Кібернетико-інформаційна характеристика процесу управління

Перед тим як розглядати процес управління в кібернетичному аспекті, введемо деякі поняття, характерні для кібернетики як науки.

Кібернетична система. Кібернетика вивчає загальні принципи управління, притаманні об’єктам будь-якої природи. Вперше ці принципи були виділені при вивченні біологічних і технічних систем майже 50 років тому. Сам термін "кібернетика" виник від грецького слова ‘ кібернесіи"¹⁰ (керманич), котрим користувався математик Н. Вінер, який узагальнив, за його власним виразом, ідеї, "які витали у повітрі” та відносились до такого кола понять, як "система", "гомеостазіс", "зворотний зв’язо.к", "регулювання" і т. п., які ми пояснимо далі.

Поняття кібернетичної системи є одним з основних понять кібернетики, однак досі в науці немає його однозначного тлумачення. Не вдаючись в суть розбіжностей, будемо вважати, що система – це будь-яка безліч динамічно зв’язаних між собою еле-

¹⁰ Від слова "кібернесіи" утворено латинське слово "управляючий" (gubernator), від якого, в свою чергу, виникає слово регулятор" (guverner).

ментів. Вивчення систем взагалі є предметом системного аналізу. Предмет кібернетики – складні імовірнісні системи, що мають гомеостатичну природу.

Виділення такого класу систем є вельми істотним для розуміння ідей кібернетики. Можна виділити, наприклад, живі системи на відміну від неживих, механічні системи, електричні системи і т. п. Можна, однак, побудувати класифікацію на оцінці складнощів систем та природи існуючих в них зв’язків (регулярні або випадкові). При такому підході людський мозок та сучасне підприємство потрапляють до одного класу дуже складних імовірнісних систем, що, по суті, означає неможливість колись повністю описати внутрішні зв’язки та поведінку цих об’єктів. Таким чином, вже само виділення класу систем ставить кібернетиці певні завдання, пов’язані з описом систем та управлінням ними.

Особливий інтерес для кібернетики становить вивчення механізму гомеостату та розробка принципів побудови гомеостатичних систем. Гомеостат – це механізм утримання параметрів (характеристик системи) в заданих межах. Коли кажуть, що система має гомеостатичну природу, то під цим розуміють, що існує траєкторія зміни станів системи і механізм виведення системи на цю траєкторію. Наприклад, підтримання температури нашого тіла на нормальному рівні (траєкторія системи) здійснюється складним гомеостатичним механізмом.

З точки зору процесу управління кібернетичну систему можна уявити як гаку, що складається з двох підсистем – управляючої (блок управління) та керованої (об’єкт управління).

Розглянемо більш докладно управляючу підсистему. Вона розпадається на два блоки – блок вироблення цілей та блок регулювання. Завдання цих блоків багато у чому відмінні, що відображається і на процесі реалізації функцій кожного з них. Якщо процес управління розбити па чотири стадії: 1) збирання та обробка інформації; 2) прийняття рішення; 3) реалізація рішення;

4) контроль за реалізацією, то перша, друга та четверта стадії входять до складу функцій блоку вироблення цілей і лише третя стадія є функцією блоку регулювання. З погляду кібернетики для управління найбільший інтерес викликають перша та третя стадії цього процесу.

Регулювання та управління. Процес, за допомогою якого здійснюється утримання характеристик системи на певній траєкторії, називається регулюванням, а та частина системи (підсистема), яка здійснює регулювання, – регулятором.

У кібернетиці виділяють три типи регулювання:

1) регулювання за допомогою вирівнювання відхилень дійсного стану перемінних під потрібного (згідно з цим принципом управляюча підсистема впливає па керовану підсистему таким чином, щоб вона перебувала у потрібному стані);

2) регулювання за допомогою усунення із оточення системи того фактору, під впливом якого система виходить із потрібного стану (такий тип регулювання носить компенсаційний характер);

3) регулювання за допомогою ізоляції системи від збудників.

Перший принцип зустрічається, наприклад, у будь-яких технологічних процесах, що здійснюються в автоматичному режимі. Компенсаційне регулювання можна проілюструвати па прикладі правової санкції щодо постачальника, який не забезпечив своєчасного надходження напівфабрикатів на підприємство. Третій тип регулювання зустрічається у тих економічних системах, де організація виробництва будується так, щоб мінімізувати вплив (дію) зовнішніх збудників, наприклад, за допомогою створення різного роду запасів і т. п.

