Структура (от лат. strukture, означающего "строение", "расположение", "порядок") отражает определенные взаимосвязи элементов системы, ее строение..
Структура системы - устойчивая упорядоченность в пространстве и во времени ее элементов и взаимосвязей между ними. При описании сложных объектов структура системы включает не все элементы и связи между ними, а лишь наиболее существенные, которые мало меняются при ее текущем функционировании и обеспечивают существование системы и ее основных свойств. Иными словами, структура характеризует устойчивую упорядоченность элементов и связей. Структурные связи обладают относительной независимостью от элементов и при переходе от одной системы к другой могут переносить закономерности, выявленные и отраженные в структуре одной из них, на другие. При этом системы могут иметь различную физическую природу. Одна и та же система может быть представлена разными структурами в зависимости от стадии познания объектов или процессов, от аспекта их рассмотрения, цели создания. По мере развития исследований или в ходе проектирования структура системы может изменяться. Кроме того, следует различать два определяющих понятия структуры: материальная структура и формальная структура.
Под формальной структурой понимается совокупность функциональных элементов и их отношений, необходимых и достаточных для достижения системой поставленных целей. Таким образом, формальная структура описывает нечто общее, присущее системам одного типа.
Материальная структура является носителем конкретных типов и параметров элементов системы и их взаимосвязей.
Приведенные рассуждения позволяют сделать два вывода относительно сущности формальных структур:
1. фиксированной цели соответствует, как правило, одна и только одна формальная структура;
2. одной формальной структуре может соответствовать множество материальных структур.
Существует ряд типовых структур систем, использующихся при описании организационно-экономических, производственных и технических объектов. Обычно понятие «структура» связывают с графическим отображением элементов и их связей. Однако структура может быть представлена и в матричной форме, форме теоретико-множественного описания, с помощью языка топологии, алгебры и других средств моделирования систем.
Линейная (последовательная) структура (рис. 2.1) характеризуется тем, что каждая верщина связана с двумя соседними. При выходе из строя хотя бы одного элемента (связи) структура разрущается. Примером такой структуры является конвейер.
Рис. 2.1. Линейная структура
Кольцевая структура (рис. 2.2) отличается замкнутостью, любые два элемента обладают двумя направлениями связи. Это повышает скорость общения, делает структуру более живучей.
Рис. 2.2 Кольцевая структура
Сотовая структура (рис. 2.3) характеризуется наличием резервных связей, что повышает надежность (живучесть) функционирования структуры, но приводит к повышению ее стоимости.
Рис. 2.3 Сотовая структура
Многосвязная структура (рис. 2.4) имеет структуру полного графа. Надежность функционирования максимальная, эффективность функционирования высокая за счет наличия кратчайших путей, стоимость - максимальная.
Рис. 2.4 Многосвязная структура
Звездная структура (рис. 2.5) имеет центральный узел, который выполняет роль центра, все остальные элементы являются подчиненными.
Рис. 2.5 Звездная структура
Графовая структура (рис. 2.6) используется обычно при описании производственно-технологических систем.
Рис. 2.6 Графовая структура
Сетевая структура (сеть) - разновидность графовой структуры, представляющая собой декомпозицию системы во времени.
Например, сетевая структура может 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 - сетевая модель, сетевой план и т. д.).
Иерархическая структура получила наиболее широкое распространение при проектировании систем управления, чем выше уровень иерархии, тем меньшим числом связей обладают его элементы. Все элементы кроме верхнего и нижнего уровней обладают как командными, так и подчиненными функциями управления.
Иерархические структуры представляют собой декомпозицию системы в пространстве. Все вершины (узлы) и связи (дуги, ребра) существуют в этих структурах одновременно (не разнесены во времени).
Иерархические структуры, в которых каждый элемент нижележащего уровня подчинен одному узлу (одной вершине) вышестоящего (и это справедливо для всех уровней иерархии), называют древовидными структурами (структурами типа «дерева»; структурами, на которых выполняются отнощения древесного порядка; иерархическими структурами с сильными связями) (рис. 2.7 а).
Рис. 2.7а Иерархические структуры с сильными связями
Структуры, в которых элемент нижележащего уровня может быть подчинен двум и более узлам (вершинам) вышестоящего уровня, называют иерархическими структурами со слабыми связями (рис. 2.7 б)
Рис. 2.7б Иерархические структуры со слабыми связями
В виде иерархических структур представляются конструкции сложных технических изделий и комплексов, структуры классификаторов и словарей, структуры целей и функций, производственные структуры, организационные структуры предприятий.
В общем случае термин иерархия шире, он означает соподчиненность, порядок подчинения низших по должности и чину лиц высшим, возник как наименование «служебной лестницы» в религии, широко применяется для характеристики взаимоотношений в аппарате управления государством, армией и т. д., затем концепция иерархии была распространена на любой согласованный по подчиненности порядок объектов.
Таким образом, в иерархических структурах важно лишь выделение уровней соподчиненности, а между уровнями и компонентами в пределах уровня могут быть любые взаимоотношения. В соответствии с этим существуют структуры, использующие иерархический принцип, но имеющие специфические особенности, и их целесообразно выделить особо.
В теории систем М. Месаровича предложены особые классы иерархических структур (страты, слои, эшелоны), отличающиеся различными принципами взаимоотношений элементов в пределах уровня и различным правом вмешательства вышестоящего уровня в организацию взаимоотношений между элементами нижележащего.
