения. Стандарты охватывают все уровни
построения вычислительных систем, начиная с физического уровня электрических сигналов, где стандартизованы величины напряжений, входных и выходных сопротивлений устройств, формы сигналов и прочее, и
заканчивая уровнем программ, осуществляющих прием и передачу данных между разными прикладными программами, выполняющимися на
разных компьютерах вычислительной системы.
В настоящее время единого общепринятого определения открытой
системы не существует. Вот определение, которое дается комитетом по
разработке стандартов по открытым системам в IEEE: открытая система – это исчерпывающее и согласованное множество международных
информационных технологических стандартов и функциональных профильных стандартов, которые определяют интерфейсы, сервис и поддерживающие форматы для взаимодействия и переносимости, включая
приложения, данные и людей. Наибольшую известность и распространение получила 7-уровневая архитектура взаимосвязи открытых систем
(архитектура ВОС). Эта система стандартов была предложена международной организацией по стандартизации ISO.
Очевидно, существует бесчисленное множество вариантов организации распределенной обработки информации в вычислительной системе с
использованием самых разнообразных принципов разделения нагрузки
между отдельными ее компьютерами. При этом выбор тех или иных
принципов определяется целями, с которыми это делается. Наиболее популярными являются следующие цели:
 Обеспечение совместной работы различных пользователей единой системы обработки информации, реализованной на данной вычисли103
тельной системе. Например, совместная работа сотрудников организации, использующих программный комплекс бухгалтерского учета, или
совместная работа проектировщиков в рамках единой программной системы проектирования промышленных объектов, или совестная работа
программистов при разработке программного продукта в рамках использования CASE-системы и так далее.
 Уменьшение времени решения задачи на вычислительной системе за счет параллельного (одновременного) выполнения отдельных частей этой задачи на разных компьютерах вычислительной сети или на
разных процессорах многопроцессорного вычислительного комплекса.
При организации распределенной обработки информации с первой
из указанных выше целей распределение нагрузки между отдельными
компьютерами осуществляется по функциям, которыми наделяются те
или иные компьютеры системы. Выделяют следующие группы функций
обработки информации:
– ввод и отображение данных;
– хранение и управление информационными ресурсами;
– функции обработки данных, характерные для рассматриваемого
комплекса прикладных задач;
– обеспечение связи между отдельными задачами, функциями и
элементами вычислительной системы.
В соответствии с таким функциональным разделением операций по
обработке информации определяются следующие логические компоненты:
– компонента представления, реализующая функции первой из указанных выше групп функций;
– компонента доступа к информационным ресурсам (вторая группа
функций);
– прикладные компоненты (функции третьей группы);
– протоколы взаимодействия.
Конкретная технология распределенной обработки информации определяется следующими факторами:
– как указанные выше логические компоненты распределяются
между компьютерами вычислительной сети;
– какие механизмы (протоколы) используются для связи компонентов между собой;
– какое программное обеспечение используется.
Выделяются четыре подхода к организации распределенной обработки информации, реализованные в следующих моделях:
– модель с файловым сервером;
– модель доступа к удаленным данным;
– модель сервера базы данных;
– модель сервера приложений.
104
В модели с файловым сервером информация, обрабатываемая в
АСОИУ, сосредотачивается на одном компьютере системы, который
называется сервером данных или файловым сервером. Другие компьютеры вычислительной системы используются пользователями АСОИУ для
запуска и выполнения на них своих программ, которые вызывают нужную им входную информацию с сервера, обрабатывают ее, а полученные
результаты отправляют на сервер. Эти компьютеры называются рабочими станциями или клиентами, а сама описанная архитектура информационного взаимодействия между компьютерами называется архитектурой
«клиент – файловый сервер».
Такая архитектура удобна тем, что подключение новых рабочих
станций к системе или удаление из нее существующих ничего не меняет
в организации работы других рабочих станций. Недостатком такой организации распределенной обработки информации является то, что при
больших потоках данных с рабочих станций компьютер сервера может
не справиться с их обработкой, то есть с их записью в свою память и их
извлечению из своей памяти. Но эта проблема решается путем добавления к системе дополнительных серверов данных.