У разі, якщо регулювання має на увазі не тільки виведення системи на певну траєкторію, але й визначення цієї траєкторії, йдеться вже не про регулювання, а про управління.

Таким чином, управління передбачає: визначення траєкторії станів системи та утримання системи на цій траєкторії шляхом регулювання.

Залежно від того, які принципи покладаються в основу визначення траєкторії станів системи, виділяється декілька типів управління. Розглянемо ці типи.

1. Нехай Y – управління стану системи, що визначається. Тоді під програмним управлінням буде розумітися визначення Y залежно від часу, тобто Y=Y(t). Розроблена таким чином траєкторія станів системи буде називатися програмним управлінням";. Управління соціальною системою на підставі плану може служити прикладом програмного управління, а план є програмою управління.

2. Якщо ж Y визначається не як функція від часу, а як функція від якогось параметру, тобто Y=Y(X), то кажуть про слідкуюче управління. Величина X називається ведучою, а Y – слідкуючою. Прикладом слідкуючого управління може бути управління випуском якоїсь продукції на підприємстві залежно від змін попиту па цю продукцію.

3. У тому випадку, коли У визначається на основі попереднього процесу управління, управління називається адаптаційним. Цей тип є важливим та обов’язковим доповненням до інших типів управління, оскільки фактично являє собою необхідний принцип побудови кібернетичної системи – самонавчання.

Узагальнюючи вищенаведене, поняття управління в кібернетичному смислі можна сформулювати так: управління являє собою підсистему кібернетичної системи і є гомеостатичним механізмом, призначеним для саморегулювання.

Зупинимося на механізмі управління кібернетичною системою.

" У даному випадку програмне управління відрізняється від загальноприйнятого поняття програмно-цільового управління.

Нехай керована підсистема (об’єкт управління А) і управляюча підсистема (блок управління В) зв’язані між собою, як показано на рис. 10.1.

Рис. 10.1. Принципова схема механізму управління кібернетичною системою

Для того щоб визначити символи Х та X₁, введемо поняття "вхід" та "вихід". Під входом системи будемо розуміти ті параметри зовнішнього середовища, які впливають на стан системи, а виходом назвемо її стан, впливаючий на зовнішнє середовище. Таким чином, Х – вхід системи, а Y – її вихід. X₁ – вихід блоку управління, який одночасно е входом для об’єктів управління. Завдання будь-якого управління полягає в тому, щоб перетворити зовнішній вплив Х в управляючий вплив X₁ з тим, щоб на виході об’єкта управління був деякий бажаний стан Y.

Отже, блок управління В має зробити відповідний відклик X₁ на змінювані параметри зовнішнього середовища X. Цей процес у кібернетиці називають коректуванням входу X.

Важливими питаннями, які в основному і визначають принцип побудови системи управління, е:

1) можливості блоку управління, зв’язані з коректуванням величини входу;

2) принципи побудови процесу коректування. На перше питання відповідає закон необхідного розмаїття. Припустимо, що є якійсь об’єкт А, стан якого визначається ступенем впливу іншого об’єкта С. Для того щоб об’єкт А перебував у якихось певних станах, необхідно між А та С поставити третій об’єкт – R, який би перекривав шлях тим впливам з боку С на А, які переводять А у небажаний стан. Об’єкт R буде регулятором. Очевидно, що він повинен реагувати на небажані для А впливи з боку С та усувати їх. Інакше кажучи, необхідно, щоб розмаїття регулятора залежало від розмаїття поведінки С.

Закон необхідного розмаїття стверджує, що розмаїття безлічі виходів, якщо воно мінімальне, може бути зменшене лише за рахунок відповідного збільшення розмаїття, яким володіє регулятор. Органи управління складними об’єктами повинні бути також складними; успішно впоратися з завданням управління може

тільки такий управляючий устрій, який сам володіє достатнім розмаїттям. Практично це означає, що неможливо створити прості системи управління складними об’єктами.

Процес регулювання. На запитання про те, як побудувати процес коректування (процес регулювання), дає відповідь принцип зворотного зв’язку.

Розглянемо об’єкт А, стани входу та виходу якого будемо позначати відповідно Х та Y. Природно, що Х та Y зв’язані між собою, тобто Y= Ф(Х), де Ф – означає залежність станів виходу від станів входу.

Процес управління без зворотного зв’язку буде виглядати таким чином (рис. 10.2).

