Факторы, определяющие эффективность операций в технике

Эффективность технических систем (ТС) определяется множеством различ­ных по своей природе факторов. Под фактором понимают движущую силу какого-либо процесса (явления) или условие, которое влияет на тот или иной процесс (явление).

При исследовании эффективности технических систем, как правило, вы­деляют три группы факторов: качество ТС, условия функционирования ТС, способы использования (применения) ТС.

Для достижения определенной единственной цели создают систему. Рассматривают операцию, в которой анализируемая система является активным средством достижения поставленной цели. Определяют потен­циальную эффективность операции при идеальном способе использования технической системы. Эту потенциаль­ную эффективность и принимают за характеристику качества технической системы. Очевидно, показатель эффек­тивности введенной операции является показателем качества технической системы. Таким образом, положитель­ными (полезными) свойствами техни­ческой системы являются свойства, способствующие достижению задан­ной цели.

В практике оценивания качества технических систем не всегда исполь­зуют в полном объеме подход, основан­ный на определении потенциальной эффективности операции. В зависи­мости от сложности системы, цели исследования признают целесообраз­ным введение нескольких уровней ка­чества. Эмпирически установлены уровни качества, получившие назва­ния: устойчивость, помехоустойчи­вость, управляемость, способность, самоорганизация.

Первичным качеством любой си­стемы является ее устойчивость (R – качество). Системы, не облада­ющие этим качеством, не могут суще­ствовать. Для простых систем устой­чивость объединяет такие их свойства, как прочность, стойкость к воздей­ствию внешних факторов, сбалансированность, стабильность, гомеостазис (способность системы возвращаться в равновесное состояние при выводе из него внешними воздействиями). Для сложных систем характерны различные формы структурной устойчивости такие, как надежность, живучесть и т. д.

Другим качеством систем, более сложным, чем устойчивость, является помехоустойчивость (I – качество), понимаемая как способность системы без искажений воспринимать и пере­давать по каналам сообщений инфор­мационные потоки. Помехоустойчи­вость, другими словами, есть способ­ность системы противодействовать помехам. Помехоустойчивость объединяет ряд свойств, присущих в основ­ном системам управления. К таким свойствам относятся надежность си­стем связи и систем переработки информации, их пропускная способ­ность, возможность эффективного кодирования и декодирования ин­формации, электромагнитная совме­стимость радиоэлектронных средств и т. д.

Следующим качеством системы является управляемость (С – каче­ство). Под управляемостью понимают способность системы переходить за конечное (заданное) время из одного состояния в другое (требуемое) под влиянием управляющих воздействий. В общем смысле управляемость есть способность системы выполнять команды управления, оперативно реагировать на них. Очевидно, управ­лять можно лишь помехоустойчивой системой. Если управляющие сиг­налы искажаются в недопустимых пре­делах при их передаче к объектам управления, то управление лишается смысла.

Управляемость обеспечивается, пре­жде всего, наличием прямой и обратной связей, которые служат для передачи управляемой системе команд (сигна­лов) управления, получения от нее сообщений о рассогласовании реаль­ного (фактического) и требуемого со­стояний управляемого объекта и ис­полнении команд управления. Управ­ляемость объединяет такие свойства системы, как гибкость управления, его оперативность, точность, быстро­действие, инерционность и др. Для сложных систем управляемость вклю­чает и способность выработки решений, на основе которых формируются упра­вляющие воздействия.

В ряду усложнения качеств следу­ющее место после управляемости за­нимает способность системы (А – качество). Речь идет о качестве си­стемы, которое определяет ее возмож­ности решать те или иные задачи, достигать тех или иных результатов в своей деятельности (производить в соответствующие сроки определен­ную продукцию, осуществлять опре­деленный объем транспортных пере­возок и т. д.). Данное качество объеди­няет совокупность свойств системы, определяющих ее функциональное на­значение (производственное, транс­портное, информационное и т. д.). К таким свойствам могут быть от­несены производительность, мощ­ность, обеспеченность различного рода ресурсами и т. д. Л – качество является определяющим при введении понятия эффективности системы (опе­рации). Бессмысленно привлекать в качестве активного средства в опера­ции систему, неспособную достичь цели операции. Операция, очевидно, будет неэффективной. Способность системы является необходимым (но не доста­точным) условием эффективности операции, ее важнейшим фактором. Однако высокая эффективность опера­ции обусловлена не только способ­ностью системы, но и рациональным ее использованием.

