Функциональный анализ систем

Исследование систем управления

СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ СООТВЕТСТВИЕ

Структурно-функциональный анализ устанавливает соответствие между составом и структурой системы управления, с одной стороны, и реализуемыми ей функциями, с другой стороны. Такое соответствие должно быть обеспечено:

• на уровне организации в целом: между ее строением и всей совокупностью, выполняемых ею функций;
• на уровне отдельных подсистем и блоков: между их возможностями и внутренним строением и комплексом реализуемых ими функций;
• на уровне подразделений организации: между их потенциалом и закрепленными за ними функциями;
• на уровне отдельных должностных лиц: между их статусом, полномочиями, квалификацией и характеристиками функций, выполняемых ими в соответствии с должностными обязанностями.

На всех уровнях системы управления должно обеспечиваться соответствие между структурой и функциями:

• по профилю специализации;
• по объему выполняемых работ;
• по сложности осуществляемой деятельности.

Базовый принцип структурно-функционального анализа – приоритет функции над структурой [31, с.175-181]. Функция обеспечивает реализацию целей организации. Структура создает возможности выполнения функции.

1. Необходимо соответствие типа структуры и ее конфигурации комплексу реализуемых организацией функций. Если функции организации сложны и многообразны, то и конфигурация структуры должна быть более сложной, сочетающей в себе несколько базовых типов и имеющей развитое среднее звено. Если функции отличаются высокой динамичностью, то и структура должна отличаться гибкостью и иметь хотя бы отдельные блоки, работающие по дискретной схеме. Если существует явный приоритет линейного руководства, то целесообразна линейная или линейно-штабная структура, если приоритет функций конструкторского, технологического, экономического обеспечения деятельности, то функциональная или матричная структуры.
2. Реализуемые организацией функции должны быть обеспечены существующим компонентным составом и совокупностью межкомпонентных связей. Для каждой функции необходимо наличие одного или нескольких структурных компонентов, имеющих объективные возможности ее реализации. Если на предприятии имеется функция нормирования труда, то какое-то структурное подразделение должно обладать возможностями для ее реализации: самостоятельное бюро нормирования или отдел труда и заработной платы. В целом вся совокупность компонентов: блоков и структурных звеньев разных уровней, должна обладать объективной возможностью обеспечивать реализацию всей совокупности функций организации. Взаимосвязь функций и подфункций организации должна обеспечиваться взаимосвязью соответствующих структурных компонентов. Так, если существует тесная взаимосвязь функции текущего планирования производства и функции маркетинговых исследований, то должны быть и соответствующие межкомпонентные связи между плановым отделом и отделом маркетинга. При этом важно, чтобы тип межкомпонентных связей позволял обеспечивать рациональную взаимосвязь соответствующих функций, например вариабельность связей «отдел маркетинга – плановый отдел» и инвариантность связей «цехи – отдел техники безопасности».
3. Структура может включать в себя только те компоненты и межкомпонентные связи, которые прямо или косвенно обеспечивают реализацию тех или иных целесообразных функций организации. Подразделения и связи, не осуществляющие реального обеспечения конкретной функции, не должны включаться в структуру организации. Это относится к подразделениям, осуществляющим нецелесообразные (для организации) функции, дублирующим деятельность других подразделений, а также выполняющим функции без необходимого полезного эффекта.
4. Необходима рациональная закрепленность конкретных компонентов структуры за определенными функциями. Она должна устанавливаться исходя из возможности структурных подразделений обеспечивать выполнение соответствующих функций. Важнейшими являются качественные характеристики такой возможности: соответствие функциональному профилю и способность выполнения деятельности определенного уровня сложности. Например, наилучшее исследование рынка может быть проведено отделом маркетинга, качественное стратегическое планирование – отделом стратегических исследований.
5. Согласование функций (подфункций) требует обеспечения какими-то определенными рациональными межкомпонентными связями. Например, согласование технологической и организационной функций на уровне производственного участка наилучшим образом обеспечивается через систему связей, центральным звеном которой является мастер: начальник цеха – мастер, технолог – мастер, мастер – рабочие.

