Метод проектирования организационно-технических систем

Л.Е. Мистров,

проф., д.т.н., с.н.с., mistrov_le@mail.ru,

Центр. фил-л ФГБОУ ВПО «Росс.акад. правосудия», г. Воронеж

Предлагается метода проектирования организационно-технических систем, включающий взаимосвязанную совокупность аспектов (организационно-функциональный, системотехнический, технический), уровней (внешнесистемный, внутрисистемные), стадий (начальная, промежуточные, заключительная), циклов и этапов (постановка задачи, разработка вариантов, оценка эффективности, выбор предпочтительного варианта) проектирования.

It is offered a method of design of the organizational and technical systems, including the interconnected set of aspects (organizational and functional, sistemotekhnichesky, technical), levels (vneshnesistemny, intersystem), stages (initial, intermediate, final), cycles and stages (task statement, development of options, an efficiency assessment, a choice of preferable option) design.

Во многих практических приложениях актуальным является выполнение задач различного рода организационными структурами с использованием соответствующей совокупности технических средств. Совокупность организационной структуры и находящихся в её распоряжении технических средств представляет организационно-техническую систему (ОТС).

При создании ОТС одним из центральных является вопрос об её облике (назначении и задачах системы, составе и структуре элементов, основных характеристиках, порядке действия или функционирования). Исследования по формированию облика системы составляют содержание эскизного или технического проекта разрабатываемой ОТС. К настоящему времени разработаны методы и общие методические подходы к автоматизированному проектированию систем различного функционального назначения. В то же время методы автоматизированного проектирования ОТС развиты недостаточно, а единая методологическая база разработки проектов ОТС только формируется.

Целью представляемых материалов является обобщение ранее проведенных исследований по проектированию систем и разработки с учетом их метода автоматизированного проектирования ОТС, под которыми понимается взаимообусловленная совокупность категорий, раскрывающих общее содержание, состав и структуру процесса разработки проекта ОТС и определяющих общую постановку задачи проектирования системы.

Общие представления о содержании и структуре проектирования ОТС

В общих чертах содержание и структуру разработки проекта ОТС можно представить следующим образом.

Первоначально, исходя из указаний органа, ответственного за создание будущей ОТС (далее – Заказчика), коллектив специалистов, проводящий исследования по обоснованию облика ОТС, обосновывает проект концепции (замысла) создания ОТС. Принятая Заказчиком концепция разработки ОТС в виде ТТЗ содержит формулировку предполагаемого назначения и выполняемых задач системой, требуемую эффективность, описание возможных условий применения, состав и структуру элементов, основные характеристики, а также ограничения на создание ОТС.

Принятая Заказчиком в ТТЗ концепция создания ОТС служит отправной точкой для дальнейшей более детальной проработки её облика на этапе эскизного и технического проектирования Исполнителем – организацией, ответственной за её практическую разработку. Исходя из него, Исполнитель, рассматривая проектируемую ОТС как некоторую функционирующую целостную систему, “погруженную в среду”, выявляет возможные её внешние взаимосвязи и определяет соответствующие им основные свойства и технические характеристики. Основываясь на полученных результатах, Исполнитель далее направляет исследования вовнутрь ОТС, условно представляя её в виде возможных составных частей. Каждая из этих составных частей исследуется отдельно как “черный ящик” в соответствующей среде, что позволяет выявить их внешние связи и определить основные свойства и технические характеристики. Дальнейшее рассмотрение составных частей ОТС во взаимодействии друг с другом даёт возможность Исполнителю составить структуру ОТС и уточнить её внешние свойства и характеристики.

Постепенное нисходящее вовнутрь ОТС движение исследований Исполнитель продолжает до достижения необходимой степени детализации её строения.

Наряду с углублением исследований в ходе разработки проекта ОТС происходит обратное восходящее движение. Исследования возвращаются на “поверхность” системы, наполненные более конкретными представлениями о её строении, характеристиках и функционировании. Выявленные в результате такого циклического движения исследований внешние и внутренние связи, свойства и характеристики ОТС Исполнитель объединяет в группы, соответствующие той или иной её качественной стороне (назначению, задачам, функциям, составу, структуре и др.).

