автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Исследование и разработка интегрированной системы динамических моделей функционирования и управления производством

Ленинградский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции электротехнический институт им. В.И.Ульянова(Ленина)

На правах рукописи

Низачутдинов Олег Беланович

йССЛеДСВА!Ш Л РАЗРАБОТКА ШТгГРЛРОВАННОЯ СИСТййЫ Д/1НАМ.ШСК/а ЫОДЕШ гУНКЦИОНИРОВАНШ И УПРАБЛШЯ

производством

Специальность: 0b.I3.06 - Автоматизированные системы

управления

АВТ0РЁ52РАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 1992

Работа выполнена в Пермском политехническом институте.

Официальные слгкн:,'нгы:

fljKi ур технических наук профессор Заикин O.A. доктор технических наук профессор Сизов В.Е. доктор технических наук профессор Фомин Б.Ф.

Ведущая организация - Научно-производственное объединение "Парма".

на заседании специализированного совета Д 063.3o.04 Ленинградского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции электротехнического института им. Б.11.Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " Сы^рвдД 1992 г.

Защита состоится

часов

Ученый секретарь специализированного совета

Аветов Ю.В.

- I -

0Б1ДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одной из важнейших задач строительства нового общества продолжает оставаться задача создания материально-технической базы, которая обеспечивала бы гармоническое развитие человека. Полнота удовлетворения потребностей членов общества обусловлена как совершенством технологий производства материальных ценностей, так и совершенством механизма управления общественным производством, которые непрерывно развиваются.

Одно из эффективных направлений повышения качества механизма управления производством связано с созданием эффективных математических моделей и применением электронных вычислительных машин.

Задача управления производством с использованием ЭВМ разрабатывалась в СССР и за рубежом с использованием ЭВМ П-го поколения, то есть с начала 60-х годов, и с тех пор данный вопрос остается чрезвычайно ватаым для нашего общества.

Эффективность использования дорогостоящих средств вычислительной техники зависит от разработанного для них программно-алгоритмического обеспечения, в основе которого лежит формально -математическое представление об объекте.

Проблемы математического моделирования объектов применения ЭВМ, в частности автоматизированного управления, продолжают оставаться в поле зрения большого круга ученых и специалистов в СССР и за рубежом. Учитывая, что эффективность существующих комплексов автоматизированного управления производством оставляет желать лучшего, считать проблему создания математических моделей управления производством решенной, вероятно, рано. Огромная важность проблемы математического описания объектов управления и методов ее решения привлекала внимание и остается в поле зрения ведущих ученых и спецлалистоз страны, среди которых основополагающими являются труды А.А.Вавилова, А.А.Воронова, И.М.Бобко, Н.П.Бусленко, А.Г.Бутховского, Д.Н.Гвишиани, В.М. Глупкова, С.В.Емельянова, А.А.Красовского, Н.Н.Красовского, А.Г.Мамиконова, Г.И.Марчука, В.А.Мясникова, С.Б.Михалева, H.H. Моисеева, А.А.Первозванского, В.И.Плесхунина,Г.С.Поспелова, В.А.Рейнера, В.Н.Скурихина, Б.Я.Советова, В.А.Трапезникова,

B.Н.Четверикова, В.В.Шкурбы, В.Б.Яковлева и других ученых.

К настоящему времени оформилось несколько направлений разработки систем математических моделей управления производством.

Наибольшее внимание в исследованиях, связанных с построением моделей управления в материально-производственных и сложных системах в целом, уделяется методам синтеза управления.

Вопросам же исследования структуры модели сложной системы как объекта управления, анализа с позиций теории управления переменных состояния, возмущающих воздействий, возможных управлений, исследованию динамических свойств сложных объектов как проистранственно-временных систем, внимания уделяется недостаточно. Можно констатировать, что уровень модельно-алгоритмичес-кой проработки управляющей части сложных систем существенно превосходит соответствующею проработку модели объекта управления. Это фактически соответствует чрезмерно упрощенному, неадекватному по уровню описания модели об ьекта, модели системы управления. Это может служить причиной недостаточной эффективности исследуемых и разрабатываемых систем управления.

Известные работы советских и зарубежных авторов, посвященные исследованиям моделей объектов сложных систем - П.л.Ватник,

C.А.Думлер, Л. И. ^ельцер, В.Л.Николаев, и. А.Первин, Н.Ф.Сытник, Б.С.Флейшман, А.д.Двиркун, Дж.Клир, Д.Форрестер, С.Джонсон, Х.Штан- посвящены, как правило, разработке избранной ими концепции представления сложной материально-производственной системы; полученные в направлениях исследований этих разот результаты до настоящего времени не позволили получить целостного, интегрированного восприятия модели материально-производственных систем. В работах л.н.Первозванского, Б.С.Флейшмана, В.Б.Яковлева разрабатываются модели сложных объектов динамического характера. Данная работа в значительной мере является развитием исследований, проводимых в ДЭТИ школой академика Российской инженерной академии профессора Советова Б. Я.

