Системный подход к моделированию электронного бизнеса

Понятие системы

Понятие системы; сложность и разнообразие системы; структура системы; структурное многообразие системы; качество эмерджентности системы; микро- и макро- подходы к исследованию иерархической организации систем.  

Понятие управления; прямые и обратные связи; принцип необходимого разнообразия Эшби; управление сложной динамической системой; этапы управления; оценка качества управления; принципы и функции управления; методы управления; принцип оптимального управления в экономических системах.

Под системой обычно  понимается  совокупность  объектов,  элементов  или  составляющих  произвольного  характера,  образующих  в  некотором  смысле  определенную  целостность.

Структура системы:

Структура  системы  -  это  устойчивая  во  времени  совокупность  взаимосвязей  между  ее  компонентами  (подсистемами).  И  при  системном  подходе  важным  этапом  является  определение  структуры  изучаемой,  описываемой  системы.  Это  связано  с  тем,  что  грамотное  выделение  подсистем  способствует  упрощению  процедур  исследования  и  анализа  результатов.                                                     

Структура является статической моделью системы и характеризует только строение системы, не учитывая множества свойств (состояний) её элементов.

определение структуры системы

пусть система определена как  {x,q} , где Х – множество её переменных их множества X => всегда можно заменить множество отношений Q эквивалентным единственным отношениям g(X1, …., Xn), где {X1,Xn}=X  => тогда система представляет собой поле Х упорядочив значение g. => будем считать, что две системы имеют одинаковую структуру, если одинаковую структуру имеют соответствующие ей поля X.

Структура системы может изменяться.

Структуры  могут  быть  представлены  в  матричной  форме,  в  форме  теоретико-множественных  описаний,  с  помощью языка топологии, алгебры и других средств моделирования систем.

Структуры, особенно иерархические, могут помочь в раскрытии  неопределённости сложных систем. Иными словами, структурные представления систем могут являться средством их исследования. В связи с этим полезно выделить и исследовать определённые виды (классы) структур.

Виды структур

Сетевая структура, или сеть, представляет собой декомпозицию системы во времени. Такие структуры могут отображать порядок действия технической системы (телефонная сеть, электрическая сеть и т.п.), этапы деятельности человека (при производстве продукции – сетевой график, при проектировании – сетевая модель, при планировании – сетевой план и т.д.). В виде сетевых моделей представляются методички системного анализа.

Иерархические структуры представляют собой декомпозицию системы в пространстве. Все компоненты (вершины, узлы) и связи (дуги, соединения узлов) существуют в этих структурах одновременно (не разнесены во времени). Такие структуры могут иметь не два, а большее число уровней декомпозиции (структуризации).

Классификация систем

Классификации всегда относительны. Цель любой классификации – ограничить выбор подходов к отображению системы, сопоставить выделенным классам приёмы и методы системного анализа и дать рекомендации по выбору методов для соответствующего класса систем.

Для выделения классов систем могут использоваться различные классификационные признаки. Основными из них считаются: природа элементов, происхождение, длительность существования, изменчивость свойств, степень сложности, отношение к среде, реакция на возмущающие воздействия, характер поведения и степень участия людей в реализации управляющих воздействий.

По природе элементов системы делятся на реальные и абстрактные.

В зависимости от происхождения выделяют естественные и искусственные системы.

По длительности существования системы подразделяются на постоянные и временные.

В зависимости от степени изменчивости свойств системы делятся на статические и динамические.

В зависимости от степени сложности системы делятся на простые, сложные и большие.

По степени связи с внешней средой системы делятся на изолированные, закрытые, открытые равновесные и открытые диссипативные.

В зависимости от реакции на возмущающие воздействия выделяют активные и пассивные системы.

По характеру поведения все системы подразделяются на системы с управлением и без управления.

В  зависимости  от  степени  участия  человека  в  реализации  управляющих  воздействий  системы  подразделяются  на технические, человеко-машинные, организационные.

виды связей между элементами системы:

Вещественные связи представляют каналы, по которым элементы системы пли системы в целом обмениваются между собой теми или иными веществами. В производственно-экономических системах – это каналы, по которым осуществляется снабжение сырьем, полу­фабрикатами, заготовка и отгрузка готовой продукции.

Энергетические – представляют каналы обмена различными видами энергии: механической, тепловой, световой, электрической и др. Это – системы рычагов и транс­миссий, теплопроводы, световоды, сети электроснабжения.