Исходной основой структурно-функционального анализа являются результаты, полученные в ходе компонентного, структурного и функционального анализа:

• компонентный состав системы управления;
• состав и характеристика основных связей и соединений;
• конфигурация структуры;
• схема строения организации;
• состав функций (подфункций);
• характеристика содержания функций;
• оценка уровня реализации функций.

ОЦЕНКА РАЦИОНАЛЬНОСТИ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ФУНКЦИЙ УПРАВЛЕНИЯ ЗА КОНКРЕТНЫМИ СТРУКТУРНЫМИ КОМПОНЕНТАМИ

Первоначально устанавливается закрепленность функций (подфункций) управления за конкретными подсистемами, структурными блоками, подразделениями и должностными лицами. Рассмотрим это действие на конкретном примере.

Функции системы управления организацией

1. Реализация продукции.
2. Изучение рынка.
3. Обеспечение поставок ресурсов.
4. Осуществление налоговых и иных платежей в бюджеты и внебюджетные фонды.
5. Управление движением кадров.
6. Технологическая подготовка производства.
7. Управление обслуживанием оборудования.
8. Административное управление.
9. Планирование деятельности организации.
10. Нормирование материальных ресурсов.
11. Нормирование труда.
12. Бухгалтерский учет.
13. Управление собственностью.
14. Управление финансами.
15. Организация оплаты труда.
16. Стратегическое управление.
17. Информационное обеспечение деятельности организации.

Структура административного управления организацией приведена на рис. 41 Определяется существующая закрепленность функций управления за конкретными подразделениями и должностными лицами. Например, функцию управления собственностью осуществляют генеральный директор, главный экономист, главный бухгалтер и финансовый отдел, а функцию реализации продукции – генеральный директор, коммерческий директор и отдел сбыта.

Устанавливается, какие функции (подфункции) управления не имеют закрепленности за конкретными структурными компонентами.

В нашем примере это функции «стратегическое управление» и «информационное обеспечение деятельности организации». Определяется, за какими подразделениями и должностными лицами следует закрепить данные функции. При необходимости могут быть созданы новые структурные подразделения и введены новые штатные должности, обеспечивающие реализацию данных функций. Функция стратегического управления должна быть закреплена за генеральным директором, его заместителями и главными специалистами. Кроме этого может быть создана специальная группа стратегического управления, которая находится в непосредственном подчинении генерального директора. Для реализации функции информационного обеспечения также может быть создан специальный отдел.

Дается оценка рациональности существующей закрепленности функций (подфункций) за конкретными подразделениями и должностными лицами. Устанавливаются недостатки в закрепленности функций.

Они могут выражаться:

1. В закреплении функции не соответствующей профилю подразделения (работника). Так функцию нормирования материальных ресурсов следует закреплять не за отделом снабжения (как в нашем примере), а за планово-экономическим отделом.
2. В закреплении за одним подразделением нескольких ответственных самостоятельных сложных и трудоемких функций, совмещение которых может снижать эффективность их реализации. Так в крупной организации целесообразно совмещение в одном отделе функций сбыта и маркетинга. Поэтому в нашем примере для выполнения функции маркетинга желательно создать специальный отдел.
3. В перегрузке отдельных должностных лиц, например, генерального директора и главного экономиста.
4. В излишней дробности структуры, когда тесно связанные между собой подфункции закрепляются за разными подразделениями.
5. В слишком малой загрузке отдельных подразделений, выполняющих узкие и малотрудоемкие функции (подфункции).

Метод функционального анализа систем управления

Рассматривая структуру и функцию, предпочтение отдают первичности в изменении функции. Однако наиболее правильно рассматривать диалектическую взаимосвязь и взаимообусловленность их изменений в процессе эволюции (изменение среды требует изменение функции; а она, в свою очередь, влияет на изменение структуры).