Основные направления исследований, выполненных в работе, связаны с решением следующих задач:

I. Построение интегрированной структуры модели материально-производственной системы, позволяющей решать задачи связанного управления на основных традиционных уровнях управления

- 3 -

производством - межцеховом, внутрицеховом.

2. Выбор формально-математических методов описания, отражающих пространственно-временные динамические свойства объекта и отношения между его компонентами

3. Синтез управления объектом на базе адекватного модельно-математического описания, удовлетворяющего достаточно слокной системе критериальных композиций.

Таким образом, учитывая недостаточное развитие формально-математических и структурных методов описания производственных объектов, и в целях построения эффективного автоматизированного управления производством, в диссертационной работе ставится задача разработки интегрированной структуры математической модели функционирования и управления материально-производственной системы.

Целью диссертационной работы является разработка интегрированной системы моделей динамики процесса производства и алгоритмов эффективного управления на уровне предприятия и структурного подразделения.

Для достижения поставленной цели в работе были репены следующие задачи:"

1. Разработана структура интегрированной подели системы функционирования и управления производством.

2. Выявлены основные аналитические.задачи управления производством, обеспечивающие адекватное описание функционирования производства и управления им.

3. Решена задача управления натериально-производственньпл потоком как динамическая задача теории управления с яеныни управляющими и возмущающими факторами в детерминированной и стохастической постановке.

4. В рамках интегрированной модели поставлены и решены задачи дискретной оптимизации распределения материальных потоков и ресурсов, обеспечивающих выполнение операций в структурных подразделениях предприятия.

5. Разработана структура информационного обеспечения задач управления производством средствами СУБД (системы управления базами денных).

Методы исследования. В основу реяения поставленных задач полозе:: наполненный на базе кибернетического подхода анализ

функционирования материально-производственной системы на примере предприятия машиностроительного профиля и синтез структуры модели производства и управления. Модель строится на основе введенных в рассмотрение системы переменных и формально-математических соотношений между ними в рамках синтезированной структуры, допускающей постановку классических задач теории управления. Использование для описания пространственно-временных отношений мевду компонентами модели формализмов механики сред и систем управления с распределенными параметрами позволило поставить и решить группу задач управления производством как динамических и распределенных в пространстве. Синтезированная интегрированная структура модели позволила также решить задачи классической дискретной оптимизации в постановке, связанной по критериям с задачами непрерывной макродинамики. Экспериментальная часть работы и внедрение выполнено на ЭШ серии ЕС, СМ и РС с использованием СУБД типа Банк ОС, ДЛСОД, Мирно, Ребус, ла-рат.

Научная новизна к основные защищаемые положения. Ь диссертационной работе дана структура интегрированной модели системы функционирования и управления предприятием, не и^екщая аналогов в отечественной и зарубежной литературе. В рамках введенной структуры поставлен и решен ряд задач управления производством в классе моделей пространственно-временной динамики и дискрог-но-ко^бинаторных задач распределения ресурсов для управления производством, объединенных единой системой переменных и критериев. Тем самым снято имевшее место противоречие мекду дискретными и непрерывными подходами при построении модельных представлений в задачах управления производством и созданы предпосылки для дальнейшего развития теории управления сложными объектами типа материально-производственных систем промышленных предприятий.

Принципиальный вклад в развитие исследований в области построения математических моделей функционирования и управления производством включает следующие научные результаты, полученные автором:

I. Разработана структура интегрированной модели системы функционирования и управления производством с единой системой

переменных состояния: система операций преобразования переменных при решении комплекса задач управления производством¡комплекс критериальных оценок, обеспечивающих связанное решение задач управления производством на макро (межцеховом) и локальном (внутрицеховом) уровнях управления.

2. Поставлены и решены задачи управления на межцеховзм уровне в классе пространствзнно-временных распределенных моделей с детерминированными и случайными возмущениями, обеспечивающие синтез управления, гарантирующего выполнение заданного плана в установленный срок.