Информационные – передают сигналы управления. чевидно существование информационных связей в животном мире, в человеческом обществе. В технических системах, используемых в информационной сфере (радио, телевидение, компьютерные сети), также действуют связи информационного типа. В них информация — это семантическое содержание физических сигналов, передаваемых между частями системы.

Сложная система

Сложная система — составной объект, части которого можно рассматривать как системы, закономерно объединенные в единое целое в соответствии с определенными принципами или связанные между собой заданными отношениями. Сложную систему можно расчленить (не обязательно единственным образом) на конечное число частей, называемое подсистемами; каждую такую подсистему (высшего уровня) можно в свою очередь расчленить на конечное число более мелких подсистем и т. д., вплоть до получения подсистем первого уровня, т. н. элементов сложной системы, которые либо объективно не подлежат расчленению на части, либо относительно их дальнейшей неделимости имеется соответствующая договоренность. 

Свойства сложных систем

• Многоуровневость (часть системы сама является системой. Вся система, в свою очередь, является частью более крупной системы)
• Наличие внешней среды
• Динамичность (в системах нет ничего неизменного. Все константы и статические состояния - это только абстракции, справедливые в ограниченных пределах);
• Устойчивость и старение (устойчивость системы - это ее способность компенсировать внешние или внутренние воздействия, направленные на разрушение или быстрое изменение системы. Старение - это ухудшение эффективности и постепенное разрушение системы за длительный период времени. 
• Целостность (система имеет целостность, которая есть самостоятельная новая сущность. Эта сущность само организуется, влияет на части системы и на связи между ними, заменяет их для сохранения себя как целостности, ориентируется во внешней среде и т.д.)
• Полиструктурность - это наличие у одной и той же системы большого количества структур. Рассматривая систему с разных точек зрения, мы будем выявлять в ней разные структуры. 

Кибернетический подход к анализу сложных систем. Понятие "чёрного ящика"

Кибернетика - наука об общих закономерностях процессов управления, осуществляемых сложными динамическими системами. Её основателем является американский математик Н. Винер (1894-1964), выпустивший в 1948 году книгу "Кибернетика, или управление их связь в животном и машине".

К основным задачам кибернетики относятся:

1) установление фактов, общих для управляемых систем или для некоторых их совокупностей;

2) выявление ограничений, свойственных управляемым системам. и установление их происхождения;

3) нахождение общих законов, которым подчиняются управляемые системы;

4) определение путей практического использования установленных фактов и найденных закономерностей.

Кибернетическая система - целенаправленная система, в отношении которой принято допущение об относительной изолированности в информационном отношении и абсолютной проницаемости в материально энергетическом отношении. Логистическая система как целенаправленная, динамическая, является управляемой, в этом смысле относится к категории кибернетических систем.

Кибернетический подход - исследование системы на основе кибернетических принципов, в частности с помощью выявления прямых и обратных связей, рассмотрение элементов системы как некоторых «черных ящиков».

Системы, которые изучает кибернетика - это множество элементов, соединенных между собой цепью причинно- следственной зависимости. Такое соединение между элементами носит название «связь».

Основные особенности кибернетики как самостоятельной научной области состоят в следующем:

· Кибернетика способствовала формированию информационной концепции представления систем.

· Кибернетика рассматривает системы только в динамике.

· Кибернетика практикует вероятностные методы исследования поведения сложных систем.

· В кибернетике применяется метод исследования систем с использованием понятия «черный ящик», под которым понимается система, в которой исследователю доступна лишь входная и выходная информация этой системы, а внутреннее устройство может быть неизвестно.

Очень важным методом кибернетики, использующим понятие «черного ящика», является метод моделирования.

Чёрный я́щик — термин, используемый для обозначения системы, внутреннее устройство и механизм работы которой очень сложны, неизвестны или неважны в рамках данной задачи. «Метод чёрного ящика» — метод исследования таких систем, когда вместо свойств и взаимосвязей составных частей системы, изучается реакция системы, как целого, на изменяющиеся условия. Подход чёрного ящика сформировался в точных науках (в кибернетике, системотехнике и физике) в 20-40 годах XX века и был заимствован другими науками 

Система, которую представляют как «черный ящик», рассматривается как имеющая некий «вход» для ввода информации и «выход» для отображения результатов работы, при этом происходящие в ходе работы системы процессы наблюдателю неизвестны. Предполагается, что состояние выходов функционально зависит от состояния входов.

