автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Алгоритмизация управления производственно-сбытовым процессом на основе интеграции сетевых моделей и компонентов экспертных систем

На правах рукописи

ЧЕРНЯЕВ Евгений Петрович

АЛГОРИТМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННО-СБЫТОВЫМ ПРОЦЕССОМ НА ОСНОВЕ ИНТЕГРАЦИИ СЕТЕВЫХ МОДЕЛЕЙ И КОМПОНЕНТОВ ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМ

Специальности: 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств 5.13.10-Управление в социальных и экономических системах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 1998

Работа выполнена в Воронежском государственном техническом университете

Научней руководитель: заслуженный деятель науки РФ,

д-р техн. наук, проф. Львович Я.Е.

Официальные оппоненты: д-р техн. наук, проф. Бурковский В.Л. ;

канд. техн. наук Ашков Е.М.

Ведущая организация: ОАО "Научно-исследовательский институт

полупроводникового машиностроения"

Защита диссертации состоигся^?^)' 1998 г. в /^чаеон в конференц-

зале на заседании диссертационного совета Д063.81.02 при Воронежском государственном техническом университете по адресу: 394026 г. Воронеж, Московский проспект, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Автореферат разослан**^' _

1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета у( • Л/- """ Львович Я.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Формирование рыночных отношений в условиях современных экономических преобразований объективно вызывает необходимость внедрения в систему хозяйствования программных средств различного функционального назначении, которые способствуют повышению эффективности производства и управления технологическими процессами и маркетинговыми исследованиями. Однако при их внедрении в производство возможно возникновение трудностей, связанных с его спецификой, в том числе и с наличием большого количества альтернативных вариантов управления, отсутствием точных математических методов и алгоритмов оптимизации процессов управления деятельностью фирм. Многообразие же форм механизмов управления, кроме того, требует создания таких автоматизированных систем, которые могли бы быстро настраиваться на любую производственную ситуацию. В то же время они должны включат], в себя инструментальные средства, которые позволяли бы учитывать индивидуальные особенности конкретной экономической системы. Это вызывает необходимость в разработке систем автоматизации нового качественного уровня на базе современных средств управления и математического аппарата.

В настоящее время мощное развитие получила такая область искусственной) интеллекта (ИИ), как экспертные системы (ОС). В их основе лежат программы, предназначенные для представления и применения фактических знаний из специальных областей. Например, совместные усилия экспертов-людей и разработчиков систем позволили создать системы, которые подбирают конфигурации различных производственно-сбытовых систем, диагностируют свойства объектов и т.п. Осознание полезности систем, которые могут копировать дорогостоящие или редко встречающиеся человеческие знания, привело к повсеместным усилиям расширить и применить эту технологию. Мощное развитие получил также математический аппарат сетевых моделей при разработке имитаций систем, в которых имеют место параллельные процессы обработки информационных потоков. Таким образом, актуальность работы определяется необходимостью разработки алгоритмического и программного обеспечения систем автоматизации управления производственными процессами с учетом их функционирования в рыночных условиях.

Работа выполнена в соответствии с Программой 12.11 " Перспективные информационные технологии в высшей школе" в рамках одного из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета " САПР и системы автоматизации производства".

Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка автоматизированной экспертной системы эффективного управления производствснно-сбытовыми процессами в условиях современных экономических отношений на основе сетевых моделей.

Поставленная цель обусловливает необходимость следующих основных

задач:

исследование специфики автоматизации производственного процесса с учетом использования экспертной системы и сетевых моделей при решении задач управления в рыночных условиях;

выбор способа представления знаний и формирование механизмов взаимодействия экспертов и ЭС для анализа взаимосвязи этапов маркетинга и изготовления изделий и принятия решений по управлению производственно-сбытовыми процессами (ПСП);

разработка сетевой модели функционирования производственно-сбытовых процессов, генерации вариантов рационального многоальтернативного выбора управляющих воздействий и алгоритма функционирования системы управления автоматизированным производством;

разработка алгоритма функционирования имитационной модели процессов ПСС;

построение структурной модели автоматизированной экспертной системы управления производственными процессами (АЭСУПСП);

реализация результатов в виде комплекса программных средств и его внедрение в условиях производства швейных изделий.

Методы исследования. В качестве теоретической и методологической основы диссертационного исследования использованы методы системного анализа, теория управления, теория сетей Петри, аппарат теории множеств, методы математического программирования и построения экспертных систем.

Научная новизна. В результате проведенного диссертационного исследования получены основные результаты, характеризующие его научную новизну.

1. Структурная модель автоматизированного управления ПСС в рыночных условиях, отличающаяся интеграцией математического аппарата сетевых моделей и экспертных систем.

2. Алгоритмические процедуры, обеспечивающие управление выводом во время процесса принятия решения по управлению в неоднозначных ситуациях путем имитационного моделирования при помощи предложенной вариации аппарата сетей Петри и реализующие рациональный многоальтернативный выбор управляющего воздействия.

3. Алгоритм имитационного моделирования функционирования ПСС, обеспечивающий генерацию вариантов управляющих выводов путем имитации процессов управления производственно - сбытовыми процессами, автоматизированную поддержку принятия решений в условиях функционирования экспертной системы управления ПСП.

4. Способ представления знаний в виде дискретных сетей классов условий и правил, позволяющий производить описание ситуации для этапов маркетинга и изготовления изделий, ее классификацию (при помощи соответствующих условий и правил), а также поиск управляющих воздействий.

Практическая значимость и результаты внедрения. В результате исследования разработан пакет прикладных программ (ПГ1П), использование которого целесообразно для решения задач внутрипроизводственного планирования технологических процессов, эффективной генерации решений но управлению ПСП, автоматизации ЭС в условиях функционирования ПСС.