3. Поставлены и решены задачи управления распределением производственных потоков на стадиях запуска и сборки изделий в рамках интегрированной модели управления производством, гарантирующие заданные характеристики выходных потоков при мини-глуме запасов деталей на складах. Разработаны системы моделей рационачьного распределения ресурсов в структурном подразделении с целью выполнения сменно-суточного задания, обеспечивающие компромисс между требованиями макроуправления по выпуску изделий предприятием в целом и целями локального управления цехом-участком с учетом интересов последнего.

4. Разработана методика создания интегрированной структуры базы данных управления предприятием, представляющей информационную модель системы переменных, отражающих состояние производства. Структура базы данных реализована в виде связанной наршрутно-технологической сети и древовидного комплекса организационного управления.

Практическая значимость работы состоит в разработке математических моделей и алгоритмов управления в рамках интегрированной постановки, обеспечивающих эффективное управление производством и гарантирующее выполнение предприятием плана по выпуску изделий.

Разработанные модели и алгоритмы получены на основе вскрытия закономерностей материального баланса массы материалов и деталей, находящихся в движении на технологических маршрутах, что позволило обнаружить ряд эффектов, пренебрежение которыми может приводить к негативным явлениям в производственной практике.

Некоторые явления отрицательного характера, имеющие место

в современном производстве, могут быть объяснены с позиций построенной в работе теории.

Предложенные в работе решения по созданию интегрированной структуры информационного обеспечения управления производством позволяют средствами современных СУБД создать компактные, удобные и достаточно динамичные в условиях диалоговых режимов работы комплексы информационного обеспечения задач управления производством.

Внедрение результатов. Разработанные модели управления и решения по структуре информационного обеспечения применены при выполнении хоздоговорных научно-исследовательских работ, выполненных на кафедре автоматизированных систем управления Пермского политехнического института. Алгоритмы оперативного управления ходом производства и технические решения по рациональной структуре базы данных внедрены на Производственном объединении Моторостроитель (г. Пермь), заводе Каыкабель, НШУМС г.Пер:,1ь в ходе выполнения хоздоговорных тем 77/122, Ь1/25-2, Ы/44-5, сб/19-13 в течение 10, II и 12 пятилеток.

Суммарный экономический эффект по выполненным работам составляет около 400 тысяч рублей.

Апробация работы. По результата:.] диссертационной работы автором опубликовано 36 печатан:: работ, в т.ч. более 10 в центральных изданиях, получено 3 авторских свидетельства.

Автором читается курс проектирования АСУ для специальности "Автоматизированные системы обработки информации и управления (22.02)", в котором используются материалы диссертации. По материала;.! диссертации выполнены 4 методические разработки, которые такде используются при подготовке специалистов в области автоматизированных систем управления.

Основные результаты диссертационной работы докладывались автором на:

- Всесоюзной научно-технической конференции "Тренеаеры в формировании профессиональных навыков при подготовке специалистов (г. Пермь, 1982);

- Всесоюзной школе-семикаре "Управление распределенными системами с подвижным воздействием" (АН СССР, ИПУ, КПИ, Куйбышев, 19ЪЗ);

- Всесоюзной научно-технической конференции "Применение

с га. гг.-лческих методов в управлении производство;,;" (ВС НТО, ПТУ г. Пермь, 19Ь4);

семинаре "Управление при наличии расплывчатых категорий" (ЦП НТО РХ им. А.С.Попова, 19с2,Г9бЗ, г. Пермь);

- республиканской НТК "Автоматизированное управление в сло7/,ных системах", (г. Уфа, 19о5);

- всесоюзной НТК "Проблемы ч перспективы автоматизации производства и управления на предприятиях приборос -роения и машиностроения" (г. Пермь, 19Ь7. НПО "Парма");

- всесоюзной конференции "Электроника и информатика в гибких автоматизированных производствах (ГАП),(АН СССР, ГКНТ

г. Пермь, 1967);

- 1-й региональной НТК "''етоды и средства создания САПР и экспертных систем" (Союз НИЗ СССР, комитет по проблемам управления ОС НИО, НПО "Парма", г. Пермь, 19Ь9).

Объем и структура работы.Диссертация состоит из введения, 7 разделов и приложений. Список литературы включает 249 наименований, в том числа работы автора. Основная часть работы изложена на 269 машинописных страницах. Работа содержит 31 рисунок и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Цели работы, методы и объект исследования определили следующую структуру работы.

В первой главе дан анализ существующих методов модельно-математического описания производственных объектов, сформулированы исходные концепции предлагаемого подхода.

Вторая глава содержит описрдие предложенной интегрированной структуры модели, введенной системы базовых переменных, основные формальные соотноаения, связывающие переменные, а также критериальные соотношения.

Третья и четвертая главы посвящены исследованию поведения управляемого производственного потока при детерминированных и случайных возмущениях.

