4.6. принятие решения и выбор оптимальных решений

4.6. принятие решения и выбор оптимальных решений

¨ выявление и выбор вариантов решения проблемы (подпроблемы)

¨ выбор оптимальных решений

Выявление и выбор вариантов решения

проблемы (подпроблемы)

Факторы, влияющие на выбор решения подпроблемы

Приемы выявления вариантов решений, а также методы сравнения и выбора наилучших вариантов в значительной мере определяются тремя факторами:

постановкой задачи, определяющей предмет и характер выбора;

областью использования результатов решений;

полнотой и определенностью исходной информации, используемой для выбора решения.

Решения, зависящие от постановки задачи

Решения, зависящие от постановки задачи, можно разделить на три основных вида, в каждом из которых осуществляется выбор: п альтернативных вариантов; п значений варьируемых параметров системы; п состава (или структуры) формируемых комплексов. Выбор альтернативных вариантов представляет собой сущность решение таких подпроблем, при анализе которых выявились два или несколько «моисключающих (альтернативных) варианта. Альтернативными называют взаимоисключающие варианты принимаемых решений. Задача выбора альтернатив состоит в том, чтобы из двух или нескольких взаимно исключающих вариантов решения выбрать тот единственный, который в данных конкретных условиях обеспечит наибольшую степень достижения целей.

Выбор значений варьируемых параметров системы представляет собой широкий класс так называемых оптимизационных задач, т.е. задач определения значений внешних (входных и выходных) параметров системы, обеспечивающих ее оптимальное взаимодействие с остальными подсистемами системы старшего ранга.

Чаще всего в задачах оптимизации речь идет об одновременном определении значений совокупности варьируемых параметров, которые при заданных условиях (ограничениях) обеспечивают максимум или минимум (т.е. экстремум) соответствующей целевой функции.

Лишь в простейших задачах варьируется только один параметр, но даже в этих случаях принципиальное отличие от выбора альтернативных вариантов состоит в том, что оптимальное решение является наилучшим из всех возможных в данных условиях, в то время как выбор альтернативы обеспечивает лучшее решение из числа заданных вариантов.

Выбор состава формируемых комплексов или набора компонентов относится к другому классу оптимизационных задач, поскольку по своей постановке и методам решений они несколько отличаются от предыдущих. К этому классу задач относится формирование сетевых планов выполнения комплексных работ в так называемых системах сетевого планирования и управления (СПУ). К этому же классу задач относится выбор комплекса мероприятий, которые в пределах выделенных ограниченных ресурсов обеспечивают рост эффективности производства, выбор числа и типоразмеров оборудования.

Решения, зависящие от области их использования

Методы выбора альтернатив мало зависят от области использования ре зультатов решения. Вместе с тем методология решения оптимизационн задач формировалась и развивалась применительно к области использования этих решений.

К таким областям относятся: оптимальное проектирование; оптимальное управление производственными процессами; оптимальное планирование.

На выбор решения влияют варьируемые параметры и неуправляемые факторы.

Варьируемые параметры можно разделить на три основные категории

¨проектно-конструктивные параметры; применительно к проектированию отдельных производств — это, как правило, размеры аппаратов, их элементов, трубопроводов и т.п.; при проектировании предприятий – это емкость складов, параметры, определяющие мощность вспомогательных производств, и многие другие параметры инфраструктуры промышленной системы;

¨ режимные параметры (параметры внутреннего состояния), например, температура, давление, концентрация компонентов и т.п.;

¨ внешние (входные и выходные) параметры системы в промышленном производстве, такие, как объем выпуска продукции и используемые ресурсы.

Неуправляемыми факторами будем именовать те, изменение которых в процессе функционирования системы не относится к числу управляемых воздействий.

Применительно к задачам планирования и управления производственными системами выделим две основные категории неуправляемых факторов:

¨ краткосрочные внешние и внутренние возмущения, в том числе изменение погодных условий, колебание качества исходного сырья, колебание параметров энергоснабжения и т.д.;

¨ изменение экономических условий (конъюнктуры), в том числе рос или снижение дефицитности ресурсов, потребности в продукции и др.

Особенности выбора решений, с учетом варьируемых параметров неуправляемых факторов, состоят в следующем.