Способность системы отражает по­тенциальную возможность решить поставленную задачу, то есть ее потен­циальную эффективность. Последняя, как уже отмечалось, определяется эф­фективностью операции при идеальных способах использования рас­сматриваемой системы.

Наиболее сложным качеством систе­мы является самоорганизация (L – качество). Этим качеством обладают системы большой сложности, способ­ные изменять свою структуру, пара­метры, ориентацию поведения в целях повышения эффективности выполне­ния своих функций. Самоорганизующая система обнаруживает свой­ства, принципиально важными из которых являются: свобода выбора решений, способность к адаптации, самообучению, распознаванию ситу­аций и т. п.

Принцип свободы выбора решений предусматривает выбор не единствен­ного лучшего решения, а нескольких приемлемых решений. В зависимости от складывающейся ситуации при вы­боре решения на определенном шаге остается возможность вернуться к предыдущему шагу и изменить ранее принятое решение так, чтобы остава­лась свобода выбора решения на по­следующих шагах процесса. Этим обеспечивается значительная гиб­кость управления и существенно по­вышается его эффективность.

С целью повышения эффективности операции самоорганизующиеся си­стемы могут переподчинять свои под­системы, перераспределять задачи между ними и ресурсы для решения этих задач.

На рис. 1.2 схематически показаны усложняющиеся качества систем. Перечисленные в порядке усложнения R, I, С, A, L – качества условно изображены в виде системы вложенных прямоугольников. Данное - графиче­ское представление рассматриваемых качеств систем логически означает сле­дующее: система, обладающая данным качеством (например, С — качеством), имеет и все другие более простые каче­ства (I и R — качества), но не имеет качеств более высокого порядка (А и L — качеств).

Рис. 1.2. Усложняющиеся каче­ства систем

Введение уровней качества техни­ческих средств позволяет ограничивать исследования качества одним из пере­численных уровней. Так, качества про­стых систем часто сводятся к устой­чивости этих систем. Например, каче­ство инженерных сооружений таких, как железнодорожный мост, опреде­ляется его устойчивостью. Здесь нет смысла подниматься на более высокие уровни при оценке качества. Очевидно, при анализе качества телевизионного приемника уровень устойчивости, опре­деляемый в этом случае надежностью его работы, недостаточен. Целесооб­разно при оценке качества приемника перейти на уровень I – качества (помехоустойчивость), так как на этом уровне можно определить качество изображения. Однако при оценивании качества, например, стартового кос­мического комплекса необходимо перейти на уровень А – качества и оценить потенциальную эффектив­ность системы как ее способность вы­вести на орбиту искусственный спутник Земли (ИСЗ) с заданными параметрами. В этом случае приходится исследовать операцию, целью которой является вывод на орбиту ИСЗ. Потенциальную эффективность этой операции можно принять как характеристику каче­ства стартового космического ком­плекса.

Уровень качества выбирает исследо­ватель и в зависимости от сложности объекта определяет цели исследования, наличие информации о свойствах объ­екта, его целевом назначении и усло­виях применения.

Следующая важная группа фак­торов, оказывающих существенное влияние на эффективность операции, характеризует способы применения ТС в операции. Эти факторы опре­деляют (задают) порядок и приемы использования ТС для решения по­ставленных задач в операции. Каждой ТС присущи свои, специфические спо­собы применения, которые характери­зуются совокупностью соответству­ющих факторов. К ним относятся: распределение частных задач и вы­деленных ресурсов между элементами системы, пространственно-временная последовательность выполнения от­дельных видов работ (действий), спо­собы управления и планирования, спо­собы связи и взаимодействия между элементами системы, режимы и регу­лярность использования и т. д.

Рис. 1.3. Схема факторов, опреде­ляющих эффективность техниче­ских систем

К факторам, формирующим условия функционирования систем, относятся природные факторы (природно-климатические условия, географическое ме­стоположение и т. д.), факторы, явля­ющиеся следствием активных действий конкурентов или партнеров (напри­мер, возможность, характер, способы целенаправленного противодействия), а также факторы, характеризующие наличие и виды различного рода огра­ничений (экономических, социально-экологических и др.). Схема факторов, определяющих эффективность технических систем, приведена на рис. 1.3.

Среди факторов, которые учитываются при исследовании эффектив­ности, большая доля факторов не контролируется ЛПР, например объективные законы природы и обще­ственного развития, которые необ­ходимо учитывать в любом случае, а при их познании – использовать для достижения поставленных целей и учитывать возможное негативное влияние. Неконтролируемыми яв­ляются и другие факторы; например, погодные условия, действия конку­рентов относят к условиям функци­онирования (использования) ТС. Все эти факторы принято называть неуправляемыми.