Пятая глава связана с исследованием задачи распределения производственных потоков при запуске и сборке изделий.

В шестой главе решаются дискретно-оптимизационные задачи

- о -

управления распределением ресурсов в производственном подразделении и многокритериальная задача компромисса в управлении на макро и локальном уровне управления.

Седьмая глава посвящена разработке интегрированной структуры информационного обеспечения производством в среде СУБД.

В заключении перечислены основные результаты, полученные в диссертационной работе.

В первой главе проводится анализ исходных концепций, которые положены в основу построения ряда модельных формализмов, используемых для описания задач планирования, управления и регулирования хода производства. В первом параграфе выявлено, что каждый из рассмотренных подходов, выделяя свойство объекта, кажущееся исследователю важнейшим, строит на этом систему формального описания, опуская остальные моменты как несущественные. Полученные таким образом представления не могут служить основой для построения интегрированного описания процесса производства. Следовательно, необходимо комплексирование ряда подходов с доработкой их при решении интегрированной задачи.

Дается анализ моделей динамики, используемых для описания процессов, а также моделей дискретно-логического плана, применяемых при построении задач принятия решений в производственных системах управления.

Рассмотрены наиболее встречающиеся модельные формализмы, используемые для описания процессов функционирования производства:

- объемно-балансовые;

- дискретно-непрерывные с элементами комбинаторики;

- поточно-непрерывные стационарные;

- дискретно-логические;

- ситуационные.

На основе анализа делается заключение о том, что описание модели функционирования производственного процесса необходимо искать среди формализмов производственно-временной динамики, а логика принятия решений, как управляющая часть системы, должна строиться на базе моделей дискретно-логического класса. В связи с этим вводится в рассмотрение классификационная структура моделей, используемых для описания процессов функционирова-

ния и управления производство» (рис. I).

Анализ существующих подходов к построению моделей процесса производства как объекта управления и состояния моделей и методов, используемых при построении систем управления,показал,что в теории управления имеется достаточно большое количество различных подходов, калшый из которых позволяет отразить одну или несколько характерных особенностей современного производства как сложной системы управления. В связи с этим задача разработки теории математических моделей производства как объекта управления, методов формирования управляющих воздействий, исследования возмущающих факторов, влияющих на процесс производства, остается актуальной и в настоящее время.

В работе ставится задача исследования построения интегрированной модели процесса производства и управления на основе классического кибернетического подхода, то есть производство представлено как пространственно-временной динамический процесс, для которого определяются переменные, непосредственно связанные с целевой функцией, введены возмущающие факторы,поставлена задача формирования управляющего воздействия. При этом задается структура модели процесса производства, эквивалентная реальному производству и допускающая аналитическое описание основных групп задач управления. Сформированная структура модели позволяет естественным образом соединить два известные подхода к описанию современных организационно-технологических комплексов, традиционно называемых дискретными производствами, а управляемых во многих случаях при помощи непрерывных представлений.

В ходе разработки структуры модели выявлены основные характерные особенности задачи управления движением предметной массы в технологических комплексах. Для рассмотренных в работе типовых задач найдены их решения. Поставлена задача построения парето-оптимального управления на уровне предприятия.

Во второй главе ставится и решается задача построения математического описания процесса производства, отражающего пространственно-временные динамические свойства. Определяются базисные системы отсчета, переменные состояния,управления, возмущения, выводятся основные закономерности, связывающие переменные модели. Синтезируется канонизированная форма интегрирован-

КЛАССИФИКАЦИЯ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ОТРАВЛЕНИЯ 1.0.0 Модели процессов управления

2.1.0. Непрерывные (континуальные) модели объектов, сигналов, аналитических управлений типа обратной связи

2.1.3. Стохастические модели 2.1.2. Дискретно-непрерывные модели

2.1.1. Аналитические модели Динамические мо- Алгебраические модели дели процессов состояний, свойств и

сигналов

Модели линейной алгебры

На базе На базе Сетевые модели О.Д.У. ДУЧП СМО

Методы оптимизации ТАУ АСУТП- Функции

АСУТП-АСУО

(объекты)

2.2.0. Дискретно-логические модели процессов принятия решений в управлении, процедур обработки информации, интеллектуальных процессов

2.2.3. Стохастические модели 2.2.2. Модели, базирующиеся на нечетких представлениях

2.2.1. Аналитические дискретные модели Модели Алгоритмические Ситуационные и алгебры модели семантические логики модели

Цифровые автоматы

Задачи принятия решений в АСУТП АСУО, системы искусственного интеллекта

I

кн о

Рис. I

- II -

ного описания модели материально-производственной системы.