Другим недостатком архитектуры «клиент – файловый сервер» является то, что между рабочими станциями и серверами происходит интенсивный обмен данными. Это предъявляет к каналам связи серьезные требования по надежности и пропускной способности, что зачастую не получается, так как каналы связи в вычислительной системе в настоящее
время являются самыми ненадежными и самыми медленными ее элементами. Решением этой проблемы является архитектура, когда сервер используется не только для хранения данных, но и для их обработки. В
этом случае пользователи со своих рабочих станций запускают программы для выполнения на сервере, а не на компьютере рабочей станции. Таким образом, на сервере хранятся все данные, они там и обрабатываются,
так что весь обмен данными происходит внутри сервера, не выходя за его
пределы. По каналам связи в этом варианте передаётся только та информация, которую надо отображать на экранах дисплеев рабочих станций, и
данные, которые набираются на клавиатурах этих станций. Недостатком
этой архитектуры является необходимость в серверах высокой производительности, что удорожает систему.
Для реализации описанной архитектуры на рабочих станциях и на
сервере используется специальное программное обеспечение, которое
называется тонким клиентом. В настоящее время тонкий клиент реализован и в рамках некоторых операционных систем Windows.
2. Организационное обеспечение АСОИУ включает в себя те структуры предприятия, которые заняты обслуживанием оборудования автоматизированной системы и ее программного обеспечения. Однако в
настоящее время на предприятиях процессы обработки информации с
помощью вычислительных средств так тесно переплетаются с другими
105
процессами, что создание таких специальных подразделений может оказаться нецелесообразным. В особенности это касается небольших фирм.
Непосредственными пользователями АСОИУ становятся экономисты,
бухгалтеры, инженеры и другие работники предприятия, выполняющие
свои основные обязанности с помощью средств вычислительной техники.
Поэтому вопросы организации обработки информации в АСОИУ должны
решаться совместно с другими организационными задачами предприятия.
Важной задачей организационного проектирования АСОИУ является определение загрузки работников предприятия вопросами обработки
информации в связи со своей производственной и управленческой деятельностью, что в конечном итоге влияет на состав и численность управленческих подразделений. В связи с этим возникает задача оценки производительности АСОИУ при выполнении различных информационных
функций в системе.
2.1. Анализ и оценка производительности АСОИУ. Понятие производительности для АСОИУ определяется как объем новой информации в
системе, которая появляется в ней за единицу времени. Но так как новая
информация в системе появляется только в результате решения задач, то
расчет производительности системы в целом имеет смысл осуществлять,
отталкиваясь от объемов данных, которые получаются как результат решения каждой задачи АСОИУ. Введем следующие обозначения:
Ci – объем информации на выходе i-ой задачи,
ti – время решения i-ой задачи в условиях АСОИУ,
fi – частота решения i-ой задачи,
zi – трудоемкость решения i-ой задачи,
pr – производительность ручной обработки информации.
Тогда Ci fi – объем данных, который появляется на выходе i-ой задачи в единицу времени, а pн = i Ci fi – объем данных, который появляется на выходе всех задач АСОИУ в единицу времени, то есть необходимый уровень производительности АСОИУ, который должен быть обеспечен, чтобы все задачи системы решались полностью и вовремя.
Зная величину pn, можно определить численность Nr персонала в
условиях ручной обработки информации:
Nр = p н / p r .
Фактическая производительность АСОИУ при решении i-ой задачи,
очевидно, равна Ci / ti, откуда фактическая производительность АСОИУ
при решении всех задач равна
pф = i Ci / ti.
(1)
Так как для полного и своевременного решения всех задач АСОИУ
необходимо выполнение условия
ti fi <= 1,
106
то из (1) имеем: pф = i Ci fi / ti fi. >= i Ci fi = pн. То есть фактическая
производительность АСОИУ pф не может быть меньше величины необходимой производительности pн, следовательно величина pн является
нижней границей возможных величин фактической производительности
АСОИУ.
Величина zi fi представляет собою трудоемкость решении i-ой задачи АСОИУ в единицу времени, поэтому представляет собой необходимую численность персонала АСОИУ.