Диссертация выполнялась в рамках создания комплекса < алгоритмических и программных средств по управлению технологическими процессами и маркетинговыми исследованиями швейного предприятия.

Результаты исследования внедрены на предприятии швейной промышленности ЗАО ПК "Славянка" с фактическим экономическим эффектом 143313,6 р. и подтверждены соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях, семинарах и совещаниях: Всероссийском совещании - семинаре "Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине" ( Воронеж, 1997, 1998); Российском молодежном научном симпозиуме " Молодежь и проблемы информационного и экологического мониторинга " (Воронеж, 1996); Всероссийской научно - технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов " Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы " (Рязань, 1997); Международной научной конференции (школа молодых ученых и специалистов) "Системные проблемы надежности математического моделирования и информационных технологий" ( Москва - Сочи, 1997); семинарах кафедры "Системы автоматизированного проектирования и информационные системы"; ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного технического университета.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах, перечень которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, списка литературы из 104 наименований и трех приложений. Основная часть диссертационной работы изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 20 рисунков и 1 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, дается ее краткая характеристика, показывая основные пути решения сформулированных проблем.

В первой главе диссертационного исследования рассматриваются особенности автоматизации производственных процессов дискретного производства; анализ выбора управления рыночной стратегии; анализ методов описания структуры объектов системы и представления знаний; возможность применения к решению поставленной задачи различных математических методов

оптимизации управления производственными процессами и процессами управления рынком продукции; исследуется сущность процесса подготовки, принятия и реализации решения по управлению, внешние и внутренние факторы, определяющие состояние системы управления; анализируются математические характеристики моделей управления ПСС; обосновывается выбор математического аппарата (аппарат,сетей Петри и ЭС), используемого при построении модели управления.

На основании проведенного анализа определяются цель и задачи исследования.

Вторая глава диссертационного исследования посвящена содержательному описанию структуры АЭС, формализации ее функционирования на основе математического аппарата сетей Петри и экспертных систем и построению алгоритма имитации функционирования информационных потоков ПСС с учетом математических особенностей причинно-следственных закономерностей взаимодействия элементов сетей Петри.

Рассматривая с системных позиций вопрос разработки математического обеспечения ЭС АСУПСП, можно сделать вывод, что он имеет несколько сторон:

1. Построение математических моделей нескольких уровней.

2. Влияние специфики производства на качественный и количественный состав математических моделей.

3. Соответствие каждой группе ситуаций определенного состава математических моделей всех уровней.

На содержании третьего пункта следует остановиться более подробно, так как он непосредственно связан с проблемой управления выводом, которая является центральной в теории ЭС, основанных на представлении знаний правилами с прямым выводом.

Выделим условия, влияющие на процесс формирования вывода при управлении ПСС:

внутреннее состояние ПСС;

влияние состояний внешней среды.

Исходя из соображений влияния каждого из вышеуказанных критериев на формирование математических моделей, все условия, возникающие в ходе функционирования системы, предлагается разбить на две группы: 1) условия однозначных ситуаций в производстве; 2) условия неоднозначных ситуаций.

Рассмотрим конкретные структурные модели, основанные па представлении знаний правилами, при помощи которых было бы возможно проводить настройку АЭСУПСП на реальные процессы и описание текущей ситуации. Сетевая модель экспертной системы должна быть обьектно ориентирована, то есть учитывать следующие факторы: связь конкретных управляющих выводов с классами правил; условия , при которых возможно применение той или иной совокупности правил; взаимосвязь между условиями различных классов. Спо-

соб вывода должен иметь средства для определения наличия условий того или иного класса путем анализа соответствующих факторов и в зависимости от этого "предлагать" гс или иные управляющие воздействия правил. В связи с этим предлагается сетевая модель, в которой причинно-следственная связь описывается при помощи структуры, которая напоминает построение сети Петри. Узлами такой сети являются классы условий и управляющие выводы (соответственно, позиции и переходы сети).

В результате получена особая структура, которая базируется на сетевом способе представления знания и одновременно по характеру связей является цветной сетью Петри. Опишем структуру данной сети. Она является совокупностью множеств

N = (P,R,T,I,O,p0),

где Р- множество условий; Г- множество управляющих выводов; R- множество классов правил;/ = 1(Г,R,Т) -функция входных инциденций; 0 = 0(P,R,T)-функция выходных инциденций; /¡0- начальная маркировка сети. Заметим, что рассмотренная структура является доской объявлений рассматриваемой ЭС.

Сформированная сетевая структура функционирует на основе правил, аналогичных правилам возбуждения переходов в классических сетях Петри. "Данная сетевая модель хорошо подходит как для проектирования, так и для управления выводом ЭС; более того, она обеспечивает реализацию основных концепций построения интеллектуальных систем: модульность знаний, возможность развития в направлении систем большой размерности, возможность наличия большого количества источников знаний.

Решение по управлению, полученное при помощи сетевой доски объявлений, может пе всегда устраивать менеджера, принимающего решение, кроме того, могут возникать случаи, когда ситуация при помощи этих средств либо не может быть описана, либо - отнесена к какому-либо классу. В этом .случае предлагается модификация и развитие теоретического аппарата сетей Петри для построения функциональной модели ПСС.

Модификация сетей Петри представлена в виде совокупности множеств N = (Т, Г, I, О, М,/,/, /;, К , /1„), где Г- множество переходов (множество событий), которые могут возникнуть в производственной системе;/' - множество позиций (условий), каждое из которых соответствует определенному подмножеству переходов в качестве "пред-" или "пост" -условий выполнения того или иного события; Д/ - интервал времени имитации;/-функция графика наполнения сети маркерами;/, р-фупкции состояния переходов и позиций сети; А' - множество времен окончания обработок переходов, возбужденных в текущий момент времени; //„- начальная маркировка модифицированной сети Петри.