Функциональный анализ осуществляется одновременно с исследованием структуры системы управления. 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. Можно сказать, что функциональный анализ направлен на детальное исследование процессов 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.).

Функциональный анализ может включать следующие основные этапы:

1. определение и описание общего процесса управления, реализуемого исследуемой системой;

2. декомпозицию общего процесса управления на ряд частных функций (задач, операций), выполняемых элементами системы управления;

3. определение качественный и количественных характеристик исследуемых процессов и функций управления;

4. формирование критериев и оценку эффективности функционирования системы управления;

5. принятие решения о необходимости совершенствования функциональных характеристик системы управления.

Остановимся кратко на содержании указанных этапов.

Определение и описание общего процесса управления включает:

· формирование или уточнение цели управления;

· формирование управляющих воздействий;

· контроль результатов реализации воздействий.

Основная цель системы управления рассматривается как желаемое (требуемое) множество состояний объекта управления и элементов окружающей среды, на которые активно воздействует объект управления в желаемые моменты времени.

Реализация воздействий включает два основных этапа:

· передачу воздействий объекту управления по имеющимся прямым связям (материальным, энергетическим, информационным);

· отработку воздействий объектом управления, в ходе, которой осуществляется его переход в новое состояние и формирование ответных воздействий (реакций), передаваемых в управляющую систему по обратным связям (информационным).

Контроль результатов реализации воздействий включает:

· получение информации о состоянии объекта после воздействия

· обработку этой информации и сравнение ее с эталонной;

· анализ результатов сравнения и переход к формированию новых управляющих воздействий.

Декомпозиция общего процесса управления включает:

· проведение детализации общей цели управления на ряд частных взаимосвязанных целей и формирование дерева (иерархии) целей;

· определение элементов системы управления, реализующих сформированные цели;

· исключение элементов не имеющих цели функционирования;

· выявление функций управления (основных и обеспечивающих), которые необходимы для эффективной реализации всех фаз (этапов) управления в соответствии с общей и частными целями управления;

· сопоставление выделенных функций элементам (исполнителям, руководителям, органам, техническим устройствам) анализируемой системы и оценка полноты их реализации;

· выявление дублирующих, бесполезных, малоэффективных, надуманных, излишних функций и выработка рекомендаций по совершенствованию системы управления.

В ходе функционального анализа необходимо оцепить качественные и количественные характеристики исследуемых процессов с целью принятия обоснованных решений о степени соответствия системы управления предъявляемым требованиям и необходимости ее дальнейшего совершенствования.

Совокупность количественных и качественных характеристик можно разделить на следующие группы; комплексные характеристики, позволяющие оценивать существенные свойства системы; структурные характеристики, позволяющие оценивать структуру процесса управления, формируемую в ходе его декомпозиции; частные характеристики, определяющие свойства отдельных этапов (фаз), функций, работ и других управленческих действий, рассматриваемых в качестве отдельных элементов процесса управления. Комплексные характеристики процесса управления включают: непрерывность, оперативность, точность, устойчивость, скрытность, эффективность.

Функциональный анализ систем

Задачами функционального анализа являются постановка целей и задач для теоретических исследований, которая решается с использованием методов функционального анализа. Наибольшее распространение получил метод системного анализа функций FAST – (Functional Analisis Sistem Techigue) который был предложен Г. Байтуэем. Существо метода FAST сводится к построению и анализу функций (функциональной модели).

На функциональной модели исследуемая задача представляется в виде логической цепочки функций, которые разделяются на четыре иерархических уровня: высший, главный, основной и низший. Рамки исследуемой задачи (проблемы) ограничиваются двумя вертикальными (в нашем случае горизонтальными) пунктирными (штрих пунктирными) линиями, между которыми располагаются анализируемые функции. Нижняя граничная линия отделяет главную функцию, которая располагается над линией, от функции низшего уровня от основных функций [1].