NАСОИУ = i zi fi .
Сравнение величин Nр и NАСОИУ между собой позволяет делать выводы
об эффективности проектируемой АСОИУ в отношении трудозатрат и в
конечном итоге о производительности труда в условиях АСОИУ.
Рассмотренные соотношения характеризуют производительность
АСОИУ в среднем. При наличии графика решения задач АСОИУ можно
определить и пиковые значения необходимой производительности, которые имеют место в моменты времени пиковых объемов обрабатываемой
информации, которые возникают при реализации данного графика решения задач.
4.5. Управление проектом АСОИУ. Типизация проектных решений
1. Управление проектом АСОИУ. Сложность, высокие затраты и
трудоемкость процесса проектирования АСОИУ вызывают необходимость эффективного управления этим процессом. Для управления проектом АСОИУ с помощью компьютера можно воспользоваться известными
программами, которые реализуют сетевые методы планирования и
управления, такими как MS Project или TimeLine. Однако методы сетевого планирования и управления проектами решают только одну часть поставленной проблемы. Они отражают только последовательность технологических операций проектирования с временными и трудовыми характеристиками, не раскрывая содержательной стороны процесса проектирования. Сетевые графики производства проектных работ, кроме информации о длительности выполнения отдельных операций и их последовательности выполнения, должны сопровождаться содержательным описанием этих операций, что необходимо не только для понимания сути выполняемых операций, но и для использования этих описаний непосредственными исполнителями в качестве инструктивных материалов.
В наибольшей степени управлению проектом АСОИУ соответствует
аппарат технологических сетей проектирования. Технологическая сеть
проектирования (ТСП) строится в виде совокупности взаимосвязанных
по входам и выходам отдельных технологических операций, выполнение
которых в конечном итоге приводит к желаемому результату, то есть созданию проекта АСОИУ. При этом процесс проектирования АСОИУ
107
представляется как стратифицированная многоуровневая структура, в которой, по крайней мере, выделяется три уровня: уровень заказчика проекта, уровень руководителя проекта и уровень непосредственных исполнителей.
На уровне заказчика проекта ТСП строится в виде сети наиболее
укрупненных операций – отдельных этапов процесса проектирования со
входами, представляющими собой информацию, которую заказчик должен дать разработчикам, и с выходами, соответствующими получаемым
проектным документам. На этом уровне проектирования в ТСП не указывают данных о средствах проектирования и используемых ресурсах.
Поэтому такая ТСП может быть преобразована в обычный сетевой график с его обычными временными характеристиками.
На уровне руководителя проекта ТСП расписывается в более подробных технологических операциях, нежели ТСП для заказчика. Однако
и на этом уровне это достаточно крупные операции с календарными сроками начала, окончания и сдачи работ, с четко описанными документальными результатами. На этом уровне так же, как и на уровне заказчика,
ТСП может быть преобразована в сетевой график работ, а затем использоваться для оперативного управления проектом.
На уровне исполнителей ТСП расписывается самым подробным образом. Здесь тщательно прописываются все связи между технологическими операциями по входам и выходам, поскольку качественное выполнение проектных работ невозможно без точного соблюдения требований
по входам и выходам всех технологических операций. При использовании средств автоматизированного проектирования в ТСП оговариваются
эти средства, причем, если средство автоматизации проектирования является комплексным, обязательно указывается, какая функция, модуль или
опция этого комплексного средства должны использоваться.
2. Типовые проектные решения (ТПР). Важным элементом управления проектом АСОИУ является использование ТПР. ТПР – это некоторое самостоятельное проектное решение, часто используемое в различных проектах АСОИУ какого-либо класса и представляющее собой рабочую проектную документацию по математическому (программному) и
техническому обеспечению, которая агрегируется с оригинальным проектом путем соответствующей доработки с учетом специфики разрабатываемой АСОИУ. Если проектная организация достаточно интенсивно
занимается вопросами проектирования АСОИУ для различных заказчиков, то использование ТПР может значительно сокращать сроки и стоимость проектирования, а также повышать качество проектов. Опыт использования ТПР показал, что сокращение сроков разработки и уменьшение затрат с применением ТПР достигает 15–20 %. В отдельных случаях возможно сокращение до 50 %. Типовые решения эффективнее
108
всего использовать для автоматизации целых комплексов задач, например,
бухгалтерского учета, складских операций, экономического планирования, материально-технического снабжения, технической подготовки производства, управления сбытом и реализацией продукции (маркетинг).