Процесс обеспечения выполнения транзакций на каком-либо участке системы описывается при помощи графика питания сети через множество

входных позиций />, = (_) / (г,) в дискретные моменты времени ( ', ) маркерами определенного цвета ( СМ ) /, = / (/,, СМ , 1\ ) .

Текущая ситуация на момент времени начала имитации (г „ ) описывается при помощи начальной маркировки сети: ^ „ = и ,(Р . см ) , то есть фиксируется состояние множества Р на момент начала имитации. ..

Каждому переходу Т1 соответствует совокупность характеристик

Временные характеристики у-го перехода описываются с помощью вектора IV = (1У, ......, где и- у - время ^го перехода для маркеров 1-го

цвета (I -го вида). В производственных системах существует множество событий с параллельной обработкой (например, одновременная или параллельная обработка нескольких деталей на одном станке), поэтому будет целесообразно ввести в качестве характеристики перехода - вектор СР1 = (СРХ/,..., СР Л1) , где СРЦ -ограничение числа параллельных обработок у-го перехода для / -го цвета.

В производственной системе всегда может возникнуть конфликт за ресурс. Для разрешения подобного рода ситуаций предлагается использовать способ формирования приоритетов конфликтующих переходов. Обозначим Рг( - приоритет } -го перехода.

В свою очередь, каждой / -й позиции Р1 соответствует совокупность характеристик р = (се^ССВ,), где характеристика СВЬ - ограничение количества маркеров ; -го цвета в позиции или, другими словами, это ограничение количества одновременных выполнений у-го условия для маркеров / -го цвета.

Количество маркеров / -го цвета в данный (текущий) момент времени в позиции можно отразить при помощи следующей характеристики: СВВ ) = {СВВ СВВ щ ) ,

где СВВ ,у - количество маркеров ; -го цвета в j -й позиции. Таким образом, рассматриваемая модифицированная сеть Петри является объемной.

Кратность связей можно выразить при помощи двух массивов:

I = ||/,;,„ | - входных инциденций, каждым элементом которого является кратность связи между / - м переходом и }- й позицией для п-го цвета;

О — ||с<> | - выходных инциденций, каждым элементом которого является кратность связи между / - м переходом и _/- й позицией для п-го цвета.

Далее следует остановиться на предлагаемых правилах функционирования моделей, построенных на базе модифицированных сетей Петри:

Правило 1."Условия срабатывания переходов". Переход Т1 может быть возбужден (событие может начать выполнение) для /' -го цвета, если: для него выполнены соответствующие ему предусловия; истинно CPt > PCP,rVi е {1,.., jV} ;

для л-го цвета выполняется модификация правила "жесткого перехода": СВД ,„ > Ia„yj : Pj б 1(Т,) ,С/Ш„( ( <Я,„ > CB„;,Vy : Р, 6 0(Т,), где/(Г,),Ь(Г,) - соответственно множества пред- и постусловий для перехода Т, ;

при возбуждении ;-го перехода для n-го цвета время окончания работы перехода /^„заносится в список времен возбужденных переходов, при этом из каждого j - го предусловия изымается количество меток данного цвета, равное l,jn , а также РСР„ := PCP,. +1 ;

при завершении срабатывания / -го перехода для п -го цвета время окончания работы перехода А',„ исключается из списка времен окончания возбужденных переходов, при этом для каждого j - го предусловия выполняется CCD ;„ := ССВ + О m , а также РСР„ := РСРШ -1.

Правило 2. Дополнительные маркеры во входных позициях перехода Т,, кроме необходимых для выполнения первой части "жестких правил перехода", не влияют на срабатывание перехода.

Правило 3. Переход может сработать всякий раз, когда он разрешен. При этом срабатывание перехода может произойти (в течение времени имитации) через любой конечный промежуток времени после его разрешения, т.е. переход может быть в разрешенном состоянии сколь угодно долгое (в течение периода имитации), но конечное время, после чего он сработает, либо возбуждение с него снимется срабатыванием другого перехода.

Правило 4. Если два разрешенных перехода Т, и Т не владеют совместно одними и теми же входными и выходными позициями ¡(T,)n,I(Tj) = 0,O(T,)r\O(Tl) = 0, то они могут сработать одновременно, независимо друг от друга.

Правило 5. Если два или более переходов имеют общие предусловия и могут возбудиться одновременно, то вопрос о разрешении одного из них решается, как было указано выше, путем сравнения их приоритетов.

Правило 6. Если переход не может разрешиться вследствие невыполнения первой части "жесткого условия перехода", то для соответствующего цвета время окончания обработки на предыдущем переходе приравнивается ко времени наполнения маркерами данного цвета соответствующего предусловия для рассматриваемого перехода.

Укрупненно алгоритм имитации может быть представлен следующим образом.

1. Проводится инициализация информационных структур. Структура ссти формируется посредством следующей информации (Р,Т.1,(),СМ) .

2. Текущее состояние описывается совокупностью < /;„,К >. Запрашиваются iu,„ - время конца имитации, приоритеты Рг( переходов, а также график-времен "питания" входов системы {/}. -л

3. В списке {/} ищется элемент = (/,*,//), для которого время насыщения /," является самым близким, то есть минимальным в общем списке. В списке {А.'} - времен окончания работы переходов также ищется минимальный элемент Kmm - min{À'}.

4. Затем проверяется /,""" < Kmln, если неравенство истинно, переход к шагу 5, иначе переход к шагу 6.

5. Анализ i -й позиции для j -го цвета.

6. Анализ возбужденного i -го перехода для п -го цвета на окончание функционирования.

7. Если переход может закончить функционирование, то переход к шагу 11, иначе к шагу 14.