Функция высшего уровня характеризует цель, на достижение которой направлено действие или для достижения которой предназначена результат действия главной функции анализируемой подсистемы (объекта), являющегося составной частью системы.

Функция низшего уровня является как бы первопричиной существования или появления анализируемой системы (объекта).

Одной из важнейших особенностей построения диаграммы FAST является выявление функций критического пути. Любая функция, формулировка которой умещается в логическую схему, определяемую вопросами: «как?», «почему?», зачем?», и описание которой (ответ на вопрос) не противоречит здравому смыслу, является функцией критического пути. На функции критической дуги располагаются те функции, которые обязательно должны быть осуществлены для реализации главной функции, т.е. основные функции. Различают функции главного критического пути, т.е. основные внутриобъектыне функции, описывающие главную функцию системы «объекта» , и малого критического пути, т.е. вспомогательные функции этой же системы (объект), описывающую какую либо независимую вспомогательную функцию, способствующую реализации одной из основных и проявляемую одновременно с ней. Указанные, независимые вспомогательные функции в другой подсистеме могли бы стать главным и входить в совершенно другую систему [2].

Выбор концепции в процессе анализа принципиально нового (с новым набором основных функций) зависит от характера исследуемой задачи уровня предложенного решения.

С использованием методики FAST разработана общая функциональная модель системы микроГЭС.

Функции низшего уровня расположены на самом верху, над верхней линией. Они явились концепцией для образования системы и от них исходят связи новой структуры. Функции низшего уровня формулируются, как максимально использовать гидравлическую энергию, который характеризуется напором и расходом воды.

Функций высшего уровня два: энергоснабжение малоэнергоемких потребителей и автономность источников энергии. Основные функции расположены на линиях главного критического пути.

В подсистеме гидротурбины первой функции является использовать энергию воды (ЭВ). Второй, энергию воды преобразовать в механическую энергию и передать генератору. Процесс осуществляется в три отличающихся по физической природе этапа. На первом, этапе энергия представляет собой кинетической или потенциальной поток т.е. энергии водотока. Во втором, водная энергия утилизируется и преобразовывается в механическую энергию вращения гидротурбин. В третьем механическая энергия вращения гидротурбин передается генератору.

Преобразование поглощенной кинетической или потенциальной энергии воды в электрическую энергию осуществляется микроГЭСом в три этапа:

Первый –подвод воды напорным трубопроводом, где энергия водотока подготавливается для гидротурбин для создания соответствующего напора;

Второй – созданием циркуляции потока перед входом на рабочее колесо, где выполняется следующие функции закручивание потока, регулирование расхода и остановка турбины;

Третий – преобразование энергии потока в механическую энергию турбины или рабочего колеса. При вращении турбин получаем полезный крутящий момент, который через вал передается генератору.

Эффективность работы микро-гидростанций зависит от оптимальной и согласованной работы турбины, электрогенератора и системы управления.

Устойчивая работа системы турбина – генератор возможна при положительном значении суммарного коэффициента устойчивости, которые нужно обеспечить при поддержании постоянства напряжения у потребителя. Момент генератора зависит мощности и угловой скорости генератора.

Анализ электрической части известных конструкций микрогидроэлектростанций показал, что в микроГЭС широкое применение нашли синхронные и асинхронные генераторы. Разработка автоматизированных микро-гидроэлектростанций (микро-ГЭС) требует проведения глубоких исследований. Изменение энергии водного потока и колебания нагрузки усложняют задачу обеспечения постоянства напряжения и частоты тока. Сложность и дороговизна управления водным потоком поступающего на гидродвигатель, вызвала тенденцию к упрощению гидротехнической части станции, что сопровождается повышением требований к электрической части.

