Информационный анализ систем управления

Объектом информационного анализа являются информационные процессы, протекающие в системе управления. Остановимся на их сущности и содержании, для чего рассмотрим:

коммуникационную (информационную) схему передачи информации в системе управления;
классификацию и характеристику информационных процессов;
структуру информационного процесса.

Коммуникационная (информационная) схема передачи информации в системе управления. Эта схема передачи информации в системе управления показана на рис. 2.2.

На рис. 2.2 источником информации является объект управления, посылающий по каналу обратной связи (КОС) информацию о своем состоянии. Приемник информации, он же управляющий объект, в зависимости от количества и содержания информации об объекте управления, вырабатывает решение о воздействии на него. Это решение в виде команд и сигналов управления по каналу прямой связи (КПС) передается на объект управления. После выполнения команд объект управления посылает на управляющий объект информацию об изменении своего состояния и т.д. Таким образом замыкается цикл обмена информацией в системе управления.

В реально функционирующих системах управления на источник информации, приемник информации и линию передачи информации воздействует среда, в которой данная система функционирует, внося свои коррективы как в количество информации, так и в качество.

Процесс управления, как процесс выработки управляющих воздействий, является информационным процессом (ИП).

Любой информационный процесс в системе управления структурно можно представить как некоторую совокупность процессов:

сбор, прием, восприятие информации (эти процессы отражают взаимодействие системы с внешней средой);
передача информации между отдельными подсистемами системы;
переработка, анализ, отбор информации, создание новой информации;
использование информации;
хранение, запоминание информации;
передача информации из системы во внешнюю среду.

Информационный процесс есть целенаправленная совокупность операций по преобразованию информации, реализуемых в определенной среде, начиная с момента ее поступления в систему (возникновения), и кончая выдачей пользователю.

Причем понятие "пользователь" надо понимать в широком смысле. Пользователем могут быть: лицо, принимающее решение (ЛПР), получающее информацию в удобном для восприятия виде; технические устройства, преобразователи информации на магнитной ленте, диске, в оперативной памяти, канале связи и т.д.; программы, преобразующие полученную информацию.

Для удобства исследования ИП целесообразно классифицировать их.

Классификация и характеристика информационных процессов.

При классификации следует различать однородные и неоднородные совокупности ИП (рис. 2.3).

Будем считать заданную совокупность ИП однородной, если характер использования ресурсов системы, обеспечивающей их реализацию, одинаков для всех ИП и порядок обслуживания в ней не связан с их принадлежностью к конкретным ИП. В противном случае совокупность ИП считается неоднородной.

В свою очередь, среди неоднородных совокупностей ИП можно выделить приоритетные и неприоритетные. Неоднородная совокупность ИП является неприоритетной, если порядок обслуживания заявок отдельных ИП не зависит от их принадлежности к конкретным ИП, в противном случае она считается приоритетной.

Для неприоритетной совокупности ИП наиболее характерны следующие дисциплины обслуживания: в порядке поступления; в обратном порядке; на основе разделения времени.

Для приоритетной совокупности ИП дисциплина обслуживания зависит от важности ИП. Порядок обслуживания (предоставление ресурсов для реализации ИП) основывается на анализе приоритетов ИП, для чего каждому ИП приписывается число, именуемое приоритетом. Обычно считается, что чем меньше это число, тем "важнее" ИП, т.е. тем большее преимущество ему должно быть предоставлено.

По способу назначения приоритета различают системы с фиксированными и динамическими приоритетами. В первом случае числовое значение приоритета ИП сохраняется постоянным в процессе его обслуживания (в том числе и с учетом времени ожидания обслуживания), во втором — с течением времени меняется, являясь некоторой функцией от времени обслуживания.

Приоритетную совокупность, не относящуюся ни к одному из указанных типов, будем называть составной. Для нее обычно используются различные комбинации описанных способов назначения приоритета "конкурирующих" ИП.

При анализе каждого отдельного ИП прежде всего следует различать простые и сложные ИП.

Простой ИП можно представить в виде графа, из каждой вершины которого (кроме конечной) исходит одна дуга и в каждую вершину которого (кроме начальной) входит также одна дуга (рис. 2.4).

Любой ИП, не являющийся простым, будем называть сложным. Сложные ИП, в свою очередь, подразделяются на ветвящиеся ИП и ИП с размножением. Для определения указанных ИП введем следующие понятия. Будем называть точкой ветвления ИП финальную точку этапа, после завершения которого осуществляется переход на один из альтернативных этапов с вероятностями P_ij (рис. 2.5).