8. Если (С.ВВ'и + /,'') < СВц . то переход к шагу 9, иначе к шагу 10.

9. СВВ ч СВВ+ /2" ; //' . Анализ переходов, для которых j - я позиция входит в набор предусловий. Включение времени окончания / -го перс-хода, который может быть возбужден, в {ЛТ}. Изъятие меток п -го цвета из у'-й позиции, то есть: CBIS ;„ = СВВ ,„ - /„„ ; PCP „ = PCP ,„ + 1 .

10. f ¡j - исключается из списка {/} , К исключается из {/Q.

11. Для каждого у-го постусловия имеет место: СВВ г, = СВВ m + Оп„ , PCP m = PCP ш - 1 ,/,„, = /," .

12. Для каждого у-го постусловия перехода i выполняются следующие действия: производится анализ всех переходов, для которых ; -я позиция является предусловием; если какой-либо переход "возбуждается", время окончания его функционирования включается в {К}, и выполняются все действия, связанные с возбуждением перехода.

13. Если tmeK < tKOn > то переход к шагу 3, иначе переход к шагу 15.

14. Процедура разблокирования.

15. Выдача результатов имитации.

В третьей главе излагается алгоритм рационального многоальтернативного выбора управляющего вывода; рассматривается информационно-структурная модель функционирования АЭСУ.

Принятие решения о выборе управляющего вывода ЭС (УВЭС) связано с решением задачи оптимального выбора единственно правильного решения. При этом решение должно указывать на степень уверенности в принимаемом решении. Рассмотрим процедуры для определения оценки предпочтительности многоальтернативного выбора па множестве дискретно распределенных критериев.

Пусть В = -множество ситуаций, отображаемых на множество

И - 1

Л1

А = \^а11 . Каждая ситуация (альтернатива) определяется дискретным набором

количественных значений критериев Р(1,п), где / = ),/ -индекс критерия;

п = \,Ы -индекс альтернативы. Критерии Р(/,л) образуют ряд дискретных рас/ ^_

пределеннй на количественной шкале критериев Е , причем

1=1

Предполагается', что для данных распределений принцип монотонности, т.е. предпочтительность принятия альтернативы ап при оценке ситуации Ьп монотонно растет (убывает) по мере роста (убывания) соответствующих оценок Ра.а) на шкале /." . Обозначим К„ -степень предпочтительности лль-

.V

тернативы о„ перед прочими. Величину .V = 1 - ^ Л„ будем интерпретировать как степень интегральной тождественности альтернатив.

При введенных обозначениях и зависимостях возможно следующее моделирование ситуации размытых отношений предпочтений:

строгое предпочтение: Л, ^ 1, = 0, 5 = 0, Ул = 1, Ы, п * к ; тождественность: Я„ = О,Л" = 1, V» = ;

большая предпочтительность: Кк + .V = 1, Я, > 5, Я„ = О, V« = 1,Л',я * к ; возможная предпочтительность: > Я, Л, > Я„, V« = 1, N, п ф к ; отсутствие предпочтительности: 5 > Ки, 5 ф 1, \/п --1, N ; безразличие: - + г, ,5 < 0.5, V/? = 1, N,п * к , гдей' -степень недоверия, т.е. некоторым образом заранее определенная величина рассогласования при сравнении.

Вычисление численных оценок степени предпочтительности альтернатив /?„ и их интегральной степени тождественности я сводится к следующим процедурам.

Процедура 1. Значения критериев Р{1,п) нормируются к единице:

£ />(/.»>

и ранжируются в порядке убывания значимости.

Процедура 2. Проверяется условие P{i,n) * 0, Vn , и если оно не выполняется для какого-то альтернативного распределения, то наращивается на единицу значение соответствующего индекса / , и если / < 1, V и , то проводится повторная проверка условия процедуры 2.

Процедура 3. Если условие процедуры 2 ВЫПОЛНЯЕТСЯ И i < / , V п » ъ для заданных i определяются и min />(/, л), V« , и если все индексы / равны, то вычисляется значение S - S + и ; если индекс / единственной альтернативы меньше прочих, то вычисляется значение R,t = /?„ + и ; если индексы / нескольких к альтернативных распределений совпадают и меньше прочих

(прочего), то для этих альтернатив вычисляются соответствующие оценки *. = &. + и/к.

Процедура 4. Для заданных / распределений вычисляются новые значения P(i, п) = /'(/, л) - и, V л .

Процедура 5. Если / < /, v п , возврат к процедуре 2, иначе выход. Заметим, что оптимальный выбор признакового пространства в значительной мере обеспечивает эффективность и качество функционирования систем -"выбора УВЭС. Критерием оптимальности является минимизация числа оцениваемых параметров при условии обеспечения достаточной информативности выбранной параметрической системы. Для этого вводится приведенная непараметрическая оценка степени сходства, вычисляемая следующим образом: значения признаков p,,q„ альтернатив сравнения а а ч приведем к

единице : р ; = р Г „ ; Ч » = Я „у^Х Ч „ , т.е. формируются два

дискретных распределения признаков р,,,ц„ с суммарными весами, равными единице, i, = Z 9, = аналогично расстоянию по Хэммингу оп-

V г V п

ределяется интегральная разница в значениях нормированных признаков распределений d = \р1 ~ ч!|вычисляется значение степени сходства

V/,

S = \ - d .

Данный метод по сравнению с другими методами минимизации информативной избыточности наиболее прост и доступен для алгоритмизации.