Сокращение времени и затрат на проектирование в этом случае приближается к 100 %, так как время затрачивается только на настройку готового решения к конкретным условиям применения. Проектирование с
использованием ТПР в большой степени перекликается с технологией
проектирования с использованием спиральной модели.
ТПР делятся на три класса:
– функциональные ТПР,
– ТПР на технические средства,
– ТПР по персоналу.
К классу функциональных ТПР относятся типовые решения для отдельных задач управления АСОИУ или их комплексов. В свою очередь
этот класс разбивается на подклассы:
– типовые решения по информационному обеспечению: по вопросам нормативно-справочной информации (кодификаторы, тезаурусы, справочники), по выходным документам задач и по организации баз данных,
– типовые решения на алгоритмические модули, часто встречающиеся при описании алгоритмов различных задач АСОИУ,
– типовые решения на программные модули, которые часто используются при разработке программного обеспечения АСОИУ.
ТПР на технические средства определяют состав, размещение и порядок эксплуатации технических средств, используемых для решения задач АСОИУ. ТПР по персоналу регламентируют действия персонала в
условиях функционирования АСОИУ, определяют должностные инструкции, права, обязанности и ответственность работников, занятых
решением задач в рамках АСОИУ.
Выделяются следующие уровни использования ТПР при проектировании АСОИУ:
 элементные ТПР, ориентированные на решение отдельных задач
и функций управления (например, ввод и корректировка данных в справочнике материалов, формирование ведомости наличия материалов на
складе, формирование сетевого графика работ и так далее), настройки таких типовых проектов на конкретные условия осуществляются отдельно
по каждой задаче;
 подсистемные ТПР, охватывающие целые комплексы (подсистемы) задач управления (календарное сетевое планирование, бухгалтерский учет, учет труда и заработной платы и прочее),
 системные ТПР, представляющие собой типовые проекты
АСОИУ в целом, охватывающие автоматизацию нескольких функций
109
управления предприятием, организацией, фирмой (например, программные комплексы фирмы 1С, разработанные для предприятий и организаций разных видов деятельности, корпорации ПАРУС, корпорации
ГАЛАКТИКА и прочих фирм).
При создании конкретного проекта АСОИУ с применением ТПР
вначале определяются те подсистемы или отдельные задачи управления,
которые могут быть решены с использованием имеющихся в распоряжении ТПР. Если для данной подсистемы или задачи существует ТПР, то
вся документация по нему включается в проект с необходимыми корректировками. Для тех задач, для которых нет готовых проектных решений,
рассматривается вариант возможного применения типовых алгоритмических и программных модулей. Например, решается задача оптимизации
скдадских запасов на предприятии. В этом случае при разработке алгоритма ее решения может быть применен уже имеющийся в наличии типовой алгоритм оптимизации запасов. Другой пример, при решении задачи разработки оптимального маршрута перевозки груза может быть
выбран типовой алгоритм маршрутизации перевозок. При наличии программной реализации упомянутых алгоритмов могут быть использованы
соответствующие типовые программные модули.
4.6. Графические средства представления проектных решений.
Инструментальные средства проектирования АСОИУ
1. Графические средства представления проектных решений. В
Государственных отраслевых стандартах (ГОСТ) на проектирование автоматизированных систем указывается, что при описании алгоритмов и
программ решения задач автоматизированной системы, а также схем документооборота на предприятиях и организациях можно использовать
графические языки, называемые языками блок-схем. В виде блок-схем
описываются также различные структуры, например, организационная
структура предприятия или фирмы, структуры бизнес-процессов фирм и
прочее.