Причем Р_ij. = 1, где i — вершина — источник информации; j — вершина — получатель информации; k — номер дуги, по которой эта информация передается.

На рис. 2.5 из вершины А₂, соответствующей точке ветвления, выходят две дуги, которые определяют альтернативные пути продолжения ИП.

Назовем точкой размножения ИП финальную точку этапа, после завершения которого осуществляется переход на параллельное выполнение двух и более последующих этапов, в результате чего параллельные ветви вновь сходятся (рис. 2.6).

В этом случае из вершины А_2, соответствующей точке размножения ИП, исходят две дуги, каждая из которых задает переход на выполнение параллельного подпроцесса (параллельной ветви).

ИП с размножением определяется как ИП, имеющий хотя бы одну очку размножения. "Чисто" ветвящимся будем называть ИП, у которого есть хотя бы одна точка ветвления и нет точек размножения.

В свою очередь, ИП с размножением подразделяется на ИП с независимыми и зависимыми параллельными ветвями. Параллельная ветвь является независимой, если ни для одного из этапов задаваемого ею подпроцесса не требуется синхронизация с выполнением других этапов данного ИП. В противном случае такая ветвь считается зависимой. Синхронизация необходима, когда этап данного подпроцесса, завершающий подготовку данных, используемых другим подпроцессом, должен быть выполнен ранее начала этапа последнего подпроцесса, где эти данные обрабатываются. Очевидно, что подавляющее число ИП представляют собой комбинацию ветвящихся и размножающихся ИП.

Несмотря на все многообразие ИП, протекающих в системах управления, с точки зрения технологии обработки информации они имеют много общего. Это позволяет представить обобщенную схему обработки информации в системах управления (рис. 2.7).

Источниками информации в системах управления могут быть должностные лица (ДЛ) органов управления, автоматические датчики (АД) и вычислительные комплексы (ВК). В общем случае информация до момента выдачи ее пользователю проходит следующие основные технологические этапы преобразования:

сбор данных (вручную или автоматически);
формирование сообщения (запроса);
передача данных по каналам связи с использованием средств автоматизации или традиционными способами;
выдача данных лицу, принимающему решения, или для их ввода в вычислительный комплекс (ВК);
решение информационных или расчетных задач в В К;
выдача результатов решения задач ЛПР;
доведение принятого решения или результатов решения задач до адресатов.

Для различных категорий пользователей количество этапов, их длительность, а также типы генерируемых ими сообщений (запросов), как правило, различны. Они зависят от конкретного назначения системы, технической реализации ее отдельных элементов, их приоритетов, характера сведений, передаваемых в информационных сообщениях, и т.д.

Для получения справки, пользователи, локально подключенные к достаточно мощному ВК, могут привлечь другие ВК (т.е. без выхода в систему передачи данных).

Структура информационного процесса. Определив понятие информационного процесса как совокупность операций по преобразованию информации, необходимо отметить следующее.

Любая информационная единица (I), обладающая потребительской стоимостью (качеством), характеризуется содержанием (S), формой (F), пространственным расположением (L) и временем (Т), т.е. I= {S, F, L, Т}.

Каждая из этих характеристик в процессе преобразования (в информационном процессе) может изменяться. При этом различают следующие виды преобразования информации:

содержательное (семантическая обработка, в результате которой получается новая информация);
преобразование формы (например, кодирование, декодирование и т.п.);
преобразование в пространстве и времени (например, передача данных и соответственно хранение).

Элементарным действием в информационном процессе является операция преобразования информации (рис. 2.8).

Основные атрибуты операции - информация (объект преобразования); оператор (субъект преобразования) и цель (требования к преобразованию).

Операции по преобразованию информации могут быть разных типов ^v), которые определяются типом оператора Q ® (|S|F|L|T|),сложностью U), зависящей от типа оператора и цели преобразования U = < V, С >, времени (Т) ее реализации Т = < U, I > и ресурсоемкости (R).

Информационный процесс структурно можно представить множеством подпроцессов. В зависимости от того, какие виды преобразования информации доминируют (т.е. являются основными в системе достижения цели), можно выделить следующие подпроцессы.

1. Процесс формирования (подготовки) информации для преобразования. Доминирующим видом преобразования является преобразование формы (F). 2.Процесс передачи информации от источника к потребителю. Очевидно, что основным видом преобразования здесь является преобразование информации в пространстве (L).