На рис. 2 приведена интегрированная структура модели управления производством, в которой предпринята попытка учесть наиболее важные моменты, связанные с функционированием производственно-технологических и организационно-управленческих комплексов производства.

Для построения формального описания процесса производства как пространственно-временной динамической системы введем в рассмотрение соответствующие системы координат (рис. 2). Пространственную координату X , в соответствии с которой определяется местонахождение обобщенной операции на технологическом маршруте и время £ , которое определяет состояние производства с течением времени на всем маршруте X. . В качестве меры длины в системах оперативно-производственного управления используют опережение - величину нормативной длительности обработки партии деталей от начала до конца маршрута в единицах временной трудоемкости, чаще всего в днях. Следовательно, значение координаты X на рис. 2 для обобщенной операции показывает ее временную удаленность от конца технологического маршрута. Состояние производства в таком случае может быт* описано системой переменных, используемых обычно для изучения поведения движущихся сред.

Однако, учитывая многомерность потеков, введем в рассмотрение систему обобщенных пространственно-временных векторных переменных состояния производства. О - обобщенный пространственно-временной поток, в общем

случае зависящий от аргументов X и £ ; £ - обобщенная функция распределения незавершенного производства (плотности) потока в зависимости от X и £ ; В - пространственно-временной поток пооперационного брака; 2 - функция пооперационных производственных сбоев, имеющая размерность потока и действующая в направлении, противоположном ф или У » М - функция производственно-временных запасов в складских емкостях, устанавливаемых на технологическом маршруте;

М„

У

1/111

V»

к

X

■'СЬг

Рис. 2. Интегрированная структура модели управления производством

- переменные состояния производства, на основе которых строится управление;

5,2 - возмущения, вызывающие отклонение переменных и Я от нормального хода производства;

У - управляющее воздействие.

Основные соотношения между указанными переменными для одномерной задачи при постановке задачи управления приведены в главе 2.

Для описания многомерной или многопродуктовой модели зададим систему векторных базисов, в которых в дальнейшем будут определены переменные (} , (? , В , 2 , II (рис. 2).'

Мти)- конечномерный базис входных материальных потоков, здесь т - индекс материальной позиции;

О- (*,*}- конечномерный базис производственных потоков на технологических маршрутах, здесь ь - индекс маршрута, совпадающий обычно с номером детали, } - индекс обобщенной операции на технологическом маршруте, характеризующий ее порядковый номер в соответствии с технологией;

- конечномерный базис выходных продуктов предприятия, изделий, р - индекс номера изделия;

^/ти- »^¿р - линейные преобразования (матрицы), связывающие системы поточных переменных состояния, производства 0. , £ , В , 2 , У при переходе от базисов М к I) и от 1> к Р соответственно;

- матрица применяемости материалов в деталях;

2 ¿р - матрица применяемости деталей в изделиях;

~ складские накопители материалов и деталей, традиционные компоненты любой материально-производственной системы;

^ек. ~ конечномерный базис состояния производства в переменных (} , /? , В ,2 , V на обобщенных операциях, перегруппированных по принадлежностям к структурным подразделениям; здесь к - индекс номера структурного подразделения (например, участок), I - порядковый номер деталеоперации на участке;

- линейное преобразование, обеспечивающее перегруппировку переменных состояния обобщенных операций от

- 14 -

маршрутной упорядоченности к структурной, обычно называемое "расцеховкой" операций; ^п(кг ~ обобщенная матрица пооперационных норм расхода ресурсов на реализацию операций; по индексам £ , к она подобна У^ , 1 - индекс номера вида ресурса (например, 2=1- трудовые ресурсы, 2 = 2- производственные мощности) ;

конечномерный базис состояния ресурсных переменных, здесь - индекс ресурсной переменной данного вида (например, для 2=1, Ь. - табельный номер рабочего, для 2 = 2, А- - индекс'номера станка);

- линейное преобразование, устанавливающее соответствие при фиксированном "К" (т.е. номере участка) между обобщенными операциями и значениями ресурсных переменных, элементарные матрицы устанавливают, например, связь между совокупностью операций участка и их исполнителями.

Введенная для рассмотрения структура модели материально-производственной системы является сильно упрощенной, но тем не менее включает важные характерные черты такой системы и, как будет показано далее, позволяет осмыслить некоторые задачи управления производством как динамической распределенной системой. Базисы Мт и Рр в общем случае могут зависеть от X и от 4. В данном случае для простоты зависимость от X опущена.