Язык блок-схем представляет собой набор геометрических фигур,
каждая из которых обозначает определенный вид операций, устройств,
документов или других объектов, а также набор правил соединения этих
фигур линиями в блок-схеме алгоритма или программы или в схеме документооборота, или в структурной блок-схеме. Наиболее распространенные фигуры, используемые в блок-схемах, указаны в текстовом редакторе Microsoft Word в меню графического интерфейса, в окне «Автофигуры», раздел «Блок-схема».
Для изображения организационных структур, как правило, используют прямоугольники, внутри которых помещают надписи, указывающие
на то, что данная фигура обозначает. Эти прямоугольники на схеме соединяются линиями, указывающими на подчиненность объектов, кото110
рые обозначаются прямоугольниками, либо на вхождение одних объектов в другие в качестве элементов. Для изображения алгоритмов, программ и бизнес-процессов используется большее разнообразие фигур. В
особенности это касается изображения алгоритмов и программ. Смысл
использования некоторых из фигур заключается в следующем.
1.1. Прямоугольник используется для обозначения действий или операций. Внутри прямоугольника размещается текст, который поясняет
смысл обозначаемого действия или операции.
1.2. Ромб применяется для указания ветвления описываемого процесса в зависимости от определенных условий Y. Внутри фигуры размещается текст, который описывает эти условия и заканчивается знаком вопроса. Если условие Y выполнено, то процесс движется по стрелке «Да» ,
в противном случае выполнение процесса продолжается по стрелке
«Нет».
Да
?
Нет
1.3. Овал используется для обозначения начала или конца описываемого процесса.
Начало
Конец
1.4. Скошенный прямоугольник применяется для обозначения операций ручного ввода (с помощью клавиатуры, мышки и других средств).
Внутри фигуры размещается текст, поясняющий смысл операции ввода.
111
1.5. Лист используется для обозначения операций формирования и
вывода на принтер документа. Внутри фигуры размещается текст, указывающий на формируемый документ.
1.6. Экран применяется для обозначения операций формирования
экранных форм и их вывода на экран дисплея. Внутри фигуры размещается текст, указывающий на выводимую экранную форму.
1.7. Диск используется для обозначения операций ввода-вывода или
хранения данных на жестком диске. Внутри фигуры размещается текст,
указывающий на вид операции (ввод или вывод), также на данные, над
которыми совершается операция.
1.8. Указатели перехода применяется для указания перехода на другую страницу или входа из другой страницы. Внутри фигуры записывается номер перехода, который помечает указатель на странице, откуда
происходит переход, и соответствующий ему указатель на другой странице, куда происходит переход.
5
5
Фигуры на блок-схеме соединяются линиями со стрелками, которые
обозначают порядок выполнения операций, указанных текстами внутри
этих фигур.
2. Инструментальные средства проектирования АСОИУ включают
в себя различные программные системы автоматизации проектирования,
поддерживающие создание и сопровождение АСОИУ на разных этапах
112
проектирования и при разработке разного вида обеспечения (информационного, программного и других).
При разработке АСОИУ организационными объектами преимущественно используются так называемые CASE-средства (Computer aided
software engineering). Это программные средства, поддерживающие анализ и формулировку требований к системе, проектирование программного обеспечения и баз данных, тестирование, документирование и управление проектами. Большинство существующих CASE-средств применяют
методологию структурного или объектно-ориентированного анализа и
проектирования и представляют собой интегрированные системы из отдельных CASE-компонентов. В качестве CASE-компонентов выступают:
– репозитарий (специальным образом организованное хранилище
различных версий проектов);
– графические средства анализа и проектирования, обеспечивающие
создание и редактирование иерархически взаимосвязанных диаграмм;
– средства разработки программ;
– средства тестирования;
– средства документирования;
– средства управления проектом;
– средства интеграции с наиболее известными базами данных.
Примерами развитых CASE-систем могут служить программный комплекс фирмы 1С "1С: Предприятие 8.1", предназначенный для разработки систем обработки экономической информации, система ERWIN компании «Logic Works», предназначенная для автоматизации проектирования баз данных и семейство объектно-ориентированных CASE-средств
Rational Rose (RR), которые основаны на использовании языка моделирования UML. Система RR может генерировать коды разрабатываемых
программ на языках С++, Small Talk, Java и ряде других. Кроме того, RR
имеет средства для разработки проектной документации в виде диаграмм
и спецификаций, а также имеет средства для реверсного инжиниринга
программ. В состав RR входят следующие компоненты:
– репозитарий;
– графический интерфейс пользователя;
– средства просмотра проекта;
– средства контроля проекта;
– средства сбора статистики;
– средства генерации документации;
– средства генерации кода программ;
– анализатор, обеспечивающий реверсный инжиниринг (возможность повторного использования разработанных проектов и их компонентов).