При описании сложных систем основная проблема состоит в том, чтобы, с одной стороны, отразить в модели целостное представление об исследуемом или проектируемом объекте, а с другой - дать его детальное описание. Один из путей решения этой проблемы - стратификация - представление системы семейством, моделей, каждая из которых описывает, поведение системы с точки зрения соответствующего уровня абстрагирования. Такое представление названо стратифицированным, а уровни абстрагирования - стратами. Основные уровни (страты) изучения систем: макроскопический и микроскопический анализы. Макроскопический анализ заключается в игнорировании деталей структуры системы и наблюдении только общего поведения системы как целого. Цель макроскопического анализа состоит в создании модели изучаемой системы в ее взаимодействии с окружением (модель «вход- выход» - модель типа «черный ящик»). Сюда относится тип структуры и границы системы, характер взаимодействия «вход-выход», особенности функционирования и т. д.
Микроскопический анализ детально описывает каждый из компонентов системы. Центральным при этом является понятие элемента. Изучаются связи и функции элементов, структура системы и т. д.
Можно назвать следующие задачи микроанализа:
- выделение элементов в системе;
- изучение каждого из элементов;
- установление структуры системы;
- выявление связи между элементами.
Однако для описания сложных систем двух страт недостаточно. В этом случае используется иерархическая структура описания системы, при котором более высокий уровень иерархии выступает в качестве макроописания для нижнего (микроуровня). Страты могут выделяться по разным принципам. Например, при представлении системы управления предприятием страты могут соответствовать сложившимся уровням управления: управление технологическими процессами (собственно производственным процессом) и организационное управление предприятием. Стратифицированное представление может использоваться и как средство последовательного углубления представления о системе, ее детализации:
- чем ниже опускаемся по иерархии страт, тем более детальным становится раскрытие системы;
- чем выше поднимаемся, тем яснее становится смысл и значение всей системы.
Для организации системы управления и принятия решений в сложных системах используется многослойные (многоуровневые) иерархические структуры. При этом задача управления разделяется на уровни компетентности (ответственности) - слои (рис.2.8): на верхних слоях (уровнях) принимаются более общие решения, которые детализируются на нижних. Решение вышестоящего уровня выступает в качестве постановки задачи для нижестоящего (при постановке задачи задаются цели и ограничения управления).
Рис. 2.8 Слои
Многослойные системы управления (принятия решений) широко используются для решения задач планирования и управления промышленными предприятиями, концернами и т. п.
Если система представляется иерархической структурой с относительно независимыми, взаимодействующими между собой элементами, то такую структуру называют многоэшелонной. При этом, с одной стороны, отдельные (или все) элементы имеют права принятия решений, а с другой - некоторые их них находятся под влиянием или управляются вышестоящими (рис.2.9). Уровень такой иерархии называется эшелоном.
Рис. 2.9 Многоэшелонная структура: ЭПР - элемент, принимающий решение; ОС- обратная связь; ИОС - информационная ОС
Основной отличительной особенностью многоэшелонной структуры является предоставление элементам всех уровней определенной свободы в выборе их собственных решений, что повышает эффективность функционирования системы. Однако «издержками» такой организации управления будут ситуации, когда решения, принятые элементами, могут быть (но не обязательно) не теми решениями, которые бы выбрал вышестоящий уровень. Поскольку элементы также в таких системах имеют определенную свободу в выборе своих цепей, то многоэшелонные структуры называют многоцелевыми. В связи с предоставлением прав самостоятельности в принятии решений элементы могут формировать противоречащие друг другу («конфликтные») цели и решения, что затрудняет управление. Разрешение конфликтов достигается путем вмешательства вышестоящего эшелона. Управляющие воздействия для разрешения этих противоречий со стороны вышестоящих уровней иерархии могут быть разной силы: в частности, разделяют понятия «управление» и «координация». При этом координация может иметь разную силу воздействия («вмешательства») и осуществляется в разной форме. В связи с этим теорию многоуровневых систем М. Месаровича иногда называют теорией координации. В этой теории содержатся рекомендации о том, чтобы в процессе принятия решений подсистемы не всегда стремились бы отстаивать свои интересы, доводя дело до конфликтных ситуаций, а вступали бы в коалиции. В зависимости от принятых принципов, силы и форм вмешательства вышестоящих эшелонов в дела нижестоящих процесс принятия решения может происходить по-разному, т. е. по-разному может быть организована система управления принятием решений, поэтому многоэшелонные, многоцелевые иерархические структуры называют также организационной иерархией.
Структуры систем можно также представлять в табличном (матричном) виде. В форме матричного представления могут быть представлены взаимоотношения между уровнями иерархической структуры. Например, иерархическая структура с сильными связями, может быть представлена в виде матричной структуры, показанной на рис. 2.10 а.
Рис. 2.10а Табличное представление иерархических структур с сильными связями
Такое представление удобно использовать на практике, например, при оформлении планов, поскольку в нем нужно еще указать исполнителей, сроки выполнения, формы отчетности и другие сведения, необходимые для контроля выполнения плана. Взаимоотношения между уровнями иерархии со «слабыми» связями могут быть представлены в виде двумерной матричной структуры (рис. 10 б).
Рис. 2.10б Табличное представление иерархических структур со слабыми связями
При этом помимо наличия связей в матрице может быть охарактеризована и сила связей либо словами («сильная» - «слабая»), либо путем введения количественных характеристик силы (значимости, длительности и т. п.) связи.
Смешанные иерархические структуры с вертикальными и горизонтальными связями. В реальных системах организационного управления (особенно на уровне региона, корпорации, государства) могут быть использованы одновременно несколько видов иерархических структур - от древовидных до многоэшелонных. Такие иерархические структуры можно назвать смешанными. При этом основой объединения структур могут служить страты, и поэтому, в принципе, можно считать их развитием стратифицированного представления. В таких смешанных иерархических структурах могут быть как вертикальные связи разной силы (управление, координация), так и горизонтальные взаимодействия между элементами (подсистемами) одного уровня.