Рис.10.2. Схема процесу управління без зворотного зв’язку (розімкнена)

Згідно з критерієм вибору блок визначення цілей управляючої підсистеми визначає бажаний стан виходу об’єкта управління, який ми позначимо Y₀. Виходячи із величини Y₀, блок регулювання визначає величину стану входу Х₀. При цьому істотним є значення зв’язку Ф між входом і виходом. У подальшому регулятор здійснює контроль за тим, щоб величина входу не відхилялася від заданої.

Це управління називається розімкненим, або управлінням без зворотного зв’язку, тому що регулятор не замкнений на вихід об’єкта управління, або, іншими словами, управлінське рішення визначається без урахування стану виходу.

Такий принцип управління потребує знання перетворень Ф у явній формі, що часто є завданням, яке неможливо розв’язати. Істотним недоліком розімкненого управління є і те, що регулятор

не здатний реагувати на перешкоди та зміни, які виникають у процесі перетворення входу Х₀ у вихід Y₀. Принцип управління без зворотного зв’язку можна здійснити, наприклад, у відносно простих детермінованих системах, коли з абсолютною достовірністю відомі всі наслідки будь-яких рішень.

Регулюючий вплив виробляється блоком регулювання, виходячи із величини відхилення дійсного стану виходу Y від заданого Y ₀. Схема регулювання на основі зворотного зв’язку наводиться на рис. 10.3.

Рис. 10.3. Схема управління (регулювання) на основі зворотного зв’язку

Наявність зворотного зв’язку в ланцюгу регулювання дає можливість регулятору усувати навіть ті впливи, природа яких незнайома або які важко передбачити заздалегідь. Крім того, знання самого процесу перетворення входу об’єкта управління у вихід стає ні до чого. Використання регулятора із зворотним зв’язком практично виключає можливість того, що перемінні виходу опиняться за певними межами. Це пояснюється тим, що регулятор із зворотним зв’язком реагує як на зміну стану входу об’єкта управління, так і на зміну внутрішньої структури цього об’єкта, на появу зовнішніх факторів, що впливають на процес функціонування об’єкта і виводять його вихід із потрібного стану. Регулятор із зворотним зв’язком реагує на будь-яке відхилення від норми стану виходу об’єкта управління незалежно від того,

якими причинами було викликане не відхилення, тобто віц гарантує компенсацію збудників не тільки певного виду, але й будь-яких збудників взагалі. Таким чином, керувати складними об’єктами можна лише при наявності зворотного зв’язку в ланцюгу регулювання. Зворотний зв’язок можна виявити при вивченні процесів, що відбуваються в живих організмах, технічних пристроях, економічних системах і т. п.

Процес управління та інформація. З точки зору кібернетики процес управління є процесом сприйняття, перетворення та передавання інформації. Центральним моментом цього процесу є акт прийняття рішення, внаслідок чого вхідна інформація перетворюється і доходить до виконавців у вигляді управляючої інформації – інструкцій, планів, нормативів і т. д. Інформаційна природа управління показана на рис. 10.3 (вихідні від регулятора команди та сигнали зворотного зв’язку, що надходять до нього, – інформація). Інформація – це продукт органів управління і основний "ресурс" для них.

На наш погляд, термін "ресурс" можна вживати тому, що інформація дійсно володіє всіма властивостями ресурсу, – її можна збирати та переробляти, зберігати, купляти і продавати, вести мову про ефективність її використання і т.д. Правда, на відміну, наприклад, від природних ресурсів, запаси яких постійно зменшуються, потоки інформації зростають, причому це зростання не пропорційне зростанню виробництва, а здійснюється у більш значній мірі.

У системі управління всі її органи і працівники поєднані між собою потоками інформації, що створюють єдину комунікаційну мережу, а кожен орган управління являє собою вузол комунікаційної’ мережі, в якій перехрещується безліч потоків інформації, що надходить від різних джерел і спрямовується за різними адресами. Саме тому системи управління часто називають інформаційними.

Для подальшої характеристики процесу управління необхідно уточнити само поняття інформації. Найчастіше інформацію визначають як повідомлення, зведення, дані. Однак управління цікавлять не дані взагалі, а лише той корисний зміст, який можна із них вибрати, що є вельми складним завданням.

