Практически все искусственные системы являются целенаправленными, т.е. преследуют ту или иную цель.
Система управления лесным хозяйством, несомненно, искусственная. Ее целью будет получение достаточного количества древесины и других ресурсов и полезностей леса для удовлетворения потребностей народного хозяйства при соблюдении принципа непрерывности и не истощительности лесопользования, одновременно обеспечивая сохранение и приумножение экологических свойств леса. Это выходное воздействие системы. В то же время, если мы достигаем этого выходного воздействия, то система приходит в некоторое состояние: есть иерархия (управление от министра до лесника), модули (областные управления, лесничества), выполняются указания, идет заготовка древесины и посадка леса, все работают, т.е. это и состояние системы, и получение нужного выходного воздействия, что на практике будет одно и то же.
Постановка перед системой конечных глобальных целей влечет за собой необходимость выполнить ряд дополнительных действий, а именно:
1. Сформулировать локальные цели, стоящие перед элементами системы и группами элементов
2. Обеспечить целенаправленное вмешательство в функционирование (строение, создание) системы.
Обе перечисленные операции тесно связаны. На практике сначала обычно разбивают глобальную цель на набор локальных, а потом ищут пути достижения локальных целей.
Продолжим пример с управлением лесным хозяйством. Большая глобальная цель, которую мы сформулировали как получение достаточного количества продуктов и полезностей леса при соблюдении определенных ограничений, распадается на ряд мелких (локальных): лесовосстановление, уход за лесом, охрана леса, зашита леса, определение размера главного пользования, решение вопросов финансирования, снабжения техникой, материально-техническое обеспечение и т.д.
Пути достижения локальных целей тоже непросты. Каждую локальную цель можно рассматривать как некоторый модуль, разделив его в свою очередь на новые локальные цели. Так, лесовосстановление делится на получение семян, выращивание сеянцев и саженцев, подготовку почвы, посадку лесных культур, естественное возобновление и т.д.
Следовательно, набор локальных целей, как правило, сам имеет иерархическое многоуровневое строение и а той или иной степени соответствует обшей иерархии в системе. В этом случае "локальные цели" есть собирательный термин для целей всех иерархических уровней. Для всех из них можно указать, в какую цель более высокого уровня она входит и (кроме целей самого низшего уровня) на что дробится она сама.
При модульном строении системы локальные цели выступают как требованиям выходам (или выходным характеристикам) модулей. Именно продуманные требования на выходы согласовывают модули так, что состоящая из них система выполняет глобальную цель. Таким образом, локальные цели выступают важными регуляторами организации частей и элементов в целенаправленную систему, а их согласование направляет проводимые в системе изменения в единое русло.
Целенаправленное вмешательство в процесс в системе называется управлением. Управление – важнейшее понятие для целенаправленных систем. Оно естественным образом связано с постановкой целей: именно возможность вмешательства, выбора, альтернативы делает процесс в системе вариативным, а один или более из этих вариантов – ведущим к достижению цели.
Управление - чрезвычайно широкий и свободный в употреблении термин. Строгий (научный) подход к управлению требует четкого, однозначного определения следующих условий:
1. Того, чем мы распоряжаемся.
2. Каковы пределы, в которых мы можем выбирать.
3. Каково влияние данного управления на процесс.
На практике по всем перечисленным требованиям могут быть неясности, а двумя последними иногда вовсе пренебрегают. Это обычно приводит к тому, что управление не ведет к цели. Такое положение возможно и в строгой трактовке управления - когда отсутствует описание процесса в системе. В этом случае мы просто набираем опыт работы с "черным ящиком".