Основой АЭСУПСП является структурная модель управления, которая отражает в себг общие концепции построения автоматизированной системы и взаимодействия ее основных частей (рис.1). Можно выделить две основные категории задач, решаемых в ходе функционирования АЭСУПСП: настройка на конкретную ПСС и формирование управляющего вывода. Данные <атегории, в свою очередь, могут быть представлены в виде следующих подзадач:

Рис. I. Структурная схема управления Г1СП

моделирование: описание текущего состояния ПСС; формирование и коррекция классов однозначных ситуаций; формирование и коррекция модели имитации функционирования; формирование и коррекция СМДО; имитация функционирования Г1СП.

задача поддержки принятия решения: поиск управляющего вывода в случае однозначных ситуаций; многоальтернативный поиск; классификация управляющего вывода; классификация правил.

Все этапы функционирования АЭСУПСП связаны с переработкой информации. Таким образом, разработку и анализ структурной модели необходимо проводить на основе системного подхода и анализа ПСС. Эю позволяет выработать единый методологический подход к автоматизации экспертной системы управления ПСП, заключающийся в следующих этапах: декомпозиции процесса управления на подсистемы; определении задач для каждой подсистемы; формировании взаимосвязей между подсистемами; рассмотрении взаимосвязей подсистем с внешней средой. Отличительной характеристикой рассмотренной выше структурной схемы АЭСУПСП является то, что здесь оптимальное управление выбирается в зависимости от возникающих в процессе функционирования ПСП ситуаций.

Взаимосвязь решения задач по управлению ПСП описывается при помощи структурной модели АЭСУ, которая представляет логику процесса и является, по сути, информационным графом программного приложения системы.

Четвертая глава содержит обоснование выбора среды разработки программного комплекса АЭСУПСП, описание практической реализации разработанных алгоритмов функционирования АЭСУПСП, результаты апробации системы в условиях производства швейных изделий.

Создание информационно-структурной модели, определение: функций и взаимосвязей программных модулей и содержания информационного обеспечения определило основные требования к среде разработки и приложению (ППП) АЭСУПСП. Механизмы доступа к данным, реализованные в Delphi C/S, позволяют обеспечить эффективный доступ как к локальным, так и к удаленным базам данных . Задача репликации фактически сводится к организации передачи данных от клиента к серверу и обратно. Delphi поддерживает связанные курсоры в гетерогенных базах, что позволяет сформировать запись из таблиц, которые могут находиться даже на разных концах земного шара. Кроме того, возможно объединить данные, полученные от различных серверов, в одно SQL,-выражение.

Исходя из основных задач, решаемых в ходе функционирования АЭСУПСП, и требований к ШШ АЭСУПСП можно определить структурную схему технической реализации системы управления (рис.2 ).

Управление ПС

Средства ЭСУПС

Формирование и коррекция 1ругпы однозначных ситуаций

Формирование и коррекция СМДО

Формирование и коррекция с пеной имитационной модели

Описание однозначной ситуации и принятие решений я ог,позначных ситуациях

Опнса:ше однозначной ситуации на СМДО__

Описание однозначной ситуации ___11а.имш;ццюшки1л!0,1еш—_

Генерация вариантов управляющих вызолов на СМДО

Генерация вариантов УВ на имитационной модели

"ТЯнш-оальтернаптиыТГпоиск

]

\

Интерфейс

Диалоговый режим

Информационно справочная система

Средства графики

Генератор отчетов

Средства обработки данных

База знании и данных

СУБЗ

СУБД

БЗ

БД

Ряс.2. Структурная схема программной реализации АЭСУПСП

На практике АЭСУПСП была включена как часть в АСУ швейного предприятия "Славянка" для автоматизации программного комплекса "Маршрутный лист" , что подтверждено соответствующими актами. Во время функционирования АЭСУПСП в рамках комплекса решались задачи настройки на реальное производство, описание текущей ситуации, генерация вариантов управляющих выводов. Многоальтернативный поиск проводился непосредственно ЛПР.

Построение имитационной модели функционирования движения информационных и материальных потоков на основе модифицированных сетей Петри происходило по следующим этапам:

изучение особенностей задачи "Маршругный лист"; выделение событий, происходящих в исследуемой системе, условий их возникновения и причинно-следственных связей между ними.

Имитационная сетевая модель рассматриваемой задачи показана на рис.3. Функциональные назначения условий и переходов указаны в таблице .

Описание переходов и условий сетевой модели имитации функционирования движения материалов и готовых изделий задачи "Маршрутный лист"

Наименование позиции Функциональное значение позиции Наименование перехода Функциональное значение перехода

р\....... материалы готовы поступить на склад события, происходящие на складе

Рг изделия готовы к отгрузке со склада <1 обработка материалов в раскройном цехе

Р3 лоскут готов к уценке <> комплектация кроя для передачи в швейный цех

я;......... ткань готова поступить п раскройный цех 1, обработка кроя в швейном цехе

л!........Л" крой для предприятий-снежников готов поступить на склад комплектация изделий по соответствующим признакам

1 N Р>'.......Ре крой готов для комплектации

/>7 запасы кроя готовы для обработки п швейном цехе

р« крой готов для обработки в шзейиом цехе

Р; изделия готовы для комплектации

1 г .V Р\э.......>Р 10 изделия готовы поступить на склад

построение модифицированной сетевой модели для имитации. В ходе генерации вариантов управляющих выводов выявлялись следующие ситуации: различная загрузка некоторых участков структурной схемы задачи, недостаточное количество комплектов на складе, срывы графиков "пополнения" позиций сети, и, вследствие этого, простой отдельных участков.

По оценкам специалистов предприятия, внедрение в управление движением материалов элементов АЭСУПСП даст возможность стабилизации функционирования производства и ускоряет производственный процесс в целом.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ существующих программных средств управления, их структуры и возможностей. Исследована специфика ПСС и выбора стратегии управления рынком. Выявлена малоэффсктивность применения традиционных средств для автоматизации многокритериального управления ПСС.