3.Процесс семантической (смысловой) обработки информации — центральный подпроцесс ИП в системе управления. В результате его осуществления появляется новая информация, на основе которой в конечном счете формируются управляющие воздействия. Именно по этому процессу можно полностью идентифицировать всю систему с управлением и именно от качества обработки информации зависит эффективность функционирования системы. Цель данного процесса — выработка адекватных управляющих воз действий оптимальным (рациональным) способом. Доминирующий вид пре образования в этом случае — преобразование содержания информации (S).

4.Процесс хранения информации. Цель данного процесса — обеспечить существование информации во времени. Основной вид преобразования здесь - преобразование информации во времени (Т).

Очевидно, что все реальные процессы и системы, их реализующие, а следовательно, и структуры ИП, уникальны. Специфика функционирования реальных систем (что и определяет их уникальность) проявляется в содержании самой информации, составе и последовательности применения конкретных операторов по ее преобразованию и целей, существе того или иного процесса, составе и взаимосвязи подпроцессов, а также в конкретных глобальных целях функционирования системы с управлением. Представим на рис. 2.9 фрагмент структуры ИП, который обычно присущ большим системам управления.

Управленческие (информационные) процессы можно реализовать на ЭВМ, если их удается формализовать. Под формализацией понимается точное описание изучаемого объекта. Формализация процесса управления включает выделение управленческих функций и задач, разработку алгоритмов формализации и проведение алгоритмизации. Процесс считают полностью формализованным, если алгоритмы к задачам представлены и математически переведены на машинные программы, и при решении задач уже не нужно учитывать их физическое содержание. Потребность в знании физического содержания появляется лишь при использовании полученных результатов.

Информационный анализ систем управления

Сущностью информационного анализа является определение объема и форм представления информации, методов и средств ее передачи, обработки, хранения, ввода и вывода для известной структуры и алгоритма функционирования системы управления.

Информационный анализ выполняется с целью исследования количественных и качественных характеристик информации, используемой в системе управления.

Объектами исследования являются информационные процессы, протекающие в системе управления.

Процедура информационного анализа включает:

определение потребности в информации на каждой стадии управления;
планирование потребностей в информации;
определение количественных и качественных характеристик коммуникационных процессов;
определение потребности в информации при оценке эффективности управленческих решений (воздействий).

К показателям (характеристикам) информации относятся:

объем и скорость передачи информации;
достоверность передаваемых сообщений;
направление информационных потоков;
характеристики методов обработки информации и совершаемые при этом ошибки;
качественный состав информации;
количество обрабатываемых или передаваемых документов;
суммарное количество обрабатываемых или передаваемых документов и др.

На основе результатов информационного анализа вырабатываются предварительные рекомендации по разработке информационного обеспечения системы управления, включая способы передачи, обработки и представления информации, состав информации, необходимой для нормального функционирования системы, структуру информационного обмена и др.

Параметрический анализ систем управления

Сущностью параметрического анализа является определение необходимой и достаточной совокупности показателей, характеризующих все исследуемые свойства системы, и формирование зависимостей, характеризующих суммарный эффект от применения системы или ее элементов.

Цель параметрического анализа — оценка эффективности системы управления на основе определения количественных значений ее показателей.

Объектами исследования параметрического анализа являются частные и обобщенные показатели системы, образующие иерархическую структуру.

С помощью показателей верхнего уровня определяют внешние свойства анализируемой (разрабатываемой) системы и оценивают ее влияние на эффективность решения задач системой более высокого уровня.

Показатели нижнего уровня - частные показатели (параметры) системы, которые характеризуют ее структуру, процессы функционирования, информационные потоки или другие свойства.

Взаимосвязи показателей эффективности, характеризующие суммарный эффект, с частными показателями (параметрами) могут быть представлены в следующем виде:

q_i= F_i(h_i), i = 1, 2,..., n,

где q_i - показатели эффективности, характеризующие суммарный эффект от применения системы или ее элементов, рассматриваемых как отдельныесистемы на i-м уровне исследования;

h_i — частные показатели (параметры) системы, характеризующие ее структуру, процессы функционирования, информационные потоки или другие свойства на i-м уровне исследования.

При проведении параметрического анализа конкретной системы управления необходимо решить две основные задачи:

определить качественные и количественные характеристики (показатели) системы, степень детализации которых удовлетворяет исследователя;
выявить имеющиеся недостатки анализируемой системы и принять решение о ее дальнейшем использовании.