Переходя от одной качественной стороны ОТС к другой, исследования Исполнителя как бы “скользят” по её “поверхности”. Каждая совокупность выявленных связей, свойств и характеристик ОТС служит основой для уточнения ранее выявленных её связей, свойств и характеристик. В результате такого поступательно-возвратного движения исследований ОТС как бы “поворачивается” перед Исполнителем последовательно каждой своей качественной стороной, вовлекая в это движение и среду. Процесс проектирования идет от одного облика ОТС к другому, все более содержательному и конкретному. Анализ облика ОТС сочетается с его организационным построением.

Таким образом, в ходе проектирования ОТС осуществляется постепенное наращивание полноты представлений о строении, характеристиках и функционировании ОТС. Исполнитель рассматривает ОТС с различных качественных сторон. Поступательно-возвратный характер исследований дополняется циклическим нисходящим и восходящим движением. Конкурирующие варианты ОТС уступают место целесообразным, предпочтительным. На заключительной стадии проектирования, заканчивающейся разработкой Исполнителем технического проекта ОТС, выбирается наилучший в принятом Заказчиком (соответствующий требованиям ТТЗ) смысле вариант облика ОТС.

Для методического обеспечения исследований по автоматизированному формированию облика ОТС актуальной является разработка метода, адекватного содержанию и структуре будущей ОТС, а также объему, конкретности и динамичности представлений об ОТС. Построение метода базируется на системе базовых структурных элементов проектирования, содержание которых раскрывается в категориях проектирования ОТС.

Категории проектирования ОТС

Категории проектирования ОТС, в общем случае, могут быть представлены двумя группами. Первая из них характеризует развертывание процесса проектирования ОТС во времени и отражает узловые моменты в деятельности Исполнителя в ходе исследований. К первой группе категорий относятся стадии и этапы проектирования ОТС. Вторая группа категорий характеризует содержание проектирования ОТС, связанное с качественными сторонами ОТС. Эту группу составляют аспекты и уровни проектирования ОТС.

Стадия проектирования ОТС – условно выделяемая во времени часть проектирования ОТС, в пределах которой достигается объем представлений о свойствах, характеристиках и функционировании ОТС, достаточный для принятия решения об окончании разработки технического проекта или о путях его дальнейшего продолжения. Процесс разработки проекта ОТС включает стадии:

- разработки концепции (замысла) создания системы;

- проектирования ОТС при реализуемых в заданных ограничениях (“реальном“) достижимом облике основной подсистемы (подсистемы, осуществляющей главную функцию ОТС) и “идеальных“ (в принципе возможных) обликах подсистем, осуществляющих неосновные (обеспечивающие по отношению к главной) функции;

- проектирования ОТС при реализуемом в заданных ограничениях облике подсистемы, осуществляющей следующую по важности после главной функцию (функции) системы и “идеальных” обликах подсистем, осуществляющих другие обеспечивающие функции. И так далее в порядке убывания важности функций подсистем;

- проектирования ОТС при реализуемом в заданных ограничениях облике системы в целом.

Категория “стадия” проектирования ОТС выражает направленность исследований как в целом на проектирование ОТС, так и на ту или иную группу её свойств и характеристик. Каждая из его стадий разделяется на этапы проектирования.

Этап проектирования ОТС – часть разработки технического (эскизного) проекта в целом или стадии проектирования, в границах которой достигается определенный уровень обоснованности фиксированной группы свойств и характеристик ОТС. К этапам проектирования относятся: постановка задачи разработки проекта; разработка альтернативных вариантов облика ОТС или, далее, вариантов ОТС (её составных частей); оценка эффективности и выбор из альтернативных вариантов ОТС (её составных частей) предпочтительного; анализ устойчивости предпочтительного варианта ОТС (её составных частей) при изменении слабо формализуемых (не формализуемых) факторов, дополнительно подлежащих учету по согласованию с Заказчиком.

Важнейшим из этих этапов проектирования является постановка задачи разработки технического проекта ОТС (её составных частей), которая определяет весь ход последующих исследований и их результаты. Вследствие не-до-конца определенных целевых установок Заказчика, исходных данных, а также ряда других причин постановка задачи в процессе проектирования ОТС, как правило, подлежит уточнению.

Наиболее сложным в методологическом отношении является этап разработки вариантов ОТС (её составных частей), поскольку исследования на данном этапе носят преимущественно творческий характер, сравнимый с изобретательской деятельностью и базирующийся, зачастую, на не строгих формальных методах.

