Управление большими системами

Теория автоматического управления разрабатывалась главным образом применительно к производственным процессам и техниче­ским устройствам, о которых известны принципы их организации, структура составляющих устройств элементов, порядок связей меж­ду ними, закономерности взаимодействия и основные параметры. Такие системы легко поддаются строгому математическому описа­нию, их можно однозначно формализовать и управлять на основе определенных алгоритмов. Однако современная техника автомати­ческого управления все чаще сталкивается с задачами управления большими системами, к которым ввиду их чрезвычайной сложности такой подход оказывается неприменимым.

Рис. 11. Взаимосвязи между компа­ниями, входящими в Северо-восточ­ную энергосистему (по А. Коуту, 1970):

/—«Онтарио Хайдро», 2— «Найэгара Моухок», 3 — «Пенсильвания-Нью-Джер-си Мэриленд», 4 — «Консолидэйтед Эди­сон К°», 5 — «Конвекс», 6 — «Лонг Айленд Лайтинг», 7 — «Нью-Инглед электрик си­стем», 8 — «Нью-Йорк гэс энд электрик корпорейшн», 9 — «Сентрал Хадсон гэс энд электрик корпореишн», 10 — «Орэндж энд Роклэнд ютилити инкорпорейтед», 11 — «Бостон Эдисон», 12 —«Нью Бэлфорд гэс энд электрик», 13 — «Монтеан электрик», 14 — «Дейтронт Эдисон», 15 — «Консамерс пауэр», 16 — «Хайдро Квебек», 17— «Сент­рал Мейн пауэр»

В результате сложные большие системы часто оказываются не­управляемыми и в них могут возникать непредвиденные «стихийные» изменения, порой принимающие катастрофический характер.

Ярким примером такой катастрофы может служить выход из строя грандиозной североамериканской энергосистемы Кэнюз (от первых букв слова Canada, Unated States). Эта чрезвычайно боль­шая система образовалась на основе соглашений между десятками частных корпораций, фирм и компаний с участием государствен­ных организаций. О сложности ее внутренних связей дает пред­ставление рис. 11. Расстройство деятельности такого «невидимого робота» (А. Коут, 1970) привело к тому, что с вечера 9 ноября 1965 г. до утра 10 ноября десятки миллионов жителей на громадной территории США и Канады, включая такой гигантский город, как Нью-Йорк, оказались в темноте с парализованным энергохозяйст­вом. Внезапно остановилось метро с 600000 пассажиров, которые стали выбираться через тоннели. Однако в полночь еще 10000 из них не могли выйти из вагонов, а 700 оказались в поезде, остано­вившемся над рекой. Застряли между этажами лифты в небоскре­бах, прекратилось железнодорожное движение, теле- и радиопере­дачи, подача газа, работа водопровода, прервалась телефонная и телеграфная связь и т. д. Все началось с того, что одна перегру­женная северная линия была выключена защитным реле.Электроэнергия устремляясь по другим линиям, работавшим на пределе, выключила и их одну за другой. В результате подскочила нагрузка на линии, связывающей северную группу с электростанциями дру­гих компаний, что вызвало последовательный разрыв соединений между ними. Прекращение взаимной компенсации потребле­ния энергии, резкие колебания нагрузки и нарушение синхрон­ности в работе генераторов разных электростанций привело к ряду крупных аварий, которые в конечном итоге вывели из строя всю систему энергоснабжения. Большая система оказалась неуп­равляемой.

Особенность больших систем состоит не только в очень боль­шом количестве элементов, но и во множестве разнообразных свя­зей между ними, образующих иерархию подсистем, структура которых может изменяться в зависимости от многих условий. По­этому управление такой системой на основе строгого математиче­ского описания практически невозможно, так как все эти условия нельзя предусмотреть, а если даже удалось бы их принять во вни­мание, то объем необходимых вычислений оказался бы непомер­ным, требующим работы самых быстродействующих ЭЦВМ в тече­ние многих лет для выдачи командного сигнала. Поэтому управ­ление большими системами в отличие от управления обычными, допускающими поэлементное математическое описание строится на основе специальных методов теории операций и сетевого модели­рования, теории массового обслуживания и статистического моде­лирования.

Теория операций исследует принципы оптимального управления деятельностью коллективов, составляющих большую систему, ко­торая стремится к достижению определенного результата. Приме­рами операций больших систем может служить борьба с эпиде­мией, наступление на фронте, строительство нового города и т. д. Оптимальность управления операцией оценивается по критерию ее эффективности, определение которого составляет важную, но не всегда ясную задачу исследования. Так, в приведенных примерах не вызывает сомнений, что эффективность противоэпидемических мероприятий выражается прекращением заболеваний, а эффектив­ность сражения с войсками противника—победой. Однако критерии эффективности градостроения могут быть разные в зависимости от задач обеспечения жилплощадью определенных контингентов на­селения или оптимального расположения жилых массивов относи­тельно производственных комплексов или максимального исполь­зования ограниченных участков застройки и т. д.

Оптимальный план управления операцией вырабатывается пу­тем анализа ее математической модели. Такие модели имеют ха­рактер сетей, в которых отдельные компоненты операции изобра­жаются в виде связок сети. Сетевое моделирование представляет операцию в форме ориентированного конечного графа. Каждое ребро