Решение первой задачи будет характеризоваться множеством показателей {П} системы управления:

где p_j - количественный (качественный) показатель свойства системы.

Множество {П}будет характеризовать информацию о системе, получаемую в результате анализа, поэтому первая задача может быть сформулирована следующим образом: определить значения показателей анализируемой системы , при которых

где I (П) — количество информации, полученной в результате анализа;

R(П) — общие затраты ресурсов на проведение анализа;

R_D — область допустимых значений материальных и временных ресурсов, выделенных для проведения анализа;

П_G — множество допустимых результатов анализа, включающее различные подмножества П вариантов состава и значений показателей анализируемой системы.

В общем случае анализ будет приводить к снижению неопределенности исследуемой системы, т.е.

I(П*) = Н(П₀) – Н(П*),

где Н(П₀) - энтропия системы до проведения анализа;

П₀ — показатели системы, известные исследователю до проведения анализа;

Н(П*) -- энтропия системы после проведения анализа.

После решения первой задачи формулируется вторая задача: определить множества показателей (значений показателей) П_н Ì П и соответвующих им свойств системы, которые не удовлетворяют предъявляемым требованиям, т.е.

где П_тр— требуемое значение показателей анализируемой системы;

П_н1 — подмножество неудовлетворительных значений показателей измеряемых свойств системы;

П_н2- подмножество неудовлетворительных показателей неизмеряемых свойств системы, интенсивность проявления которых нецелесообразно определять с помощью количественных оценок;

_1i - количественный показатель i-го измеряемого свойства системы, интенсивность проявления которого необходимо увеличивать;

_1j -- количественный показатель j-го измеряемого свойства системы, интенсивность проявления которого необходимо уменьшать;

_2k — показатель k-гo неизмеряемого свойства системы, принимающий следующие значения: _2k = 0 при отсутствии у системы k-го свойства или функции управления; в противном случае _2k = 1;

_тpi и _mpj — требуемые значения количественных показателей i-го и j-го измеряемого свойства системы.

На основании результатов параметрического анализа делается заключение о целесообразности использования существующей системы и определяются основные направления ее совершенствования, обеспечивающие улучшение тех частных показателей, которые оказывают максимальное влияние на эффективность управления.

Резюме

1. Системный подход — это подход к исследованию объекта (проблемы, явления процесса) как к системе, в которой выделены элементы, внутренние и внешние связи, наиболее существенным образом влияющие на результаты его функционирования, а цели каждого из элементов определены исходя из общего предназначения объекта. Системный подход как общеметодический принцип используется в различных отраслях науки и деятельности человека. Гносеологической основой его является общая теория систем. Системный подход посвящен решению системных задач, в которых объект исследований представляется в виде систем. Системные задачи могут быть двух типов: системного анализа или системного синтеза. Задача анализа предполагает определение свойств системы по известной ее структуре, а задача синтеза — определение структуры системы по ее свойствам.

2. Под анализом систем управления понимается процесс исследования, основанный на декомпозиции системы управления, с последующим определением ее статических и динамических характеристик составляющих элементов, рассматриваемых во взаимосвязи с другими элементами системы и окружающей средой.

Цели анализа систем управления: детальное изучение системы управления для более эффективного использования и принятия решения о ее дальнейшем совершенствовании или замене; исследование альтернативных вариантов вновь создаваемой системы управления с целью выбора ее наилучшего варианта.

К задачам анализа систем управления относятся: определение объекта анализа; определение функциональных особенностей системы управления; определение количественных и качественных показателей системы управления; оценка эффективности системы управления; обобщение и оформление результатов анализа.

3 Опыт исследования объектов различного состава, содержания и области применения (общественных, физических, технических, эргатических, биологических, мыслительных конструкций и т.д.) позволяет сформулировать три основных принципа анализа и синтеза, которые можно положить в основу исследования, использования и создания сложных систем управления: принцип физичности; принцип моделируемости; принцип целенаправленности.

Выделяют следующие виды анализа систем управления:

структурный;

функциональный;

информационный;

параметрический.

Сущностью структурного анализа является определение статических характеристик систем по известной ее структуре. Структурный анализ проводится с целью исследования статических характеристик системы путем выделения в ней подсистем и элементов различного уровня и связей между ними. Объектами исследования структурного анализа являются различные варианты структур системы управления, которые формируются в процессе ее декомпозиции.