Теорія інформації трактує інформацію як зменшення невизначеності відносно очікуваних подій. Якщо імовірність тих чи інших подій велика, то повідомлення про те, що вони здійснилися, містить мало інформації, і, навпаки, багато інформації міститься в повідомленні про подію, яка вважалась малоймовірною. Теорія інформації відіграє велику роль у розв’язанні технічних проблем, пов’язаних з кодуванням та передаванням інформації по каналах зв’язку. Головні проблеми – визначення та збільшення пропускної спроможності каналу зв’язку.

Однак висновки теорії інформації в змістовному плані доволі обмежені, оскільки вона вивчає повідомлення з абстрактного

погляду, поза зв’язку з його конкретним змістом, а також з відправником та здобувачем. Наприклад, повідомлення іноземною мовою може містити багато цінної інформації, але бути абсолютно не зрозумілим для здобувача, який не володіє цією мовою, а отже, не може оцінити викладеної нею інформації. У даному разі повідомлення містить так званий семантичний шум, вельми важливий з точки зору управління, але який не є предметом вивчення теорії інформації. В процесах переробки та передачі інформації теорія інформації дозволяє враховувати лише фізичний шум (фізичні перешкоди). Припустимо, що інформація здобута і зрозуміла, однак здобувач може не сприйняти її як інформацію, тому що не вважає її необхідною для виконання завдань, що поставлені перед ним, і може дати їй суб’єктивно неправильну оцінку. Тоді виникає так званий прагматичний шум, який повязаний з оцінкою даних щодо їх корисності і відбором тих з них, що мають особливе значення для завдань управління.

Таким чином, під інформацією слід розуміти нові зведення, що сприйняті, зрозумілі та оцінені як корисні для вирішення тих чи інших завдань. Щоб із даних була здобута інформація, вони повинні пройти як би тришаровий фільтр: 1) фізичний канал із завданою пропускною спроможністю; 2) семантичний канал, в якому досягається розуміння; 3) прагматичний канал, де оцінюється її корисність.

Одне з основних завдань вивчення інформаційних систем управління і самого процесу управління полягає в знаходженні джерел різного роду шумів, дослідженні їхньої природи та розробці заходів щодо усунення їх.

Інформація та організація процесів управління. В міру розвитку суспільства обсяг інформації в ньому зростає з багатьох причин. Зростають одночасно і складнощі щодо переробки цієї інформації. Для нормального функціонування системи управління потрібно мінімальний обсяг інформації. Цей обсяг інформації тим більший, чим розвинутіша економіка країни, чим різноманітніші та інтенсивніш! зв’язки між її виробничо-економічними осередками.

Разом з тим не можна не враховувати, що пропускна спроможність елементів системи управління, основним із яких є людина, обмежена. Тому в системі управління працює велика кількість людей, між якими встановлюються певні відносини, що у сукупності створюють структуру управління. Різні структури управління можна охарактеризувати залежно від того, як у них організована переробка інформації, якою є їх пропускна спроможність.

По суті, будь-яка інформаційна характеристика системи управління визначається ступенем централізації структури цієї системи. Теоретично можна уявити повністю централізовану структуру управління, коли вся інформація переробляється в одному органі, а роль решти зводиться або до виконання обов’язкових інструкцій, або до збирання інформації. Однак на практиці

кібернетичні системи, то просто неможливо. Для управління такими складними системами необхідна чітка диференціація функцій та органів управління.

Як уже вказувалося у главі 9, всі існуючі структури управління являють собою комбінацію двох основних типів структур - лінійної та функціональної. Причому, чим складніша керована система, тим відмінніше виражений ієрархічний тип структури управління. На кожному її рівні здійснюється стиснення (агрегування інформації, що передається на вищестоящий рівень); деталізація (дезагрегування) управляючих команд, які спрямовані зверху вниз. Реальний ступінь централізації визначається тим, наскільки стискаються потоки інформації на шляху від нижчого рівня до вищого, і як вони зростають на зворотному шляху: від вищого рівня до нижчого. Ступінь деталізації низхідних потоків інформації вказує на ступінь централізації рішень, що приймаються- Ступінь стиснення вихідних потоків інформації характеризує централізацію обробки даних, необхідних для прийняття рішення. Потоки інформації набагато краще характеризують рівень централізації управління, чим, наприклад, число рівнів у ієрархічній структурі, оскільки працівники органів проміжних рівнів управління іноді можуть відхилятися від відповідальності за прийняття рішень, перетворюючись тією чи іншою мірою в передавальну ланку і перевантажуючи інформацією вищестоящі рівні.