Каноническое представление чёрного ящика — это полное описание его функций. Два черных ящика с одинаковыми каноническими представлениями считаются эквивалентными.

Изучение системы по методу чёрного ящика сводится к наблюдениям за ней и проведению экспериментов по изменению входных данных, при этом в ходе наблюдения над реакциями системы на внешние воздействия достигается определённый уровень знаний об исследуемом объекте, позволяющий осуществлять прогнозирование поведения «чёрного ящика» при любых заданных условиях.

Предложенный в кибернетическом подходе способ представления моделей опирается, так же как и в системном анализе, на известное положение, что всем объектам производственно коммерческой деятельности присуще движение, изменение, процессы. Отсюда и так называемый процессный способ кибернетического отражения систем. Согласно этому способу первым и основным элементом всякой системы (или ее модели) выступает процесс, в котором оптимально преобразуются потоки ресурсов. Поэтому процессный способ представления систем можно также назвать оптимально потоковым.

Вторым элементом кибернетической потоковой модели является вход. Он как раз и представляет собой поток потребляемых в процессе ресурсов. Например, для организационно- технологической части системы - это оборудование, рабочая система, сырье и так далее, для информационной - выходная информация, технические средства для ее обработки. Можно также сказать, что входом называется все то, что изменяется при протекании процессов.

Третий элемент кибернетической модели - выход. Это результат самого преобразования входов, то есть поток созданных или отработанных ресурсов. В логистических системах выходами могут быть готовая продукция, отходы производства, высвобождаемое оборудование, выходная информация и т.д. Совокупность связей между элементами системы обеспечивает их совместное функционирование потоки между элементами (звеньями) одной системы или между системами. Если связь осуществляет передачу выходного воздействия одного элемента на вход какого - либо последующего элемента той же системы, то она носит название прямой связи.

Четвертый элемент кибернетической модели - обратная связь. Это связь между выходом какого либо элемента и входом предшествующего ему в той же системе элемента. Она выполняет целый ряд операций по корректированию элементов системы. Различают положительную и отрицательную обратные связи. Положительная обратная связь возвращает на вход часть сигнала, полученного на выходе элемента или системы. Положительная обратная связь не корректирует сигнал на входе, а только увеличивает его значение.

При отрицательной обратной связи полученный по ней сигнал может и не совпадать по знаку с первоначальным. Это дает возможность сопоставить полученный результат с намеченной целью и в случае необходимости откорректировать поведение элемента или системы в целом. На практике важна своевременность такой корректировки, чтобы избежать значительного отклонения системы от траектории движения к намеченной цели. Принцип обратной связи лежит в основе логистического управления производственно коммерческой деятельностью, он характеризует способность системы воспринимать и использовать информацию о результатах собственной деятельности для достижения цели наилучшим (оптимальным) образом и в кратчайшие сроки.

Пятый и последний элемент кибернетической модели - ограничения, которые состоят из целей системы и так называемых принуждающих связей. Для производственно коммерческих систем одной из целей является выпуск продукции заданных номенклатуры, объема и качества, себестоимости; для информационной части системы - получение требуемой информации. В качестве принуждающих связей в этих случаях могут выступать различные лимиты ресурсов, метод переработки информации, технические характеристики средств для его реализации и т.д.

 

 

Управлением, связями и переработкой информации занимается наука кибернетика. Ее основателем считается американский математик Н.Винер, который  опубликовал труд «Кибернетика, или управление и связь в живых организмах и машинах». Кибернетика изучает общие свойства различных систем управления вне зависимости от их материальной основы. Эти свойства имеют место в живой природе, технике и в коллективах людей.

Любая система подвергается процессу управления.

Управление - это целенаправленное воздействие на объект (управляемый процесс), приводящее к заданному изменению (или поддержанию) его состояния. У управляемых систем всегда существует некоторое множество возможных изменений, из которого производится выбор предпочтительного изменения. Если у системы нет выбора, то не может быть и речи об управлении.

Управлять - это и предвидеть те изменения, которые произойдут в системе после подачи управляющего воздействия (сигнала, несущего информацию).