При оптимальном проектировании экономические условия и плановые показатели бывают заданы, а возмущения не учитываются; для неуправляемых факторов принимаются вероятные или номинальные значения. Выбору подлежат оптимальные значения проектно-конструктивных и режимных параметров.

При оптимальном управлении процессами производство уже реализовано, т.е. конструктивные параметры известны и не изменяются, экономичесю условия заданы. Выбору подлежат режимные параметры, которые в условиях реальных возмущений обеспечивали бы экстремум целевой функции.

При оптимальном планировании известны конструктивные параметры; показатели производства принимаются исходя из условий их поддержания системой управления на оптимальном уровне при вероятных значениях неуправляемых параметров (текущее планирование на год) или при их фактических значениях (оперативное планирование). Выбору подлежат плановые задания, которые обеспечивают экстремум целевой функции в изменившихся экономических условиях.

Принятие решения на основе исходной информации

различной полноты

Чтобы использовать математические (формализованные) методы выбор решений, необходимо располагать полной и достаточно определенной информацией. Какое содержание вкладывается в эти понятия?

Полной информацией, используемой для выбора альтернативных вариантов, будем считать такую, которая позволяет определить численное значение целевой функции для каждой из сравниваемых альтернатив в условиях заданных ограничений.

Определенной будем именовать информацию об однозначно предсказуемых значениях параметров и условиях. Такую информацию мы имеем лишь при строго формализованной целевой функции и при описании свойств объекта исследования детерминированными либо статистическими моделями.

По полноте и определенности исходной информации можно выделить три методологических подхода, позволяющих выбрать решение однозначно, с определенной степенью вероятности и в условиях неопределенности.

Первый подход. Строгий выбор решения, однозначно определяющего результат, может быть получен формализованными методами исследования операций при наличии полной и определенной исходной информации.

Второй подход. Выбор решения, определяющего результат с определенной вероятностью и оценивающего степень риска, может быть получен формализованными методами с использованием теории вероятностей, если система описывается стохастическими моделями, а объем информации достаточно полный.

Третий подход. Решение принимается в условиях неопределенности, когда отсутствует необходимая информация, либо потому, что не было проведено должное исследование системы, тенденций ее развития и внешних условий, либо потому, что система находится под воздействием нестационарных случайных факторов.

Для принятия решений в условиях неопределенности используются эвристические методы, теория игр и комбинированные методы, в том числе имитационное моделирование.

Формирование решения проблемы в целом

Вся логика нахождения путей достижения целей, рассмотренная ранее, была направлена на то, чтобы сложную проблему расчленить на несколько сравнительно простых подпроблем, чтобы для каждой из них выявить возможные варианты решения.

Возникает вопрос: действительно ли совокупность наилучших решений отдельных подпроблем дает наилучшее решение проблемы в целом?

Поиск обоснованного ответа на этот вопрос дает анализ связи между отдельными подпроблемами. Такой анализ следует проводить по двум направлениям:

во-первых, рассмотреть связи подпроблем, обусловленные общностью решений по самой их сущности;

во-вторых, учесть связи подпроблем, обусловленные общностью ресурсов, выделенных на решение проблемы в целом.

Учитывая связи подпроблем, обусловленные общностью ресурсов, выделенных на решение проблемы в целом, можно идти по двум направлениям:

¨ чисто организационные мероприятия, которые не требуют ресурсов, кроме затрат труда на разработку самих решений;

¨ организационно-технические мероприятия, для реализации которых потребуются лимитированные ресурсы, в том числе финансовые, трудовые, оборудование, приборы и т.д.; именно эти мероприятия, как варианты решения соответствующих подпроблем, оказываются взаимосвязанными по ограничениям ресурсов, выделенных на решение проблемы.

Таким образом, проект решения проблемы в целом складывается из тех вариантов решений отдельных (независимых) подпроблем или групп взаимосвязанных подпроблем, совокупность которых обеспечивает наибольшую степень достижения целей в пределах ресурсов, выделенных на решение проблемы.

Выбор оптимальных решений

Постановка и решение задачи оптимизации

Этап выбора оптимальных решений состоит из двух основных процедур:

¨ постановка оптимизационной задачи;

¨ собственно решение задачи, т.е. отыскания значений варьируемых параметров или состава формируемого комплекса, которые обеспечивают максимальную степень достижения цели в заданных конкретных условиях.