Переходные процессы, вызванные нестабильностью энергии поступающей на гидродвигатель, протекают динамичнее, что также повышает требования к электрической части установок.

С использованием функциональных моделей разработаны информационные модели для теоретического анализа подсистем. При этом элементы информационной модели наделены функциями определенными.

Общие формализованные модели системы микроГЭС

Формализованная модель устанавливает обобщенные параметрические взаимосвязи между элементами по схеме «вход – процесс– выход». В качестве входных принимаются внешние управляемые воздействия, а выходными, ожидаемые показатели элементов [3].

С учетом выше изложенного систему микроГЭС можно представить виде структурной схемы «водный поток–напорный трубопровод–гидротурбина–генератора–аккумулятор»

Такой подход позволяет соблюсти принцип системности, поскольку объект представляется в виде системы, преобразующей входные переменные в выходные, а анализ, синтез и оптимизация параметров осуществляется на основе исследования закономерностей процессов между входными и выходными параметрами.

Как известно, в общем случае модель сложного процесса представляется в виде многомерной системы, на входе подсистем которых действуют векторные функции:

А выходные переменные образуют векторные функции

Математическая модель системы является тем абстрактным формально описанным объектом, изучение которого возможно математическими методами, в том числе с помощью математической модели. Сложность и многообразие процессов функционирования не позволяет строить для них абсолютно адекватные математические модели. Математическая модель, описывающая формализованный процесс функционирования системы, в состоянии охватить только основные, характерные его закономерности, оставляя в стороне несущественные второстепенные факторы. Формализация любого реального процесса предшествует изучение структуры составляющих его элементов и явлений, целью которого, в конечном итоге, является синтез оптимальной структуры.

Такое представление модели функционирования системы дает возможность получить их математические описание. Математическое моделирование заключается в определении агрегата или установки (А) т.е. в установлении вида и характера преобразования входных векторных функций (F) и (U) в выходные (Y).

Для любой пары векторных функций Fn(τ) Yn(τ) в интервале наблюдения τ0 0 режим избытка вырабатываемой мощности;

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМЫ.

Этот этап обычно начинается рассмотрением организационного контекста исследуемой! системы. Здесь формулируются конечные цели системы, а также критерии и ограничения, связанные с достижением намеченных целей. После этого формулируются целевые системные функции, необходимые для достижения требуемых результатов^

Системная функция представляет собой совокупность действий по обеспечению управления переменной, влияющей на тот или иной конечный результат.

Иногда перед определением целевых системных функций необходимо определить возможные режимы работы, или основные состояния системы, так как они опираются на различные функции или способы их осуществления.

Примерами целевых системных функций могут служить определение цели и слежение за ней, управление транспортным средством, контроль реакций, регулирование теплообмена, материально-техническое снабжение. Сложные функции могут быть расчленены на подфункции.

Следующим шагом является изучение состава оборудования в системе. Для выполнения каждой функции проектируется одна или несколько различных подсистем — электрических, электронных, механических. Иногда подсистема может выполнять более одной функции, но в любом случае из проекта должно быть ясно, какие подсистемы и компоненты выполняют те или иные системные функции.

Функциональный анализ завершается общим описанием выполнения функций, определяющим роли и оператора, и оборудования. В результате анализа должны быть сформулированы критерии выполнения данной функции.

Анализ последовательности операций. Этот анализ должен включать описание технологического процесса и взаимосвязи функций оператора и работы оборудования во времени. В ‘анализе военных систем этот процесс называется «анализ боевого задания».

Поскольку военная система может иметь более чем одно- боевое задание, каждое из них необходимо анализировать отдельно. Аналогично, и промышленная система обычно имеет несколько режимов работы или различных состояний, в которых реализуются системные функции. Они тоже должны анализироваться отдельно.

Предварительный анализ системных функций обеспечивает основу для определения последовательности операций таким образом, чтобы гарантировать выполнение всех функциональных требований.