На начальных стадиях проектирования на этапе выбора определяются несколько конкурирующих предпочтительных вариантов ОТС, поскольку преждевременный выбор только одного варианта закрывает путь другим и повышает риск создания не лучшей ОТС. Окончательный выбор предпочтительного варианта ОТС (её составных частей) производится на заключительной стадии проектирования системы, когда достигается максимально возможная степень обоснованности представлений об её облике, соответствующая системе требований ТТЗ Заказчика на её разработку.

Разработка проекта ОТС всегда проводится в условиях неопределенности целей Заказчика, исходных данных проектирования, представлений об условиях применения ОТС и др. Кроме того, не всегда удается учесть в достаточной мере в постановке задачи проектирования и в математических моделях выбора и принятия решений все факторы, существенно влияющие на облик ОТС. Поэтому, на завершающем этапе проектирования осуществляется анализ устойчивости предпочтительного варианта ОТС к изменяющимся слабо формализуемым (не формализуемым) факторам.

Последовательность этапов проектирования составляет цикл разработки проекта ОТС. В ходе проектирования ОТС осуществляется несколько циклов. Кроме того, внутри отдельных циклов также могут быть циклы меньшего масштаба.

ОТС обладает многими качественными сторонами. Каждая из них включает набор свойств и характеристик ОТС, проявляющихся в соответствующей среде. Поэтому, при проектировании ОТС рассматривается с различных точек зрения (аспектов). Каждому аспекту ОТС может быть поставлен в соответствие одноименный аспект проектирования, в рамках которого исследуется система связей, свойств и характеристик ОТС, выражающих её качественную сторону. Основными аспектами проектирования ОТС являются организационно-функциональный, системотехнический и технический (параметрический) аспекты. Это обусловлено тем, что сущность функционирования ОТС носит организационный и структурный характер, а строение ОТС функционально. В то же время организационные, функциональные и структурные свойства ОТС количественно выражаются в её свойствах и характеристиках.

В рамках организационно-функционального аспекта проектирования проводится обоснование роли и места ОТС среди других систем, назначения и задач, способов решения задач, определяются функции, общий порядок её функционирования и организационное построение. Поскольку функции ОТС разделяются на внешние и внутренние, то и организационно-функциональный аспект проектирования ОТС разделяется на внешнесистемный и внутрисистемный. Внешнесистемный аспект проектирования ОТС по отношению к внутрисистемному играет целеполагающую и интегративную роль, поскольку определяет условия, применительно к которым должен обосновываться внутренний функциональный облик ОТС. Внутрисистемный аспект проектирования ОТС по отношению к внешнесистемному имеет целесообразное значение, поскольку обоснованные в его рамках внутренние функции ОТС обеспечивают осуществление ею внешних функций.

В ходе проектирования ОТС организационно-функциональный аспект проектирования выполняет преимущественно роль главного процесса. С него начинается и им заканчивается проектирование ОТС.

Системотехнический аспект проектирования ОТС посвящен обоснованию состава системы, совокупности её внешних и внутренних связей, порядка и содержания взаимодействия составных частей проектирования ОТС.

Определение характеристик ОТС, соответствующих выявленным в ходе организационно-функционального и системотехнического проектирования свойствам системы, осуществляется в рамках технического (параметрического) аспекта проектирования ОТС.

При необходимости в процессе разработки проекта ОТС возможно выделение и других аспектов. Например, определенная обособленность организационной и технических подсистем ОТС позволяет ввести организационный и технический аспекты проектирования, посвященные, соответственно, проектированию организационной структуры и совокупности техники, образующих ОТС.

ОТС включает совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих составных частей. Обосновать её строение, определить характер и содержание взаимосвязей, свойства и характеристики составных частей и системы в целом сразу невозможно. Поэтому, проектирование ОТС подразделяется также на процессы, содержание которых раскрывает категория «уровни проектирования».