Всякая система управления рассматривается как единство управляющей системы (субъекта управления) и управляемой системы - объекта управления, а также линии связи (каналы связи) между ними. Управление системой или объектом всегда происходит в какой-то внешней среде. Поведение любой управляемой системы всегда изучается с учетом ее связей с окружающей средой. Поскольку все объекты, явления и процессы взаимосвязаны и влияют друг на друга, то, выделяя какой-либо объект, необходимо учитывать влияние среды на этот объект и наоборот. Свойством управляемости может обладать не любая система. Необходимым условием наличия в системе хотя бы потенциальных возможностей управления является ее организованность.

Система управления – комплекс взаимосвязанных элементов, участвующих в процессе управления.

Чтобы управление могло функционировать, то есть целенаправленно изменять объект, оно должно содержать четыре необходимых элемента:

1. Каналы сбора информации о состоянии среды и объекта.

2. Канал воздействия на объект.

3. Цель управления.

4. Способ (алгоритм, правило) управления, указывающий, каким образом можно достичь поставленной цели, располагая информацией о состоянии среды и объекта.

Виды воздействий:

• возмущающие (те, на которые мы не влияем)
• целенаправленные

Требования к моделям систем:

1. адекватность модели (должна удовлетворять основным эк. законам)
2. понятность модели
3. целенаправленность
4. функциональная полнота с т.з. решения поставленных задач
5. адаптивность (позволяет легко обновлять данные, допускать постепенные изменения)

Существует два основных вида связи:

•Прямые

•Обратные

Различие между ними состоит в том, что прямая обеспечивает передачу воздействия или информации с выхода одного элемента на вход другого, а обратная с выхода некоторого элемента на вход того же элемента.

Модель управления с прямой связью.

Прямые связи – это связи, идущие от управляющей к управляемой подсистеме. Это командные связи. Они отражают степень воздействия субъекта управления на объект управления или системы на среду.

Модель управления с обратной связью.

Более распространенными и эффективными являются системы управления с обратной связью - замкнутые системы управления. Управляющий орган при этом перерабатывает информацию, полученную как извне от других объектов системы, так и от объекта управления по линии обратной связи.

Обратные связи – это связи идущие от объекта к субъекту управления или от среды к системе. Они показывают разницу между ожидаемым и действительным результатом воздействия (положительные и отрицательные связи). Различают положительную и отрицательную обратную связь. При положительной обратной связи результаты процесса стремятся усилить его. В технических устройствах положительная обратная связь способствует переходу системы в другое равновесное состояние или вызывает лавинный процесс. Отрицательная обратная связь препятствует развитию, изменению процесса и стабилизирует его. Отрицательная обратная связь используется в замкнутых системах управления.

Управлению с обратной связью соответствует схема, изображенная на рисунке ниже:

Принципы кибернетического управления

Для выяснения сущности управления и для рассмотрения проблем его организации и эффективности важное значение имеет установление связи между теорией управления и кибернетикой.

Появление кибернетики - науки об общих закономерностях в процессах управления, осуществляемых в живых существах, машинах и их комплексах, - позволило собрать и обобщить огромное количество фактов, которые показали, что процесс управления во всех организованных системах сходен. Различие в управлении объектами касаются критериев цели, задач и содержания управления. Однако структура и построение процессов управления в организованных системах любых рангов имеют черты глубокого сходства, общности. Это обстоятельство объясняется тем, что процесс управления всегда представляет собой информационный процесс.

Отличительная черта кибернетического подхода к познанию и совершенствованию процессов управления - использование их аналогов в живой и неживой природе и моделирование. Основная задача кибернетики - достижение на основе присущих ей методов и средств оптимального уровня управления, т. е. принятие наилучших управленческих решений. Таким образом,кибернетическим называется такое управление, которое:

• рассматривает организацию как некоторую большую систему, каждый элемент которой берется не только сам по себе, но и как часть большой совокупности, в которую он входит;
• обеспечивает оптимальное решение многовариантных динамических задач организации;
• использует специфические методы, выдвинутые кибернетикой (обратную связь, саморегулирование и самоорганизацию и т. п. );
• широко применяет механизацию и автоматизацию управленческих работ на основе использования вычислительной и управляющей техники и компьютерных технологий.

       Из кибернетики управление заимствует следующие законы и принципы:

- Закон необходимого разнообразия.  По определению У. Р. Эшби, первый фундаментальный закон кибернетики заключается в том, что Разнообразие сложной системы требует управления, которое само обладает некоторым разнообразием. Иначе говоря, значительное разнообразие воздействующих на большую и сложную систему возмущений требует адекватного им разнообразия её возможных состояний. Если же такая адекватность в системе отсутствует, то это является следствием нарушения принципа целостности составляющих её частей (подсистем), а именно - недостаточного разнообразия элементов в организационном построении (структуре) частей.