2. Предложен алгоритм, обеспечивающий генерацию управляющих выводов путем имитации процессов управления производственными процессами,

автоматизированную поддержку принятия решении в условиях функционирования экспертной системы управления Г1СП.

3. Разработан способ представления знаний в виде дискретных сетей классов условии и правил, на основе которого построена доска объявлении ЭС.

4. Построена модель, позволяющая осуществить выбор управляющего воздействия на основе рационального многокритериального выбора.

5. На основе системного анализа построена структурная модель АЭСУПСП, которая реализует решение основных задач экспертного управления.

6. Определен состав и построена структура алгоритмического, информационного и программного обеспечения АЭСУПСП.

7. Разработано программного обеспечение в виде программного комплекса АЭСУПСП, позволяющее решать следующие задачи: построение формализованных моделей управления производством; настройку системы управления на конкретное производство; описание текущей си туации при помощи аппарата ЭС и модифицированных сетей Петри; осуществление поиска управляющих выводов; реализацию рационального многокритериального поиска управляющего воздействия; сохранение информации в случае возникновения сбоев* в функционировании системы.

8. Применение разработанных моделей, алгоритмов и программ в условиях производства швейных изделий существенно снизило затраты на производство, ускорило обработку информации и создало годовой экономический эффект 143 313,6 р.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. КриЕинец В.В., Черняев Е.П.. Модификация сетей Петри для функционирования дискретного производства // Материалы XXXV отчетной конференции за

1996 г.: Тез докл. Воронеж: ВГТА, 1997. С. 151.

2. Применение сетевых моделей для моделирования производственно - сбытовой системы / 51.Е. Львович, В.Н. Родионова, Н.В. Федоркова, Е.П, Черняев // Информатика - Машиностроение. № 1(19). 1998. С. 21 - 23.

3. Львович Я.Е., Федоркова Н.В., Черняев Е.П.. Моделирование лроизводет-веино-сбытовой модели на основе сетевых моделей // Высокие технологи,-i в технике, медицине и образовании: Межвуз. сб. научи, тр.. 4.1 - Воронеж: БГТУ, 1997. С.24-29.

4. Львович Я.Е., Черняев Е.П.. Алгоритм расстановки приоритетов при планировании ассортимента фирмы // Высокие технологии в технике, медицине и образовании: Межвуз. сб. научи, тр. Ч.З - Воронеж, 1997. С. 159 -164.

.5. Львович Я.Е., Черняев Е.П.. Сетевое моделирование правил припягтя решений в экономической системе // Математическое обеспечение информационных тех-

пологий и технике, медицине и образовании: Тез. докл. Всерос. con. - сем.. 4.1 -Воронеж, 1997. С. 4.

6. Стеианшцев В.А., Черняев Е.П., Кривинец В.В. Сетевая модель представле-f ния знаний о классах ситуаций на основе фреймов // Молодежь и проблемы информационного м экологического мониторинга: Тез. докл. - Воронеж: ВГТЛ, 1996. С.53.

7. Черняев Е.П.. Сетевое моделирование в информационных системах с обратной связью// Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы: Тез. докл. Всерос. научно-техн. конф. студентов, молодых ученых и специалисте в. Рязань,1997. С 49.

8. Черняев Е.П., Кривинец В.В.. Применение систем типа "клиент - сервер" в условиях швейного производства // Высокие технологии в технике, медицине и образовании: Межвуз. сб. научн. гр. 4.2-Воронеж, 1997. С. 143 -147.

9. Черняев И.П., Федоркова Н.В.. Применение сетевых моделей в информационных системах с обратной связью // Математическое обеспечение информационных технологий в технике, медицине и образовании: Тез. докл. Всерос. сов. - сем 4.1 -Воронеж, 1997. С. 17. /

Л1' №020419 от 12.02.92. Подписано в псчать28.09.98. Бумага для множительных аппаратов. Формат 60x84/16. Усл. печ. л 1,0. Уч.-изд. л. 0,8. Тираж 85 экз. Заказ № Издательство

Воронежского государственного технического университета 394026 Воронеж, Московский проспект, 14.

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Черняев Евгений Петрович

АЛГОРИТМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННО - СБЫТОВЫМ ПРОЦЕССОМ НА ОСНОВЕ ИНТЕГРАЦИИ СЕТЕВЫХ МОДЕЛЕЙ И КОМПОНЕНТОВ ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМ

Специальности 05.13.07 - Автоматизация технологических

процессов и производств 05.13.10 - Управление в социальных и экономических системах

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель

науки РФ, д-р техн. наук, проф. Львович Я.Е.

ДИССЕРТАЦИЯ

ВОРОНЕЖ 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................... 1

ГЛАВА 1. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ

УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННО- СБЫТОВЫМИ СИСТЕМАМИ НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ.............. 12

1.1 Анализ методов моделирования и оптимизации для управления автоматизированным производством........................................................................ 12

1.2 Требования к математическому обеспечению функционирования автоматизированного производства в рыночных условиях............................ 25

1.3 Цели и задачи исследования.................................. 37

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СЕТЕВОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННО СБЫТОВЫМ ПРОЦЕССОМ НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ...................... 39

2.1 Содержательное описание автоматизированной экспертной системы................................................ 39

2.2 Формализация способа представления знаний автоматизированной экспертной системы с использованием сетей Петри.................................... 47

2.3 Алгоритм имитационного моделирования процесса функционирования ПСС.............................. 51

Выводы второй главы............................................ 69

ГЛАВА 3. АЛГОРИТИМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СИСТЕМОЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЕТЕВЫХ МОДЕЛЕЙ.................................. 70

3.1 Алгоритм оптимального многоальтернативного выбора управления процессами производства и 70 маркетинга..............................................................