Внешние свойства ОТС проявляются при её взаимодействии с окружающими системами, сущность которых определяется внутренним строением системы. Свойства составных частей ОТС также проявляются в соответствующей им среде; их причина содержится в структуре более мелких составных частей. И так далее. Нарастающая степень детализации рассмотрения ОТС фиксируется в иерархических уровнях её описания. Этим уровням ставятся в соответствие уровни проектирования ОТС. Самый верхний уровень является уровнем внешнесистемного проектирования. Остальные – уровни внутрисистемного проектирования. На уровне внешнесистемного проектирования ОТС рассматривается как целостная система без раскрытия её строения. На уровнях внутрисистемного проектирования ОТС рассматривается как совокупность взаимодействующих составных частей. Количество уровней внутрисистемного проектирования определяется необходимой глубиной раскрытия строения ОТС. Уровень внешнесистемного проектирования обеспечивает обоснование свойств, характеристик и функционирования ОТС в целом, а также согласование свойств, характеристик и функционирования её составных частей, обоснование которых проводится на уровнях внутрисистемного проектирования. С уровня внешнесистемного проектирования начинается разработка проекта ОТС, на этом уровне и завершается. В ходе проектирования в результате многократного перехода от уровня к уровню проектирования постепенно достигается необходимое соответствие между свойствами ОТС, её строением и функционированием, между характеристиками составных частей ОТС и характеристиками системы в целом.

Аспекты и уровни проектирования “вкладываются“ друг в друга, поочередно выполняя роль главного процесса проектирования ОТС.

В ходе проектирования представление об облике ОТС изменяется. Охватывая эти подвижные представления, категории, как формы проектирования, упорядочивают содержание проектирования. Между категориями проектирования происходят взаимопереходы, проникновение друг в друга. Смена категорий проектирования вызывается исчерпанием возможностей количественного обоснования свойств, характеристик и функционирования ОТС в рамках данной формы проектирования и необходимостью их качественных изменений.

С формальной точки зрения, разработка технического (эскизного) проекта ОТС представляет собой процесс решения задачи проектирования. Задача разработки проекта ОТС может быть сформулирована следующим образом.

Постановка задачи. Пусть определена директивно Заказчиком цель создания ОТС. Предполагается, что в состав ОТС могут быть включены полностью или частично существующие организационные структуры и технические системы. При необходимости облик этих структур и систем может изменяться (уточняться). Кроме того, для включения в состав ОТС возможно формирование новых организационных структур и разработка новых технических систем. Требуется определить облик такой ОТС, которая наилучшим образом соответствует поставленной цели в заданных ТТЗ ограничениях.

Математически задачу разработки проекта ОТС можно представить в виде:

(1)

где – функция затрат (расходов в денежном выражении) на создание, содержание и применение проектируемой ОТС, минимальное значение которой соответствует представлениям Заказчика о наилучшем варианте ОТС ; {} – множество допустимых вариантов ОТС ; – показатель эффективности решения задач вариантом ОТС в условиях ; – требуемая эффективность решения задач ОТС; – ресурс, потребный для создания, содержания и применения варианта ОТС в условиях ; – заданные ограничения (энергетические, пространственные, временные и др.) ресурса , потребного для создания, содержания и применения варианта ОТС.

Непосредственно решить задачу проектирования (1) (с возможностью последующей автоматизации её решения) вследствие её структурной сложности и большой размерности практически невозможно. Основным методом её решения, как показывает опыт разработки проектов различных систем, является метод иерархической декомпозиции задачи по аспектам, уровням и стадиям проектирования ОТС. Иерархическая декомпозиция задачи проектирования ОТС (1) позволяет не только разукрупнить задачу на основе отношения “целое-часть” на счетное количество задач “допустимой” сложности (поддающихся решению с использованием средств автоматизации), но и реализовать “право вмешательства верхнего уровня” и “зависимость верхнего уровня от нижних уровней”.

С использованием отношения “целое-часть” общая задача разработки проекта ОТС (1) представляется в виде системы взаимосвязанных частных задач проектирования, совместное решение которых является решением общей задачи. “Право вмешательства верхнего уровня” достигается путем определения на верхнем уровне для задач нижних уровней иерархии соответствующих целей, ресурсов, ограничений и условий применения ОТС. “Зависимость верхнего уровня от нижних уровней” реализуется путем передачи на верхний уровень иерархии результатов решений задач нижних уровней и предложений по корректировке целей, ресурсов, ограничений и условий, определенных верхним уровнем для задач нижних уровней.

Представим облик ОТС в виде совокупности описаний организации и функций , структурных элементов и множества характеристик ОТС, то есть совокупности организационно-функционального, системотехнического и технического обликов ОТС.