К управляемым факторам относят такие, на которые ЛПР может влиять по своему усмотрению, то есть которыми он может оперировать в процессе планирования и проведения операции. К ним относят, например, факторы, характеризующие способы примене­ния ТС.

Стратегии U формируются из мно­жества управляемых факторов. Однако в моделях операций в зависимости от характера задачи исследования эф­фективности множество стратегий U может быть сформировано из факторов, характеризующих не только способы применения, но и условия применения и качества ТС. Так, например, если необходимо выбрать лучший проект системы для определенных условий и способов ее применения, то тогда в качестве стратегии U выступают совокупности характеристик того или иного проекта. Или другой при­мер. В исследовательских задачах ча­сто ставится задача выбора (создания) такого комплекса условий проведения операции (функционирования ТС), при котором эффективность операции (ТС) наибольшая. Очевидно, что в этом случае множество стратегий U фор­мируется из множества факторов, ха­рактеризующих условия проведения операции (функционирования ТС).

По отношению к исследуемой си­стеме факторы могут быть внешними и внутренними. Внешние факторы от­ражают влияние внешней среды, спо­собствуя успешному проведению опе­рации (полезные факторы) или про­тиводействуя успеху операции (вредные факторы). Внутренние факторы отражают взаимовлияние движущих сил внутри системы на ход и исход операции.

При исследовании систем факторы отображают в виде переменных (число­вых и нечисловых). Классификация факторов приведена на рис. 1.4. С точки зрения информированности исследова­теля об этих переменных факторы делят на определенные и неопре­деленные . К определенным относят переменные, значения которых изве­стны исследователю с требуемой точ­ностью. Это различного рода заданные параметры, известные (регулярные) функции определенных аргументов и т. п. К определенным факторам также относят контролируемые входные воздействия, в том числе и управля­емые переменные.

К неопределенным относят перемен­ные, о значениях которых в реальном процессе исследователь осведомлен не полностью. Природа неопределен­ности этих переменных (факторов) мо­жет быть различной. Обычно неопре­деленные переменные делят на две группы: случайные переменные и неопределенные переменные нестохастической природы .

Если распределение случайной переменной (например, в виде функции распределения) известно, то в этом случае говорят, что переменная стати­стически определена. Случайные переменные с неизвестными распреде­лениями делят на два вида: с изве­стными параметрами (характеристи­ками) распределения и с неизвестными параметрами. При исследовании систем со случайными факторами ши­роко используются вероятностно-статистические методы. Например, методами параметрического статисти­ческого оценивания можно опре­делить параметры распределения случайных переменных на основе ста­тистических испытаний (если таковые возможны). Непараметрическое оце­нивание позволяет установить рас­пределения случайных переменных.

Неопределенные факторы нестохастической природы можно условно разделить на две группы: с известными функциями принадлежности (диапазонами изменения переменных), с неизвестными функциями принад­лежности.

Рис. 1.4. Классификации факторов

Функция принадлежности задает некоторое подмножество (подобласть) общей допустимой области изменения фактора, определяемой, например, физической природой соответству­ющего фактора. Очевидно, под­область, определяемая функцией принадлежности, в некотором смысле отражает степень неопределенности фактора. Разумеется, чем меньше подобласть, определяемая функцией принадлежности, тем меньше степень неопределенности фактора. В пре­деле функция принадлежности, вы­деляющая всего одно значение фак­тора, переводит его в разряд опре­деленных факторов.

Наибольшей степенью неопределен­ности обладают факторы с неизве­стными функциями принадлежности. Обычно к ним применяют процедуру экспертного оценивания диапазонов изменений их значений.

Часто для описания факторов нестохастической природы используется аппарат теории нечетких множеств в смысле Л.А. Заде. Нечеткое подмножество некоторого универ­сального множества харак­теризуется функцией принадлежности , значение которой есть степень принадлежности элемента подмно­жеству . При этом может принимать любое значение в числовом интервале [0; 1], то есть .

Подмножество в обычном («четком») смысле характеризуется функцией принадлежности, принимающей лишь два значения:

.

Таким образом, понятие функции принадлежности нечеткого множества есть довольно широкое обобщение функции принадлежности обычного множества.