Постановка задачи. Для решения оптимизационной задачи необходимо построить:

¨ целевую функцию или критерий оптимальности, которые зависели бы только от варьируемых (искомых) параметров и известных (заданных или измеряемых) показателей;

¨ систему ограничений, определяющих заданные условия решения задачи и содержащих также лишь искомые и известные величины.

Приступая к разработке содержательной и математической постановки оптимизационной задачи, в первую очередь необходимо дать четкую формулировку сущности задачи.

Дальнейшей процедурой постановки оптимизационной задачи следует считать выбор варьируемых переменных. По определению, варьируемыми переменными следует считать те параметры, выбор которых максимально влияет на степень достижения целей. Это искомые значения параметров.

В общем случае при выполнении этой процедуры необходимо:

¨ выделить все те параметры, изменение которых зависит от нас, а определение оптимальных значений составляет суть задачи;

¨ рассмотреть позитивные и негативные последствия изменений этих параметров на функционирование объекта и убедиться (пока качественно), что в пределах допустимых изменений этих параметров может существовать наивыгоднейший компромисс между выигрышем в достижении одних подцелей и проигрышем в достижении других;

¨ рассмотреть взаимосвязи выделенных параметров и выбрать взаимно независимые, учитывая при прочих равных условиях, какие из взаимосвязанных параметров наиболее употребительны (являются основными) в принятой системе.

Следующая процедура постановки задачи состоит в том, чтобы выразить целевую функцию (критерий оптимальности) через варьируемые параметры и заданные (известные) величины.

Решение задачи и анализ результатов. Нахождение численных значений варьируемых переменных, соответствующих условиям задачи, составляет собственно решение задачи.

Для решения оптимизационных задач используются разнообразные методы математического программирования, выбор которых зависит от особенностей постановки задачи и от ее размерности. Под размерностью понимается общее число варьируемых переменных и использованных ограничений. Получив решение оптимизационной задачи, следует подвергнуть ее анализу. Например, если условием эффективности является максимум функции, то необходимо убедиться, что найденное решение соответствует именно максимуму. Это можно установить по знаку второй производной. Следующим шагом необходимо оценить чувствительность оптимума, т.е. установить, существенной ли будет потеря эффективности при некоторых отклонениях от найденного оптимума. В анализ решения целесообразно включить также рассмотрение влияния некоторых факторов на сдвиг (смещение) оптимума.

Резюме

1. Проблема — ситуация несоответствия желаемого и существующего. Проблемная ситуация — условия, порождающие проблему. Условия постановки проблемы — это объективно возникающие противоречия между потребностями в тех или иных действиях и незнанием способов их выполнения, между потребностью в новых знаниях и их недостаточностью.

Типичные проблемные ситуации: результаты деятельности не соответствуют желанным целям; ранее выработанные, теоретически обоснованные и практически проверенные методы не дают должного эффекта или не могут быть использованы; в практической деятельности обнаруживаются факты, данные практического опыта, которые не укладываются в рамки существующих теоретических представлений; одна из частных теорий вступает в логическое противоречие с более общей теорией или другими областями жизни в пределах данной отрасли знаний.

2. Методологией решения проблем является системный анализ и синтез.

Основными задачами системного анализа и синтеза проблемы являются разработка методов и средств: определения целей (требований) функционирования системы (оценка требуемого положения дел); выявления проблем (анализ существования, формализации описания существа проблемы); анализа проблем (структуризация, классификация и оценка последствий развития проблемы); решения проблем (концептуального моделирования системы как средства решения проблемы); совершенствования методологии системного анализа.

Необходимыми компонентами системного анализа и синтеза проблемы являются: цель, которой должна достичь функционирующая система; альтернативы (варианты систем), посредством которых возможно достижение цели; ресурсы, необходимые для создания и обеспечения эффективного функционирования того или иного варианта системы; критерий, по которому сравниваются альтернативы и осуществляется выбор одной из них; модель, отражающая связь целей, альтернатив, ресурсов и критерия.

3. Фундаментальный постулат (аксиома) системного подхода: система есть средство решения проблемы.