Этапы анализа последовательности операций следующие:

1. Разработка профиля последовательности операций. Эта описание последовательности важнейших событий или действий.

2. Составление словесного описания последовательности. Это описание включает начальные и конечные условия, основные события или стадии процесса, функции, связанные с событиями или стадиями, основные действия человека и оборудования. На рис. 4.4 показан пример графика боевого задания -самолета, а в табл. 4.9 — описание последовательности операции при аварийной ситуации на атомной электростанции.

3. Построение функциональных схем. Эти блок-схемы описывают взаимодействие между функциями, требованиями к исполнению и их последовательностью. Они расширяют детализацию до уровня, подходящего для распределения или идентификации аховеденческих функций и формулирования заданий.

4. Профиль боевого задания самолета.

/ — вылет с базы и перелет в тактическую зону; 2 — снизиться и установить 15 маяков локационной защиты; 3 — проконтролировать помехи и провести первичное обнаружение; 4 — снизиться и ввести в действие систему целеуказания; 5 — выйти из контакта, набрать высоту, занять огневую позицию; 6 — провести перенацеливание; 7 — следить за целью, определить ее эволюции, оповестить центр управления; 8 — снизиться и ввести в действие систему наведения на цель; 9 — получить боевое сообщение центра управления; 10 — включить систему самонаведения и провести атаку; 11 — атаковать повторно; 12 — оценить нанесенные повреждения; 13 — возвращение на базу.

дает образец функциональной схемы, построенной на основании анализа боевого задания самолета.

Построение дерева решений. Деревья решений могут быть разработаны вместо или в добавление к функциональным блок- схемам. Они могут достигать разного уровня детализации. Как и функциональные схемы, на начальных стадиях они могут не различать, что выполняется человеком, а что — оборудованием или программным обеспечением. Пример дерева решений оператора в аварийной ситуации на атомной электростанции приведен на рис. 4.6.

Завершающим шагом в описании последовательности операций является построение сетевых графиков операций. Такой сетевой график представляет собой детальную схему действий

Таблица 4.9. Описание последовательности операций при аварийной ситуации на АЭС

Название станции: Функция/подфункция оператора:

Контроль н управление работой энергоустановки. Воссстановленне безопасности.

Тип: С — Е, PWR Последовательность операций:

Единичный блок ID : Ситуация: Разгерметизация конденсатора.

Начальные условия: Установка работает на режиме полной мощности. Включены четыре циркуляционных насоса питательной воды. Работают три из четырех вакуумных насосов. Контур бора функционирует нормально. Режим ручного управления.

Начало происшествия: Отключается одни водяной насос, в результате чего ухудшается разрежение в конденсаторе.

Ожидаемая последовательность действий: Сигнализатор тревоги предупреждает дежурную смену об аварии. Операторы удостоверяются в отключение насоса н приступают к выяснению причин. Разрежение начинает падать; включается дополнительный вакуумный насос и начинает препятствовать, ухудшению вакуума. Операторы приостанавливают растворение бора н понижают мощность энергоустановки для восстановления вакуума. Причина прекращения работы циркуляционного насоса—ошибочное переключение реле. Реле срабатывает, насос включается н работает нормально. Дежурная смена операторов выводит энергоустановку на режим полной мощности и обычный порядок работы.

Конечные условия: АЭС работает на полной мощности. Действуют четыре- водяных и трн из четырех вакуумных насосов.

Основные системы: мощность 4,16 кВт, система циркуляции воды, конденсатор системы вакуумирования, система охлаждения реактора, система пода- чн питательной воды, система управления реактором.

оператора, оборудования и программного обеспечения, в которой каждая операция согласована с другими во времени. Для обозначения действий используются символы типа представленных на рис. 4.1. Сетевые графики операций служат инструментом учета человеческих факторов в данном проекте. Для идентификации описания заданий они не обязательны.