В зависимости от состояния проработки облика ОТС и целей исследований между аспектами проектирования ОТС, могут устанавливаться различные отношения иерархии. Применительно к случаю, когда верхний уровень занимает организационно-функциональный аспект (то есть главным процессом является функциональное проектирование), а нижний уровень – технический аспект проектирования, декомпозиция общей задачи проектирования ОТС (1) будет иметь вид:

а) задача организационно-функционального проектирования

, (2)

;

б) задача системотехнического проектирования

(3)

в) задача технического проектирования

(4)

где символ “~“ указывает на решения, полученные с предыдущего шага итерации.

Задачи организационно-функционального, системотехнического и технического проектирования (2) – (4) решаются совместно. При невозможности получения приемлемого решения какой-либо одной из этих задач, уточняются решения других задач, а также ограничения и условия. Возникающая в результате такого итерационного процесса последовательность решений будет сходиться к , являющемуся решением общей задачи проектирования ОТС (1).

Введем по аналогии с [1] функции агрегирования и дезагрегирования описания ОТС на уровне организационно-функционального , системотехнического и технического аспектов. Тогда иерархическая взаимосвязь обликов ОТС в соответствии с задачами (2), (3) и (4) будет иметь вид:

где – функции обобщения описаний ОТС по аспектам.

Свяжем описания ОТС по уровням её разукрупнения (уровням проектирования) следующими соотношениями:

=

где – облик ОТС -го уровня внутрисистемного проектирования; – облик ОТС уровня внешнесистемного проектирования; – функция обобщения описаний облика ОТС -го уровня; – функции агрегирования и дезагрегирования описаний ОТС -го и (-1) -го уровня проектирования, соответственно.

При фиксированном уровне проектирования разукрупнение ОТС осуществляется “по горизонтали”. Совокупность описаний (обликов) составных частей образует описание (облик) ОТС в целом на заданном уровне:

где – облик -го элемента ОТС -го уровня; – общее количество элементов на -ом уровне ОТС; – функция обобщения описаний облика -го элемента ОТС -го уровня; – функция агрегирования описаний -го элемента ОТС -го уровня; – общее количество элементов (+1)-го уровня ОТС, входящих в состав -го элемента -го уровня.

Декомпозиция общей задачи (1) по уровням разукрупнения ОТС образует семейство иерархически связанных задач внешнесистемного и внутрисистемного проектирования. Задача внешнесистемного проектирования имеет тот же вид, что и общая задача проектирования ОТС (1) при условии .

Задачи внутрисистемного проектирования могут быть представлены следующим образом:

а) задача проектирования ОТС -го уровня

б) задача проектирования элементов ОТС -го уровня

Декомпозиция общей задачи проектирования ОТС (1) по стадиям представляется соотношениями:

где – функция обобщения описаний ОТС на -ой стадии проектирования; – функции дезагрегирования и агрегирования описаний ОТС, соответствующих (-1) -ой и -ой стадиям проектирования; – описание предпочтительного варианта ОТС (+1)-ой стадии проектирования, полученное на предыдущем шаге итерации; – общее количество стадий разработки проекта ОТС.

Декомпозиция по этапам разработки проекта ОТС выполняет роль основы, на которую как бы “нанизываются” другие виды декомпозиций (приведена на рис. 1).

рис. 1 Структура проектирования организационно-технической системы

При этом в рамках каждого этапа проектирования, декомпозиции по стадиям, аспектам и уровням проектирования “вкладываются” друг в друга, попеременно выполняя иерархически главную роль. В то же время внутри каждого вида декомпозиции также может происходить смена иерархически главного аспекта (уровня, стадии, цикла, этапа). В результате такого поступательно-возвратного движения по видам и внутри каждого вида декомпозиции образуется циклический итерационный процесс с нестационарной иерархической структурой, обеспечивающий постепенное обоснование свойств, характеристик и порядка функционирования ОТС и достижение в итоге представлений о её целесообразном облике.

Предложенный метод позволяет автоматизировать процесс эскизного и технического проектирования различного назначения ОТС. При этом решение частных задач автоматизированного проектирования ОТС, возникающих при решении общей задачи, может быть получено с использованием известных методов проектирования систем.

Литература

1. Вязгин В.А., Федоров В.В. Математические методы автоматизированного проектирования. - М.: Высшая школа, 1989.