В соответствии с классическим подходом теории управления после определения структуры модели и основных групп переменных состояния, управления, возмущения, зададим функционально основные зависимости, на основе которых можно говорить о постановке динамической задачи управления производством.

Как уже было отмечено, будем выделять задачу управления движением материально-поточной среды в пространственно-временном базисе Мт.с£) , Сх,^, Рр Ш , называя далее эту задачу макроуправлением. В оперативно-производственных системах управления это межцеховое управление.

Вторая задача - это обеспечение выполнения элементарных пооперационных потоков, вычисленных на макроуровне, необходимыми ресурсами. Будем называть далее эту задачу локальным управлением. В оперативно-производственных системах управления это внутрицеховое или участковое управление. Вследствие того,

что интересы задач макроуправления и локального управления могут в общем случае не совпадать, неизбежно возникает задача связанного или глобального управления в рамках рассматриваемой здесь структуры.

Далее будут записаны в общем виде основные функциональные соотношения, определяющие возможный вариант постановки задач управления производством 6 последующими коментариями. Задача макроуправления: Модель объекта

«?р о.-О, гг0 ш), з„ и» м>у,

Закон управления

УдФ- М ЪСг.Н.ЬрСх.и&и.О).

Макрокритерий

Зи = К (Тр.т» (*). Ир (я), Вр (X), (X), Яо , 7ГМ ) Г1"

где Тр=] Ор(Л)Лг - выходная товарная продукция за период уп-0 г*к равления ( О^^к );

■до-удои*

- товарная продукция, снимаемая с обобщенных 0 операций по маршруту за период управления

< 0 * ^ );

Мр^^ДМ. объем незавершенного производства в обобщенных единицах измерения, определяемых системой весов оСр (цены), за период управления Локальное управление, нак задача отыскания совместных множеств операций Я к запуску из Ц^сЙ , обеспеченных ресурсами /?$ , при наличии возмущающих факторов Вц и может быть представлена так:

где

Локальный критерий этой задачи может быть представлен в вии

где т,-!<?♦«><«,

Н4-2

7 С, к о

Соответственно, товарная продукция и незавершенное производство структурных подразделений определяются в силу задания макроуправленчя, причем для Н^ необходима обобщенная оценка, например, в стоимостных критериях с учетом коэффициентов . •

Задача глобального управления может представлять собой поиск компромисса между макроуправленлем и локальным управлением Q , обеспечивающего общесистемный рационализм, определяемый глобальным критерием

В третьей главе рассматриваются задачи управления производственным потоком, представленным математической моделью, при действии возмущений типа "брак" и "сбой", когда они могут быть описаны как регулярные функции времени. При этом анализируется изменение функций состояния модели - потока и плотности, определяющих, в конечном счете, переменные системы: величину товарного выпуска и нормативы объема и распределения незавершенного производства. Проводится исследование различных вариантов законов управления переменными состояния при действии регулярных возмущений. При этом получены результаты, которые ранее не были известны и заставляют по новому оценивать задачи планирования и управления производственным потоком в переходных режимах. Полученные аналитические результаты могут быть полезными при построении алгоритмов оперативного управления производством в случаях компенсации сбойных ситуаций при наличии больших производственных потерь йлл построении задач программного управления при переходе системы из одного планового режима в другой. Уравнений, описывающие поведение производственного потока при данных условиях имеют вид: ^х.Ъ+^Сх.иЛСхЛ);

¿}(Х^)= и и,о г Их, а

ще ^ , р - переменные, характеризующие величины интенсивности потока и плотности, Ь - величина потерь от брака, 2 - величина сбоя, и - заданная интенсивность потока, х. - пространственная координата, -Ь - время.

Задавая вид функций , и , можно

получить характер изменения величин ^ и р во времени и по маршруту и наблюдать за возмущенным и программным изменением процессов, происходящих на объекте. В главе получены варианты развития динамики возмущенного и программного изменения координат у и р в зависимости от параметров системы и характера управления, реализуемого управляющей системой. Например, функции ^ и р при пропорционально-интегральном управлении и импульсной величине функции брака :<!меют следующий вид:

1 / Ф . ч / к» иг и , ¿Х-/}*

<1 ехр с- - ^^ —й—У'

здесь оС , уз , ■<{> - коэффициенты, зависящие от параметров системы.

Программный режим развития процессов в управляемом потоке по координате о. может быть определен следующим выражением I г"

XI

при = к:х + к2± + к3 -и линейном изменении координат ^ от

ДО и Р от Л Д° ¡>2 •

В четвертой главе рассматривается поведение управляемого производственного потока в предположении, что величины брак и сбой носят случайный характер. При этом предполагается, что:

- случайные возмущения на соседних операциях технологического потока не зависимы и не норрелированы между собой;

- сбой и брак представляют собой независимые и некоррелированные процессы;

- возмущения представляют собой стационарные случайные процессы;

- время Ь изменяется непрерывно.