В терминах системного подхода проблемой называется ситуация, характеризующаяся различием между необходимым (желаемым) выходом и существующим входом. Существующий выход обеспечивается существующей системой. Желаемый выход обеспечивается желаемой системой. Проблема есть разница существующей и желаемой системой.

Определение целей, которых должна достичь система, является одной из первоочередных задач системного подхода. Определение целей может быть дано только в терминах требований к системе. Требования к системе есть средство фиксации однозначных утверждений, определяющих цель. Цели, в виде требований к существенным свойствам системы и к процессу ее функционирования для существующих систем, известны, ибо они задаются при ее создании. Цели-требования могут быть определены в терминах желаемого состояния и отождествляются с желаемой системой.

Цель действий состоит в том, чтобы свести к минимуму разницу между существующей и предлагаемой (желаемой) системой. Решение проблемы есть то, что заполняет "промежуток" между существующей и желаемой системами. Система, заполняющая этот "промежуток", является объектом конструирования (проектирования) и называется решением проблемы.

В настоящее время единой классификации проблем не существует. Однако общие признаки в каждом способе классификации имеются. Обобщая различные способы классификации проблем, можно привести их к следующим трем видам: оперативные проблемы; проблемы совершенствования и развития систем; инновационные проблемы.

Выбор этапов решения проблем относится к неформализуемой части методологии системных исследований, на которую существенное влияние оказывают характер проблем, идеология, а иногда и подход исследователя к проблеме.

Решение проблем совершенствования и развития включает следующие этапы: исходная постановка (формулирование) проблемы; формулирование целей и условий решения проблемы; структуризация проблемы и систематизация путей достижения целей; выявление и выбор альтернатив решения проблемы; принятие решения и его реализация.

Особенностью системного анализа и синтеза инновационных проблем является выработка идей. Второй особенностью такого рода проблем является отсев идей. В процессе жесткого и быстрого поиска решений есть большая вероятность отбросить тонкие идеи, имеющие смысл и перспективу.

Основным вопросом при решении любых проблем, независимо от их содержания и характера, является выявление и выбор наиболее подходящей альтернативы (варианта) решения.

При наличии информации, достаточной для определения численных значении целевой функции, из альтернативных вариантов выбирается тот, который обеспечивает максимальное достижение цели.

Если исходная информация не позволяет определить строго предсказуемое значение целевой функции, но достаточна для расчета математических ожиданий этой функции по каждому из сравниваемых вариантов решений, то осуществляется так называемый вероятностный выбор альтернативы, которая обеспечивает наибольшую средневероятную степень достижения цели.

В условиях неопределенности желательно оценить вероятность ситуации, а соответственно и вероятные степени достижения целей, на основании экспертных методов.

В условиях полной неопределенности (т.е. условиях, при которых не представляется возможным даже экспертно оценить вероятность возможных ситуаций) выбор альтернатив осуществляется эвристическими методами на основании тщательного анализа позитивных и негативных последствий каждого решения в каждой возможной ситуации.

Выбор решения проблемы в целом складывается из тех вариантов решений отдельных (независимых) подпроблем или групп взаимосвязанных подпроблем, совокупность которых обеспечивает наибольшую степень достижения целей в пределах ресурсов, выделенных на решения проблемы.

8. Для правильной постановки оптимизационной задачи необходимо четко сформулировать ее сущность, уточнить объект оптимизации и его границы, выбрать совокупность искомых варьируемых параметров (переменных), выбрать целевую функцию, определить и конкретизировать систему ограничений.

Кроме того, необходимо располагать математическим описанием (моделью) объекта, которое позволило бы исключить из выражений целевой функции и ограничений все неварьируемые переменные, выразив их через варьируемые параметры и известные (заданные) величины.

Метод решения оптимизационных задач выбирается с учетом их размерности и особенностей математической постановки (линейность и нелинейность зависимостей, непрерывный или дискретный характер варьируемых переменных и др.).

Вопросы для повторения

Раскройте понятие "проблема".

Каковы условия постановки проблемы?

Перечислите и раскройте сущность наиболее часто встречающихся

проблемных ситуаций.

Назовите особенности классификации систем.

Назовите типичные виды классификации проблем.