С позиции теории управления главнейшим моментом, характеризующим сложность системы, является её разнообразие. Поэтому определение степени оптимального разнообразия при разработке любых систем - организации производства, планирования, обслуживания, оперативного управления, систем оплаты труда и т. д. - является одним из наиболее важных и первоочередных этапов использования кибернетики при проектировании и функционировании организации.

- Принцип эмерджентности.  Второй принцип У. Э. Эшби, выражает следующее важное свойство сложной системы:  "Чем больше система и чем больше различия в размерах между частью и целым, тем выше вероятность того, что свойства целого могут сильно отличаться от свойств частей". Указанные различия возникают в результате объединения в структуре системы (частей) определенного числа однородных или разнородных частей (элементов). Этот принцип указывает на возможность несовпадения локальных целей (частных целей отдельных элементов системы) с глобальной (общей) целью системы, а отсюда - на необходимость для достижения глобальных результатов принимать решения и вести разработки по совершенствованию системы и её частей на основе не только анализа, но и синтеза.

- Принцип внешнего дополнения. Впервые сформулированный С. Т. Биром третий принцип кибернетики гласит: любая система управления нуждается в "черном ящике" - определенных резервах, с помощью которых компенсируются неучтенные воздействия внешней и внутренней среды. Степень реализации этого принципа и определяет качество функционирования управляющей подсистемы.       Неучтенные факторы могут резко снизить надежность функционирования систем. Для удержания системы в заданных пороговых значениях переменных (показателей) необходимо наделить её нормативным уровнем резервов (стратегических, тактических, оперативных, технических, технологических, организационных, экономических и управленческих), компенсирующих воздействие этих факторов.

- Закон обратной связи.  Четвертый принцип кибернетики возведен в ранг фундаментального закона, который известен как закон обратной связи. Без наличия обратной связи между взаимосвязанными и взаимодействующими элементами, частями или системами невозможна организация эффективного управления ими на научных принципах. 

Схема управления с обратной связью (простая замкнутая система)

 

Все организованные системы являются открытыми, и замкнутость их обеспечивается только через контур прямой и обратной связи. Необходимым условием их эффективного функционирования является наличие обратной связи, сигнализирующей о достигнутом результате. На основании этой информации корректируется управляющее воздействие. Закон обратной связи подчеркивает, что управление немыслимо без наличия как прямой, так и обратной связи между объектом и субъектом управления, образующими замкнутый контур. Применительно к планированию этот закон утверждает единство плана и отчета. Кто порождает план, тот организует учет, анализ и контроль его исполнения объектом управления.

- Принцип выбора решения. Решение должно приниматься на основе выбора одного из нескольких вариантов. Там, где принятие решения* строится на анализе одного варианта, имеется субъективное управление. Разработка же многовариантных реакций в ответ на конкретную ситуацию, привлечение коллективного разума для разработки вариантов решений, в том числе с использованием метода "мозговой атаки", безусловно обеспечит принятие оптимального решения для конкретного случая. Этот принцип учитывает взаимосвязанность и обусловленность количественных и качественных изменений.

- Принцип декомпозиции. Этот принцип указывает на то, что управляемый объект всегда можно рассматривать как состоящий из относительно независимых друг от друга подсистем (частей). Искусство управления заключается в отборе взаимосвязанных факторов, в расчленении решаемой задачи на ряд последовательных звеньев.

- Принципы иерархии управления и автоматического регулирования. Под иерархией понимается многоуровневое управление, характерное для всех организованных систем. Обычно нижние ярусы управления отличаются высокой скоростью реакции, быстротой переработки поступивших сигналов. На этом уровне происходит оперативное принятие решения.Чем менее разнообразны сигналы, тем быстрее реакция - ответ на информацию. По мере повышения уровня иерархии действия становятся более медленными, но отличаются большим разнообразием. Осуществляются они уже не в темпе воздействия, а могут включать в себя анализ, сопоставление, разработку различных вариантов реакции (ответ на информацию).

Все указанные законы и принципы кибернетики взаимосвязаны и взаимообусловлены. Они должны непременно учитываться при организации структуры как объекта, так и субъекта управления, а в равной мере при реализации временного аспекта их организации, т. е. при осуществлении процессов планирования и управления.