Брак и сбой как случайные возмущения, действующие на технологический поток, в конечном счете приводят к снияению интенсивности выпуска предметов труда, а также к уменьшению запасов незавершенного производства, снижающему надежность хода технологического процесса. Перечисленные негативные моменты необходимо компенсировать в ходе управления производственны! потоком. В качестве компенсационных механизмов в данной главе рассматривается управление восстановлением производительности потока за

счет использования резервов типа мощностей (повышение интенсивности работы технологических операций за счет сверхурочных часов, повышения коэффициента сменности, подключения дополнительных рабочих мест), и использование для восстановления и в некоторых случаях форсировки интенсивности страховых заделов предметов труда. Качество компенсационного управления оценивается при помощи достаточно широко используемого в теории организации производства коэффициента ритмичности, величина которого определяется следующим образом

где 0} - заданная величина потока;

с^ - фактическое случайное значение величины потока. В качестве показателя надежности использована дисперсия интегрального выпуска ©дТП СТ) , равная практически объему товарного выпуска технологическим потоком в виде

о 1

Здесь О-Т - интервал управления;

- поток на выходе технологического потока. Управление осуществляется за счет изменения входного потока, обеспечивающего восполнение страховых заделов, обусловленных потерями брака, а также за счет использования страховых заделов и дополнительных ресурсов производственных мощностей, реализующих распределенное по технологическому потоку управляющее воздействие и(*,4) .

Варианты компенсационного управления потоком при парировании брака могут быть построены по среднему значению величины брака как по фактическому значению величины брала путем воздействия на входной поток, создания и использования заделов по длине маршрута и наличия запасов на выходе.

В принципе возможно реализовать: компенсацию, при которой равно нулю математическое ожидание выходного потока ;

полную компенсацию, при которой

и частичную компенсацию, при которой показатели качества имеют следующий вил:

где..; Ъ2 и ¿у - заданные величины, характеризующие допустимую степень ритмичности и надежность выполнения плана.

В главе проведен анализ вариантов различных схем компенсации брака, получены аналитические выражения, определяющие значения показателей ритмичности и надежности для рассмотренных вариантов управления.

Компенсация производственного сбоя по величине среднего значения возмущения рассмотрена с учетом отсутствия или наличия ограничений на величину резерва производственных мощностей на технологическом потоке. В общем случае управление при компенсации величины сбоя может быть представлено в виде: и (х,0-( I

где итМ- ограничение на управление в силу ограниченности ресурсов; ¿уп - знаковая функция.

Аналогично,для компенсации сбоя получены аналитические формы, определяющие поведение технологического потока при разных способах управления по показателям ритмичности и надежности. Рассмотрены возможные варианты постановки задачи оптимальной компенсации возмущений брак и сбой при комбинированной схеме управления.

В пятой главе рассматривается выделенная аналитически при построении канонизированной модели производства автономная задача распределения материальных технологических потоков при запуске и сборке изделий. В выбранной системе переменных, определяющих состояние и управление производством, аналитическая постановка задач управления сборочными процессами и распределением материальных ресурсов при запуске деталей на заготовительных стадиях оказались одинаковыми.

Первоначально в главе дается решение задачи с получением аналитических форм для двух входных потоков. Затем результаты обобщаются на многомерный вариант по входу и выходу.

На основании полученных результатов решаются задачи:

- определения статистических характеристик потоков на выходе при заданных характеристиках входных потоков и величин запасов;

- определения оптимальных величин запасов хранения в статистическом смысле при известных характеристиках входных потоков

- и заданных требованиях характеристик выходных потоков.

При известных статистических характеристиках входных потоков Pjt£) заданы статистические характеристики: математическое ожидание MEPitt)] , дисперсия 1>[ Р;Ш] и корреляционные функции. Заданы также соотношения, связывающие входные и выходные потоки матрицей , элементы которой определяют вхо-димость входных потоков в выходные, и начальные запасы JT0i

В работе для данного общего случая определены статистические характеристики выходных потоков Qj при нормальных функциях распределения входных потоков - математическое ожидание M[üjU)] и дисперсии DLQj(i)] , функционально связанных с параметрами системы Sij и Jfti . Разработаны алгоритмы и программы, позволяющие реализовать полученные зависимости и использовать полученные модели при синтезе складских систем.