Сущностью функционального анализа является определение динамических характеристик систем на основании принятых алгоритмов ее функционирования. Функциональный анализ проводится с целью определения динамических характеристик системы путем исследования процессов изменения ее состояний с течением времени на основе принятых алгоритмов (способов, методов, принципов, концепций) управления. Объектами исследования функционального анализа являются реализуемые системой методы и алгоритмы управления, включая общий алгоритм функционирования, содержащий все основные этапы (фазы, функции) управления, и частные методы и алгоритмы, направленные на выполнение отдельных этапов управления (формирование цели управления, сбор и обработка необходимой информации, принятие решений, планирование, организация, контроль, выполнение решений и др.).

Сущностью информационного анализа является определение объекта и форм представления информации, методов и средств ее передачи, обработки, хранения, ввода и вывода для известной структуры и алгоритма функционирования системы управления. Информационный анализ проводится с целью исследования количественных и качественных характеристик информации, используемой в системе управления. Объектами исследования выступают информационные процессы, протекающие в системе управления.

В системах управления выделяют следующие информационные процессы: сбор, прием, восприятие информации (эти процессы отражают взаимодействие системы с внешней средой); передача информации между отдельными подсистемами системы; переработка, анализ, отбор информации, создание новой информации; использование информации; передача информации из системы во внешнюю среду.

Сущностью параметрического анализа является определение необходимой и достаточной совокупности показателей, характеризующих все исследуемые свойства системы и формирование зависимостей, характеризующих суммарный эффект от применения системы или ее элементов. Цель параметрического анализа — оценка эффективности системы управления на основе определения количественных значений ее показателей. Объекты исследования параметрического анализа — это частные и обобщенные показатели системы, образующие иерархическую структуру.

6. Системный подход требует многоуровневого изучения системы управления. Выделяются следующие уровни анализа и синтеза систем управления: внешний, исходный, общесистемный, системный.

На внешнем уровне анализируется сверхсистема, в состав которой входит исследуемая система управления. В процессе исследования сверхсистемы: определяются цели и задачи сверхсистемы; выделяются (в сверхсистеме) подсистемы (функции, задачи), в интересах которых применяется система управления; уточняются показатели и критерии данных подсистем; определяются внешние свойства и соответствующие показатели системы управления, которые могут повлиять на эффективность сверхсистем.

На исходном уровне исследуемая система управления выделяется как отдельный целенаправленный элемент (ЦНЭ) сверхсистемы, которая включает различные, в том числе и противоположные по интересам, подсистемы. Основные задачи исследования на исходном уровне: выделение исследуемой системы в виде отдельного целенаправленного элемента (ЦНЭ); выявление входных целезадающих, обеспечивающих и помеховых (разрушающих) воздействий, поступающих от различных подсистем сверхсистемы на ЦНЭ; установление показателей и критериев эффективности ЦНЭ, которые характеризуют внешние свойства системы управления и ее влияние на сверхсистему.

На общесистемном уровне проводится детализация ЦНЭ на управляющую систему (УС) и объект управления (ОУ). Основными задачами исследования на данном уровне являются: декомпозиция ЦНЭ на управляющую систему и объект управления; формирование управляющих воздействий; определение маршрутов движения к цели; определение показателей, раскрывающих структуру системы и эффективность управляющих воздействий.

На системных уровнях осуществляется дальнейшая декомпозиция УС и ОУ путем выделения отдельных элементов и связей между ними.

7. В соответствии с постулатом декомпозиции и многоуровневой модели исследования систем управления вся совокупность показателей (характеристик) системы имеет иерархическую структуру и включает показатели: внешнего уровня; исходного уровня; общесистемного уровня; системных уровней.

Показатели внешнего уровня включают показатели отдельных подсистем сверхсистемы, которые взаимодействуют с исследуемой системой управления.

Показатели исходного уровня характеризуют внешние свойства системы управления и ее влияние на сверхсистему. Они включают: показатели эффективное-с помощью которых можно оценить степень приспособленности системы или ее отдельных элементов соответствующего уровня к выполнению поставленных задач; параметры выбора, содержащие характеристики отдельных свойств системы управления, оказывающие влияние на показатель эффективности.

Показатели общесистемного уровня определяют структуру системы управления на уровне УС и ОУ, а также процессы функционирования соответствующих элементов при выработке управляющих воздействий и реакций.

Показатели системных уровней включают различные структурные, функциональные и информационные характеристики исследуемой системы до принятой степени детализации.