Разработка баз данных в ERWIN состоит из двух этапов: этапа составления логической модели базы данных и этапа разработки на ее основе физической модели базы данных.
113
Логическая модель означает прямое описание фактов проблемной
области задач АСОИУ, то есть реальных объектов этой области и их связей. Объекты именуются на естественном языке, при этом не указываются типы данных (например, целое, вещественное и так далее) и не рассматривается использование конкретной СУБД. Конкретная СУБД, ее
таблицы и типы данных составляют физическую модель. ERWIN поддерживает ряд СУБД, таких как Microsoft SQL, Oracle, Sybase, Microsoft
Access, FoxPro, INFORMIX и многие другие.
При разработке АСОИУ технологическими процессами большую
популярность приобрели системы сбора данных и диспетчерского управления (SCADA-системы), обеспечивающие сбор информации с удаленных объектов в реальном времени, анализ и обработку собранной информации и управление этими объектами. В SCADA-системах реализуются
следующие принципы:
– работа в режиме реального времени;
– избыточность информации;
– сетевая архитектура открытых систем;
– модульность исполнения.
Объект
управления
Удаленный
терминал
.
.
.
Объект
управления
Диспетчерский пункт
Удаленный
терминал
Рис. 4.1. Структура SCADA-системы
Современные SCADA-системы имеют структуру, изображенную на
рис. 4.1, и выполняют следующие функции:
 прием информации о контролируемых параметрах управляемых
объектов;
 сохранение информации;
 обработка принятой информации;
 графическое представление хода технологического процесса;
 прием и передача команд оператора;
 регистрация событий;
 оповещение персонала об аварийных ситуациях;
 формирование сводок и других отчетов;
 обмен информацией с автоматизированной системой управления
предприятием.
114
4.7. Проектная документация при разработке АСОИУ
1. Документация на предпроектной стадии. Основой для получения
результатов на предпроектной стадии проектирования АСОИУ является
обследование системы, для которой создается АСОИУ, то есть сбор данных о системе и о внешней среде, в которой она существует. Сбор данных осуществляется согласно методике, которая создается разработчиком АСОИУ. В методику сбора данных входит совокупность форм, которые заполняются в процессе сбора данных, и инструкции по их заполнению. При этом применяют следующие методы: устный опрос (интервью),
анкетирование и экспертный метод. Для проведения анкетирования разрабатываются специальные анкеты с вопросами, посвященными заданной теме, которые затем раздаются специалистам, работающим в автоматизируемой организации. Полученные ответы затем используются при
анализе результатов обследования. В тех случаях, когда для получения
определенных данных прибегают к помощи экспертов, то организуются
процедуры опроса экспертов по одной из рассмотренных ранее методик
экспертных оценок.
Если АСОИУ проектируется для новой системы или системы, которая подлежит полной реорганизации, то первое, с чего должен начинаться сбор данных, – это определение факторов, влияющих на деятельность
будущей системы, и их описание, определение ее целей и их структуризация с применением наиболее подходящего для данной системы метода
структуризации целей. Дерево целей, полученное в результате, содержит
совокупность функций и задач управления проектируемой АСОИУ, то
есть ее функциональную структуру, что, собственно, и является одним из
результатов предпроектной стадии.
Если предметом реорганизации является только часть деятельности
рассматриваемой системы, то ее обследование также начинается с определения факторов, влияющих на систему, но только в той ее части, которая подлежит реорганизации. Затем определяются цели системы также
только в той части ее деятельности, которая является предметом реорганизации. Структуризация этих целей тоже дает совокупность функций и
задач, подлежащих разработке в процессе проектирования АСОИУ.