3.2 Структурная модель АЭСУПСП.......................... 80

3.3 Структура программного обеспечения

АЭСУПСП.............................................................. 93

Выводы третьей главы............................................ 102

ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ

ПРИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА

ШВЕЙНЫХ ИЗДЕЛИЙ.............................................. 103

4.1 Выбор и требования к программные средствам моделирования и оптимизации.............................. 103

4.2 Структура автоматизированной системы с использованием программных средств моделирования и оптимизации.............................................. 108

4.3 Апробация разработанного программно-алгоритмического комплекса в условиях швейного производства................................................. 115

Выводы четвертой главы........................................ 119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................. 121

ЛИТЕРАТУРА............................................................................... 123

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.......................................................................... 133

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.......................................................................... 171

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.......................................................................... 172

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Формирование рыночных отношений в условиях современных экономических преобразований объективно вызывает необходимость внедрения в систему хозяйствования программных систем различного функционального назначения, которые способствуют повышению эффективности производства и управления технологическими процессами и маркетинговыми исследованиями. Однако при их внедрении в производство возможно возникновение трудностей, связанных с его спецификой, в том числе и с наличием большого количества альтернативных вариантов управления, отсутствием точных математических методов и алгоритмов оптимизации процессов управления деятельностью фирм. Многообразие же форм механизмов управления кроме того требует создания таких автоматизированных систем, которые могли бы быстро настраиваться на любую производственную ситуацию. В то же время они должны включать в себя инструментальные средства, которые позволяли бы учитывать индивидуальные особенности конкретной экономической системы. Это вызывает необходимость в разработке систем автоматизации нового качественного уровня на базе современных средств управления и математического аппарата.

В настоящее время мощное развитие получила такая область искусственного интеллекта (ИИ) как экспертные системы (ЭС). В их основе лежат программы, предназначенные для представления и применения фактических знаний из специальных областей. Например, совместные усилия экспертов-людей и разработчиков систем позволили создать системы, которые подбирают конфигурации различных производственно-сбытовых систем, диагностируют свойства объектов и т.п. Осознание полезности систем, которые могут копировать дорогостоящие или редко встречающиеся человеческие знания, привело к повсеместным усилиям расширить и

применить эту технологию. Мощное развитие получил также математический аппарат сетевых моделей при разработке имитаций систем, в которых имеют место параллельные процессы обработки информационных потоков. Таким образом, актуальность работы определяется необходимостью разработки алгоритмического и программного обеспечения систем автоматизации управления производственными процессами с учетом их функционирования в рыночных условиях.

Работа выполнена в соответствии с Программой 12.11 " Перспективные информационные технологии в высшей школе" в рамках одного из основных научных направлений Воронежского государственных технического университета " САПР и системы автоматизации производства".

Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка автоматизированной экспертной системы эффективного управления производственно-сбытовыми процессами в условиях современных экономических отношений на основе сетевых моделей.

Поставленная цель обуславливает необходимость решения следующих основных задач:

исследование специфики автоматизации производственного процесса с учетом использования экспертной системы и сетевых моделей при решении задач управления в рыночных условиях;

выбор способа представления знаний и формирование механизмов взаимодействия экспертов и ЭС для анализа взаимосвязи этапов маркетинга и изготовления изделий и принятия решений по управлению производственно-сбытовыми процессами (ПСП);

разработка сетевой модели функционирования производственно-сбытовых процессов, генерации вариантов рационального многоальтернативного выбора управляющих воздействий и алгоритма функционирования системы управления автоматизированным производством;

разработка алгоритма функционирования имитационной модели процессов ПСС;

построение структурной модели автоматизированной экспертной системы управления производственными процессами (АЭСУПСП);

реализация результатов в виде комплекса программных средств и его внедрение в условиях производства швейных изделий.

Методы исследования. В качестве теоретической и методологической основы диссертационного исследования использованы методы системного анализа, теория управления, теория сетей Петри, аппарат теории множеств, методы математического программирования и построения экспертных систем.

Научная новизна. В результате проведенного диссертационного исследования получены основные результаты, характеризующие его научную новизну.

1. Структурная модель автоматизированного управления ПСС в рыночных условиях, отличающаяся интеграцией математического аппарата сетевых моделей и экспертных систем.

2. Алгоритмические процедуры, обеспечивающие управление выводом во время процесса принятия решения по управлению в неоднозначных ситуациях путем имитационного моделирования при помощи предложенной модификации аппарата сетей Петри и реализующие рациональный многоальтернативный выбор управляющего воздействия.

3. Алгоритм имитационного моделирования функционирования ПСС, обеспечивающий генерацию вариантов управляющих выводов путем имитации процессов управления производственно - сбытовыми процессами, интеллектуализацию принятия решений в условиях функционирования экспертной системы управления ПСП.

4. Способ представления знаний в виде дискретных сетей классов условий и правил, позволяющий производить описание ситуации для этапов

маркетинга и изготовления изделий, ее классификацию (при помощи соответствующих условий и правил), а также поиск управляющих воздействий.

Практическая значимость и результаты внедрения. В результате исследования разработан пакет прикладных программ (ППП), использование которого целесообразно для решения задач внутрипроизводственного планирования технологических процессов, эффективной генерации решений по управлению ПСП, автоматизации ЭС в условиях функционирования ПСС.

Диссертация выполнялась в рамках создания комплекса алгоритмических и программных средств по управлению технологическими процессами и маркетинговыми исследованиями швейного предприятия.