Сделаем символическую запись введенных понятий. Общий вид процесса Stot с управлением и из некоторой возможной совокупности U есть
(Stotu (у (to)) = y(t, u), у Є Y, u Є U (2.10)
Сравните (2.10) с (2.8), и вы найдете определенное сходство и различие. Приведенному управляемому процессу будет соответствовать отображение множеств
UxTxY->Y (2.11)
В (2.10) отражена лишь управляемость, вариативность процесса, но не его цель. Для записи процесса, приводящего к выполнению цели, начнем с того, что введем специальное обозначение для тех выходных воздействий, на которые можно влиять выбором управлений U. Такими будут величины f, обычно называемые критериями. Они являются частью выходов Хjk и Xj рассматриваемого нами модуля (об этом мы уже говорили ранее), или системы в целом.
Обозначим теперь желаемый вид выходных действий через fg где G есть символ поставленной цели. Критерии f, естественно, считаем зависящими от характеристик у: f= f(g) (2.12).
Допустим, что существует момент tg (или он задан) и существует состояние характеристик уg, позволяющее достичь цели fg. Пусть сocтoяниe уg может быть достигнуто управляемым процессом (Stot)u
Тогда управление Ug, позволяющее выполнить цель tg, определяется как часть триады (tg, уg, и ug) удовлетворяющее соотношениям (Stot)U'
(Stot)u (у (to)) = y(t,u), f(y) = fg,; у Є Y, t Є T, u Є U (2.13)
Перейдем к примерам.
Рассмотрим процесс подачи сеянцев в лесопосадочной машине ИЛАНА. Под параметром процесса t понимаем место сеянца в лентопротяжном механизме (в кассете). Характеристикой процесса y(t) считаем скорость движения ленты. Выбор управления будет состоять в регулировании и поддержании оптимальной y(t). Критерий f(y) - это предел, который может выдержать лента без сбоев подачи сеянца, без обрыва и т.д. Мы этот параметр знаем (он рассчитывается, т.е. можно также считать, что to задан). Цель to - ввод величин f в некоторый диапазон, обеспечивающий стабильную подачу сеянцев.
Заметим, что такая задача, вроде бы, имеет вид, отличный от записи (2.13). Действительно, стандартная математическая запись нахождения многомерной величины f в заданном диапазоне есть
Дело здесь заключается в том, что под целью tg понимается любая точка множества, описываемого приведенными неравенствами.
Управлением может быть и параметр процесса t. Например, в приведенной задаче надо максимизировать скорость движения ленты при некоторых ограничениях: чтобы лента не рвалась, шла нормальная подача сеянцев (они не должны перекашиваться, сминаться) и т. д. Если параметром процесса является время, то определяется наименьшее его количество для прохождения всей ленты (высаживание 2000 сеянцев). Во всех этих случаях величина t включается в список управлений и.
Обозначив глобальную цель через G°, набор локальных целей первого иерархического уровня - через {G’}, второго - через {G"} и т. д., запишем иерархическую структуру в системе в виде
В лесной экосистеме входами являются солнечная энергия, осадки, а древесина, животный мир, вода, рекреационные ценности — выходом, используемым людьми.
Можно выделять и изучать различные виды экологических систем в зависимости от уровня жизни, подвергаемого исследованию.
Биосфера и вся окружающая среда представляет собой гигантскую экологическую систему. В ней, кроме экосистемы лесов, существуют экосистемы лугов, болот, обрабатываемых полей и т.д.
Экосистему можно также разбить на иерархию подсистем, основанных на различиях в процессах, например, подсистемы экосистемы могут включать систему передачи энергии, систему движения минеральных веществ и др. Общим главным знаменателем наземных экосистем является пищевая цепь, связывая физическую окружающую среду с тремя главными жизненными компонентами: продуцентами, консументами и редуцентами.
Системный анализ является методом, применяющим понятия и математические модели, позволяющие охватить огромную сложность экосистем.
Системным анализом называется решение проблемы в том случае, если оно характеризуется следующими фазами:
1) идентификацией всех существенных компонентов, представляющих интерес;
2) определением взаимоотношений между избранными компонентами;
3) спецификацией механизмов, благодаря которым в системе происходят изменения (распределение свойств по компонентам);
4) решением и оценкой модели сравнительным путем.