По результатам обследования осуществляется анализ полученных
материалов и разрабатывается информационно-логическая структура
проектируемой АСОИУ. С этой целью для каждой из выявленных задач
управления определяются входные и выходные данные, способ их представления (на бумажных носителях, в памяти компьютера или в другом
виде) и их объем, частота решения задачи, способ ее решения (вручную
или с использованием компьютера), требуемое время решения задачи и
трудоемкость ее решения (затраты времени у персонала на процесс решения задачи).
115
Разработанная информационно-логическая структура АСОИУ является основой для определения организационной структуры системы, то
есть состава и численности ее подразделений, выполняемых этими подразделениями функций, а также географического расположения подразделений, если помещения организации располагаются не в одном месте.
Информационно-логическая структура АСОИУ и ее организационная структура являются базой для выбора комплекса технических
средств. На этом этапе определяется состав технических средств, количество и типы компьютеров и другого оборудования, их размещение и
способ их информационного взаимодействия (например, объединение в
локальную вычислительную сеть). Далее осуществляется выбор операционных систем и другого общесистемного программного обеспечения
для должного функционирования комплекса технических средств.
Следующим этапом предпроектной стадии разработки АСОИУ является выбор способа организации информационной базы АСОИУ. Это
может быть файловая организация, которая использует те средства, которые предоставляются операционными системами, или интегрированная
база данных, использующая определенную СУБД.
Выбранный способ организации информационной базы АСОИУ тесно связан с выбором методов и средств разработки программного обеспечения. Сюда относятся вопросы использования типовых решений как в
виде ТПР для отдельных задач, так и в виде использования готовых программных комплексов, охватывающих решение задач некоторой подсистемы в целом (бухгалтерский учет, календарное планирование и прочее)
или нескольких подсистем. Кроме того, важным вопросом в выборе
средств разработки программного обеспечения является выбор языка
формализованного описания алгоритмов решения задач, а также языка и
системы программирования.
По результатам анализа материалов обследования и решения описанных выше проблем составляется «Отчет по обследованию системы и
анализу материалов обследования». Этот документ является исходным
для разработки «Технико-экономического обоснования проектируемой
АСОИУ», включающего в себя следующие данные:
– характеристику факторов внешней и внутренней среды системы;
– цели создания АСОИУ;
– экономическую характеристику автоматизируемых задач (стоимость разработки или закупки готового программного обеспечения), технических средств и общесистемного программного обеспечения;
– перечень организационно-технических мероприятий по проектированию АСОИУ и их экономическая характеристика;
– расчет технико-экономической эффективности проекта.
Заключительным документом на предпроектной стадии создания
АСОИУ является «Техническое задание на разработку АСОИУ». Это
исходный документ для создания АСОИУ и обязательный документ при
116
сдаче системы заказчику. Техническое задание должно содержать следующие разделы:
– общие сведения о проекте;
– назначение и цели создания системы;
– характеристика объекта автоматизации;
– требования к системе (это раздел, состоящий из подразделов: требования к системе в целом, требования к функциям (задачам) и требования к видам обеспечения);
– состав и содержание работ по созданию системы;
– порядок контроля приемки системы;
– требования к составу и содержанию работ по подготовке системы
к вводу в действие;
– требования к документации (перечень видов документов, которые
должны быть разработаны).
2. Документация на стадии технического проекта. Технический
проект системы представляет собой совокупность следующих документов:
 Ведомость технического проекта, в которой перечисляется вся
документация проекта.
 Пояснительная записка, состоящая из следующих разделов: Общие положения, Назначение и область применения проектируемой системы, Общее писание системы, Описание видов обеспечения (по каждому виду).
 Задания на электротехнические, санитарно-технические и другие
виды подготовительных работ, обеспечивающих функционирование будущей системы (при необходимости).
 План мероприятий по подготовке ввода системы в действие.
 Технико-экономические показатели системы.