Результаты исследования внедрены на предприятии швейной промышленности ЗАО ПК "Славянка" с фактическим экономическим эффектом 143 313,6 руб. и подтверждены соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях, семинарах и совещаниях: Всероссийском совещании - семинаре "Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине" ( Воронеж, ВГТУ, 1997, 1998); Российском молодежном научном симпозиуме " Молодежь и проблемы информационного и экологического мониторинга " (Воронеж, ВГТА, 1996); Всероссийской научно - технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов " Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы " (Рязань, 1997); Международной научной конференции (школа молодых ученых и специалистов) "Системные проблемы надежности математического моделирования и информационных технологий" ( Москва - Сочи, 1997); семинарах кафедры "Системы автоматизированного проектирования и информационные системы "; ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного технического университета.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах, перечень которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Основная часть диссертационной работы состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения, изложенных на 122 е., списка литературы (104 наименования) на 10 е., 2 приложений на 41 е., содержит 20 рисунков, 1 таблицу.

Во введении обосновывается актуальность работы, дается ее краткая характеристика, показывая основные пути решения сформулированных проблем.

В первой главе диссертационного исследования рассматриваются особенности автоматизации производственных процессов дискретного производства; анализ выбора управления рыночной стратегии; анализ методов описания структуры объектов системы и представления знаний; возможность применения к решению поставленной задачи различных математических методов оптимизации управления производственными процессами и процессами управления рынком продукции ; исследуется сущность процесса подготовки, принятия и реализации решения по управлению , внешние и внутренние факторы, определяющие состояние системы управления ; анализируются математические характеристики моделей управления ПСС; обосновывается выбор математического аппарата (аппарат сетей Петри и ЭС), используемого при построении модели управления.

В качестве особенностей автоматизации процессов управления рассматриваются:

многообразие функциональной структуры, что выражается в большом количестве структурных элементов и сложной взаимосвязи событий, происходящих в системе;

динамичность - быстрая смена состояний системы управления в процессе ее функционирования;

стохастичность ПСП;

сложная инфраструктура рынка сбыта;

многокритериальность управления - каждой ситуации соответствует свой частный вектор критериев управления, который с переходом к другой ситуации изменяется;

необходимость высококвалифицированных экспертов, как неотъемлемой части процесса функционирования системы; частая сменяемость номенклатуры изделий.

В качестве анализа методов представления знаний и функциональной структуры объектов системы управления представлен анализ основных аспектов концептуального построения экспертных систем: правила, фреймовые структуры, семантические сети, логика предикатов, нечетких знаний; также рассматриваются этапы построения ЭС. Среди направлений по решению проблемы оптимального управления дискретным производством анализируются задачи теории массового обслуживания, теории расписаний, теория графов, теория имитационного моделирования. Среди направлений по решению проблемы оптимального управления рыночной стратегией рассматриваются модели принятия управленческих решений по формированию хозяйственного портфеля предприятия.

Во второй главе диссертационного исследования производится содержательное описание структуры ЭС и функционального взаимодействия ее элементов, предлагаются принципы классификации условий и правил в условиях ЭСУПСП, механизм взаимодействия эксперта и экспертной системы в случае возникновения неоднозначной ситуации во время выполнения процесса управления; на основе представления знаний при помощи правил представлены: модель представления знаний о причинно - следственных связях между условиями ситуаций и управлением выводом для группы однозначных условий, сетевая модель представления знаний по управлению выводом при условии деления условий и правил на классы по типу модели представления знаний "доска объявлений". Излагается алго-

ритм имитации функционирования информационных потоков ПСС с учетом математических особенностей причинно-следственных закономерностей взаимодействия элементов сетей Петри; предлагаются пути разрешения возможных конфликтных ситуаций на основе определения приоритета того или иного информационного потока, а также пути возбуждения выполнения событий в условиях тупиковых ситуаций.

Заметим, что в качестве разделения условий на классы предлагается деление на условия однозначных ситуаций, где управление выводом производится на основе уже определенной для данного класса условий совокупностью правил и условия неоднозначных ситуаций, где для определения управляющих воздействий возможно включение эксперта в процесс обучения ЭС. Также следует отметить, что представление причинно-следственных отношений между классами условий (антецедентов) и классами правил (консеквентов) в виде сетевой модели помогает унифицировать описание глобального функционирования системы на языке сетей Петри. Также предлагаются методы сужения пространства критериев управляющих выводов, что способствует оптимизации управления системой.

В третьей главе определяются процедуры алгоритма рационального многоальтернативного выбора для совокупности управляющих выводов. Рассматривается информационно-структурная модель функционирования АЭСУПСП, содержащая логические схемы решения основных задач управления ПСП, что дает возможность определения информационного, алгоритмического и программного обеспечения системы. Определяются задачи решаемые ходе функционирования АЭСУПСП: настройка системы, описание текущей ситуации, поиск управляющих выводов системы, многоальтернативный поиск среди найденных решений.

Четвертая глава содержит обоснование выбора программной среды разработки приложений построенной ЭС; рассмотрение требований к

ППП, осуществляющему поддержку ЭС; описание программных средств моделирования и оптимизации сетевой модели; определение структуры АЭСУПСП. В данной главе также рассматривается программная структура автоматизированной системы и производится анализ эффективности разработанной системы и ее программных характеристик, приводятся результаты апробации системы в условиях производства швейных изделий.

При рассмотрении требований к ППП особое внимание уделяется следующим аспектам:

- обеспечению формирования и коррекции описания однозначных ситуаций;

- осуществление формирования и коррекции фрагментов ЭСУПСП и сетевой модели функционирования ПСС;

- поддержание режим отслеживания системы в течение длительного времени;

- проведение генерации управляющего вывода путем имитации функционирования ПСС.

Также рассматриваются такие вопросы выбора средств разработки, как переносимость продукта на различные платформы, гибкость языка разработки приложений ЭС, применимость приложения при работе в ЛВС предприятия, гетерогенность структур хранения данных и знаний ЭС.

В заключении рассмотрены основные результаты работы.

В приложениях приведе