В нашем случае универсальное мно­жество D есть общая область значений фактора. выделяет нечеткое подмножество его реальных значений в исследуемых явлениях. Обычно функцию принадлежности вводят в виде так называемой лингвистической переменной, то есть переменной, значения которой определяются предложением на естественном языке. Например, ка­тегория «сложность» применительно к системе является лингвистической переменной, а ее значения выражаются словами: не сложная, не очень слож­ная, сложная, довольно сложная, очень сложная. В некотором классе систем указанная лингвистическая перемен­ная задает нечеткое множество, например, сложных систем. На рис. 1.5 показана функция принадлежности для значения лингвистической переменной «сложная система», за­дающая нечеткое подмножество слож­ных систем на множестве систем с раз­личным числом связей между эле­ментами.

В практике для построения функции принадлежности нередко прибегают к экспертному опросу с целью вы­явления доли экспертов, которые при фиксированном отнесли систему к классу сложных. Эта доля экспертов и принимается в качестве значения функции принадлежности .

Например, если четыре эксперта из десяти систему, имеющую 20 связей, отнесли к классу сложных, то .

Нередко для описания неопределен­ных факторов нестохастической при­роды используют субъективные ве­роятности. В этом случае при анализе систем применяется теория вероят­ностей. Однако при введении субъек­тивных вероятностей закон больших чисел может перестать действовать. Субъективные вероятности вводят обычно с помощью экспертного оце­нивания.

Некоторые неопределенности нестохастической природы иногда удается перевести в разряд случайных факторов с помощью рандомизации (рис. 1.4). Под рандомизацией по­нимают искусственное введение слу­чайности в ситуацию, где она отсут­ствует. Например, при анализе эффек­тивности технических систем поиска объектов исследователю может быть известен лишь район расположения некоторого объекта. Положение объ­екта неслучайно.

Рис. 1.5. Функция принадлежности нечеткого множества сложных систем

Однако исследователь может предположить, что в пределах известного района положение объекта распределено с постоянной плотностью вероятности. Этим он рандомизировал положение объекта, то есть ввел искус­ственно вероятностное распределение. Далее ситуацию с рандомизацией мож­но исследовать методами теории вероят­ностей и математической статис­тики.

Неопределенность нестохастического характера возникает обычно в си­лу следующих обстоятельств:

1) наличия целенаправленного противодействия со стороны конкуриру­ющей системы, способы действий кото­рой неизвестны исследователю; эту неопределенность поведения конку­рента называют поведенческой не­определенностью ;

2) недостаточной изученности не­которых явлений, сопровождающих процесс функционирования системы; неопределенность этого типа назы­вают природной ;

3) нечеткого представления цели операции, приводящего к неодно­значной трактовке соответствия ре­ального результата операции желаемому; такую неопределенность на­зывают целевой .

Исследование эффективности тех­нических систем с учетом неопределен­ных факторов нестохастической при­роды в значительной мере осложняется отсутствием достаточно общей теории (подобно теории вероятностей для исследования случайных явлений), формирующей методологические осно­вания изучения явлений с неопре­деленными факторами. Тем не менее использование теории нечетких множеств, теории игр и теории решений позволяет найти некоторые пути реше­ния задач исследования эффективности систем при наличии существенной неопределенности нестохастического характера.

В отдельную группу (по степени общности) выделяют результирующие факторы, то есть факторы, непосредствен­но формирующие результат операции. К результирующим факторам, как уже отмечалось, относят полезный эф­фект , достигнутый в операции, за­траченные ресурсы () и сроки () проведения операции. Результат операции представляют в виде вектора, компонентами которого являются результирующие факторы, то есть

,

или описывают функцией от резуль­тирующих факторов. Достаточно об­щим, например, является представле­ние результата операции в виде сте­пенной функции от результирующих факторов:

, (1.1)

где — параметры функции результата.

При этом результат будет нулевым, если хотя бы один из результирующих факторов положить равным нулю. Для описания результата в практике часто используют различные частные слу­чаи приведенной функции. Так, если положить и , то . Если и , то . При и . В этих частных случаях результат операции описывается лишь результирующим фактором (при этом на остальные ре­зультирующие факторы накладывают обычно ограничения в виде неравенств).

Если положить , , , то . Это вы­ражение иногда используют при ана­лизе систем по методу «эффект-стоимость».

Используются и другие формы опи­сания зависимости результата опера­ции от результирующих факторов. Удобно, например, результат пред­ставлять в виде полинома от этих факторов.