Отже, організація процесу управління, заснована на використанні ієрархічних структур, дає можливість регуляризувати потоки інформації та істотно полегшувати процес її переробки. Однак необхідно ясно усвідомлювати, що будь-яка, сама раціональна структура управління не здатна справитися із зростаючими обсягами інформації, якщо не забезпечити автоматизацію її переробки, тобто не побудувати відповідної автоматизованої системи управління, що використовує самі сучасні технічні засоби.

Далі необхідно вказати на інформаційні проблеми, пов’язані з процесом прийняття рішення, яке є, про що вже йшлося, складовою частиною процесу управління. Очевидно, що основне завдання вивчення інформаційних потоків пов’язане саме з процесом прийняття рішення. Рішення, як правило, доводиться вибирати із безлічі альтернативних варіантів. Усі варіанти рішення розробляються на основі однієї і тієї ж інформації, розрахунок кожного з них потребує значних витрат часу, а це часто-густо несумісне зі строками реалізації того чи іншого рішення. Тому раціональна організація процесу управління потребує розробки спеціальних методів, необхідних для розв’язання цих проблем";

Вивчення потоків інформації, проектування структур управління і автоматизація управління, що використовують методи

¹² Мова йде про методи дослідження операцій.

дослідження операцій, є основою раціонального процесу управління у складній людино-машинніи кібернетичній системі, якою є, зокрема, виробництво.

Людино-машинні системи. Кібернетичний характер процесу управління найбільшою мірою виявляється в так званих людино-машинних системах. Під людино-машинною системою слід розуміти систему, в якій машині відводиться роль асистента, помічника людини. Дійсно, в сучасну епоху і телефон, і реактивний пасажирський лайнер цілком можуть бути зв’язані з тими чи іншими функціями управління і подають йому неоціненну допомогу. Однак, коли кажуть про людино-машинні системи, то мають на увазі машини іншого роду, ті, що допомагають людині виконувати його логічні функції – аналіз інформації, прийняття рішення і т. п. Це ЕОМ ~ машини, які володіють колосальною пам’яттю та швидкодією. В цьому розумінні сучасні АСУ є лю-дино-машинними системами.

Для того щоб машина виконувала покладені на неї в процесі управління функції, їй необхідний алгоритм роботи, отже, сам процес управління має бути алгоритмізований (формалізований). Однак, як вже зазначалося вище, процеси, що здійснюються в кібернетичних системах, не можуть бути повністю описані, тобто формалізовані. Саме тому кібернетична система управління є людино-машинною, де людина відіграє вирішальну роль, постійно контролюючи вихідні передумови та логіку (алгоритм)’рішення, уточнюючи вимоги до вихідної інформації та вихідних даних і т. ін.

Тут ми розглядаємо лише кібернетичний аспект ролі людини в людино-машинних системах, якщо ж порушити питання управління як про комплексне явище, то тезис, що людина – головна фігура в управлінні, на докази не потребує.

На рис. 10.4 дана схема процесу управління в кібернетичній людино-машинніи системі управління, наочно представлена роль керівника, значення груп по інформаційних системах та груп програмування (використання ЕОМ), а також роль техніки в управлінні. Стрілки на рис. 10.4 означають інформаційні потоки. Відсутність підпису під потоком означає його широкий характер.

Комбінація, комплекс елементів людино-машинної системи означає набагато більше, ніж проста сума їх використання в системі управління.

У процесі управління, відображеному на схемі, використовується найбільш сучасна технологія управління, що забезпечує максимальний ступінь регулювання в системі. Цей процес (як і сама система) адаптивний і такий, що самовдосконалюється (самонавчається). Більшість кількості контурів зворотного зв’язку дає змогу реагувати на зміни навколишнього середовища (адаптація), а також виявити і виправити можливі власні помилки (самонавчання).

Рис. 10.4. Умовна схема процесу управління в кібернетичній людино-машинній системі

Характеристика процесів управління тільки з кібернетико-інформаційної точки зору обмежує можливості її використання для вдосконалення реального процесу управління. В той же час знання загальних моментів та законів – необхідна ланка у пізнанні явища, а отже, необхідна ланка в управлінні ним. Тому кібернетико-інформаційні закономірності обов’язково повинні враховуватися і при організації процесів управління в будь-якій сфері, в тому числі, безсумнівно, і у сфері діяльності органів внутрішніх справ.