Дайте характеристику этапов решения проблем.

Охарактеризуйте этапы системного анализа проблем совершенствования и развития систем.

Охарактеризуйте этапы системного анализа инновационных проблем.

В чем состоит цель формулирования проблемы?

Почему формулирование проблемы называется исходной постановкой

проблемы?

Раскройте содержание формулирования проблемы.

Какова последовательность этапов диагноза проблемы?

Раскройте подходы, обеспечивающие четкое формулирование проблемы. Выделите общий для всех подходов элемент формулирования проблемы.

В чем состоит сущность формирования целей проблемы?

Какие факторы необходимо учитывать при формировании целей проблемы?

Опишите процедуру формирования целей.

Каков порядок построения "дерева целей"? Раскройте порядок обеспечения полноты "дерева целей" и соответствие рангов подцелей.

Приведите пример формирования "дерева целей".

Раскройте основные понятия структуризации проблемы.

Приведите основные процедуры этапа "выявления путей достижения

целей".

Раскройте порядок уточнения (построения) структуры объекта управления.

Раскройте порядок уточнения структуры системы управления. Каковы роль и место системообразующих связей в построении структуры системы?

94 Что является основой функционально-информационной структуры системы управления?

Каков порядок формирования функционально-информационной структуры системы управления?

Охарактеризуйте цели анализа функционирования системы.

Каков порядок выявления основных трудностей и недостатков

в функционировании системы управления?

Что является исходными данными для информационного анализа системы управления?

Покажите особенности анализа причинно-следственных связей системы.

Раскройте сущность и содержание построения "дерева путей достижения целей".

Каков порядок оценки значимости подпроблем?

Охарактеризуйте факторы, влияющие на приемы выявления вариантов

решений, а также методы сравнения и выбора наилучших вариантов.

Опишите виды решений, зависящих от постановки задачи, и их сущность.

Раскройте влияние на выбор решения варьируемых параметров и

неуправляемых факторов.

Покажите сущность принятия решения на основе исходной информации различной полноты.

Каковы процедуры выбора оптимальных решений и их содержание?

Литература

Акофф Р., Эмери Ф. О целеустремленных системах: Пер. с англ. М.: Советское радио, 1974.

Арно А., Пиколь П. Логика, или искусство мыслить. М.: Наука, 1991.

Большой энциклопедический словарь: 2-е изд. М.: Большая Российская энциклопедия, 1997.

Буолдинг К. Общая теория систем как скелет науки // Исследования по общей теории систем. М.: Прогресс, 1969.

Вашингтон П. Стратегическая разведка. Основные принципы: Пер. с англ. М.: ИНФРА-М, 1997.

Венделин А.Г. Подготовка и принятие управленческого решения. Методологический аспект. М.: Экономика, 1977.

Горский Д.П. Определения, их виды и правила // Логика научного познания. М.: Наука, 1987.

Добкин В.М. Системный анализ в управлении. М.: Химия, 1984.

Информационные системы в управлении производством: Пер. с англ. / Под ред. Ю.П. Васильева. М.: Прогресс, 1973.

Клир Дж. Системология. Автоматизация решения системных задач: Пер. англ. М.: Радио и связь, 1990.

Кулагин О.А. Принятие решений в системах организационного управления: Учебное пособие. Ч. 1. Основы методологии. СПБ.: Изд-во ВИКУ им. А.Ф. Можайского, 1999.

Мессарович М., Мако Д., Тахара И. Теория иерархических многоуровневых систем: Пер. с англ. М.: Мир, 1973.

Мухин В.И. Исследование систем управления: Дидактические материалы. Новогорск: АГЗ МЧС России, 1999.

Оптнер С.Л. Системный анализ для решения деловых и промышленных проблем: Пер. с англ. М.: Советское радио, 1969.

Плотин. Избранные трактаты: В 2 т. / Пер. с древнегреч. под ред. Г.В. Милованского. Т. 1. М.: РМ, 1994.

Попов А.А. и др. Основы общей теории систем. Ч. 1. СПб.: ВАС, 1992.

Тейяр де Шарден П. Феномен человека. М.: Наука, 1987.

Теслинов А.Г. Развитие систем управления. М.: РВСН, 1997.