3. Документация на стадии рабочего проекта. Целью работ на стадии рабочего проектирования АСОИУ является разработка документации, достаточной для изготовления, отладки, проведения испытаний и
ввода в действие проектируемой системы. На стадии рабочего проекта
осуществляются программирование и отладка всех необходимых программ, изготовление в случае необходимости нестандартных устройств,
разработка необходимых инструкций по эксплуатации программного и
информационного обеспечения и задействованных технических средств,
разработка необходимых положений о подразделениях и должностных
инструкций персонала, уточнение при необходимости организационной
структуры АСОИУ, состава и содержания задач и алгоритмов их решения, организация мероприятий по подготовке к вводу системы в действие, для чего разрабатывают планы мероприятий по обучению персонала работе в системе, по первоначальному заполнению баз данных, план
комплексной наладки и отладки системы. Рабочий проект содержит следующие основные документы:
117
 Спецификация – перечень и описание подсистем, если они выделены, и перечень документов, составляющих рабочий проект.
 Документация технического обеспечения, описывающая монтаж
и наладку технических средств, а также инструкции по их эксплуатации.
 Документация информационного обеспечения, включающая в
себя описание всех массивов, документов и баз данных, инструкции по
заполнению баз данных и ведению массивов данных.
 Документация программного обеспечения включает в себя описание и тексты разработанных программ, инструкции работы с программами и порядок их испытаний.
 Документация организационного обеспечения включает в себя
программу подготовки специалистов-пользователей системы, положения
о подразделениях и должностные инструкции работников.
4.8. Задания и контрольные вопросы к 4 главе
1. Перечислите известные Вам стратифицированные уровни процесса проектирования АСОИУ.
2. Перечислите известные Вам технологические модели процесса
проектирования АСОИУ.
3. Дайте определение функциональной структуры АСОИУ.
4. Что такое функциональная модель АСОИУ?
5. Дайте определение информационно-логической структуры АСОИУ.
6 Что является исходной информацией для проектирования АСОИУ?
7. Дайте определение информационного обеспечения АСОИУ.
8. Перечислите известные Вам типы файлов.
9. Перечислите известные Вам типы баз данных.
10. Что представляет собой лексическая база лингвистического
обеспечения АСОИУ?
11. Перечислите известные Вам типы информационных языков.
12. Форматная база лингвистического обеспечения.
13. Какие существуют способы идентификации записей в файлах?
14. Объясните суть избирательного контроля доступа к данным.
15. Опишите полномочные методы контроля доступа к данным.
16. Опишите структуру и состав пользовательского интерфейса.
17. Опишите архитектуру «клиент–сервер» обмена данными в вычислительной сети.
18. Дайте определение производительности АСОИУ.
19. Дайте определение открытой системы.
20. Дайте определение технологической сети проектирования.
21. Перечислите классы типовых проектных решений.
118
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Волкова, В. Н. Основы теории систем и системного анализа / В. Н. Волкова, А. А. Денисов. – СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2005. – 520 с.
2. Емельянова, Н. З. Основы автоматизированных информационных систем / Н. З. Емельянова, Т. Д. Партыга, И. И. Попов. – М.: ФОРУМ-ИНФРА-М, 2005. – 416 с.
3. Овчинников, В. А. Алгоритмизация комбинаторно-оптимизационных задач при
проектировании ЭВМ и систем: учеб. для вузов / В. А. Овчинников. – М.: Изд-во МГТУ
им. Н. Э. Баумана, 2001. – 288 с.
4. Евгенев, Г. Б. Системология инженерных знаний: учеб. пособие для вузов / Г. Б. Евгенев. – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. – 376 с.
5. Кузнецов, О. П. Дискретная математика для инженера / О. П. Кузнецов, Г. М. АдельсонВельский. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 478 с.
119
ДЛЯ ЗАМЕТОК
120
Борис Афанасьевич Сидристый
ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И
ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ. ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Учебное пособие
Редактор Пчелинцева М. А.
Компьютерная верстка Сарафановой Н. М.
Темплан 2010 г., поз. № 14К.
Подписано в печать 02, 08. 2010 г. Формат 60×84 1/16.
Бумага листовая. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 7,5. Усл. авт. л. 7,25.
Тираж 50 экз. Заказ №
Волгоградский государственный технический университет
400131, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, корп. 1.
Отпечатано в КТИ
403874, г. Камышин, ул. Ленина, 5, каб. 4.5
121
Скачать