В шестой главе рассматривается постановка задачи управления производством, в которой достигается компромисс между непрерывным и дискретными подходами в моделировании автоматизированного управления.

Первоначально решается вопрос получения математической модели решения задячи набора необходимого комплекса ресурсов для выполнения деталеопераций на участке при формировании сменно-суточного задания. При этом учитываются как макро-критериальные соображения предприятия в целом, так и интересы отдельного подразделения (участка), или локальные критерии. Предлагаемая модель учитывает минимальный набор, включая станок, исполнителя, наличие заготовки. Однако в теоретическом плане возможно увеличение количества ресурсных компонент, допускается также изменение и расширение критериальных композиций. Решение локальной задачи формирования производственного задания на участке неизбежно сталкивается с проблемой согласования интересив данного участка с интересами предприятия в целом. Существует большое количество ситуаций, когда удовлетворение интересов локальной структуры (участка) происходит за счет нанесения ущерба макро-

А> - номенклатура подразделения;

- деталеоперации с уровнем НЗП, обеспечивающим запуск; Д>с - множество леталеопераций, обеспеченных оборудованием;

- множество деталеопераций, обеспеченных исполнителем;

- деталеоперации, нежелательные к залуску в силу интересов предприятия;

- деталеоперации, не представляющие интереса с точки зрения подразделения;

б=балбсп1)й\с1)л, л ) - множество деталеопераций, подлежащих дальнейшему анализу.

Рис. 3. Выделение множества деталеопераций для решения задачи формирования производственного задания

системе (предприятию).

На рис. 3 приведена схема выделения подмножества деталеопераций, для которых далее реализуется алгоритм выбора альтернатив, удовлетворяющих многокритериальному выбору при формировании сменно-суточного задания на производственном участке.

- 22 -

Этот алгоритм реализуется путем формирования упорядоченного множества ЛС^ (где 1 = 1, т ) пар станок - рабочий, которые допускают выполнение I -ой деталеопералии.

Упорядочение альтернатив осуществляется по свертке критериев

где Т; и ^ - критерии, учитывающие степень важности альтернативы по отношению^интересам межцехового уровня ^ и внутрицехового уровня .

В работе получен алгоритм, позволяющий последовательно генерировать альтернативы и оценивать полученное решение по свертке критериев к . Процедура реализована в виде итерационного диалога с возможностью самостоятельного принудительного включения альтернативы в задание даже при неблагоприятных значениях критериальных компонент и ^ .

Далее в главе рассматривается многокритериальная постановка оптимизационной задачи управления производством, учитывающая как интересы предприятия в целом, так и критериальные соображения производственного участка. Получен вариант Парето-оптималь-ного решения такой задачи. На рис. 4 приведена графическая иллюстрация получения Парето-оптидеального решения, обеспечивающего компромиссный вариант решения между заводским и участковым уровнями управления.

пример Парето-оптимальной оценки управления; область допустимых оценок управления;

пример оценок управления, недопустимого из-за отсутствия ресурсов; пример оценок управления, недопустимого из-за ухудшения состояния материально-производственной среды; макрокритерий; локальный критерий.

- 23 -

В седьмой главе рассматриваются методы гостроения логической структуры интегрированной информационной базы, обеспечивающей прежде всего решение задач оперативного управления производством. В основу логической структуры базы положена интегрированная модель представления процесса функционирования и управления производством. При этом рассматривается исходный, а не канонизированный вариант модели, кале наиболее сложный при реализации. Предложены конструктивные решения по построению информационных структур базы, реализуемые средствами современных СУБД типа БАНК ОС, МИРИС, РЗВУС на ЭВМ ЕС, СМ, персональных ЭВМ, совместимых с IBM. Разработаны алгоритмы получения информации в базе, обеспечивающие решение традиционных задач управления и планирования производства с возможным использованием алгоритмов, приведенных в диссертационной работе. Рассмотренная в работе структура информационной балы впервые была реализована в НИР "Совершенствование автоматизированной системы оперативного управления и информационной базы АСУ завода" (Гос. per. У- 7ЫЭ71430), "Разработка базы данных оперативного управления и диалоговых режимов работы" (Гос. per. }?Ы0Ь9Ь05). Структура базы данных, обеспечивающая реализацию алгоритмов управления, приведена на рис. 5, технологическая схема обработки информации приведена на рис. 6.

Заключение

В диссертационной работе предложены и разработаны теоретические методы, алгоритмы функционирования и принципы построения математической интегрированной модели производственно-технологической системы, позволяющей в комплексе рассматривать задачи управления производством как пространственно-временной динамический процесс.

Исследования свойств, структуры и закономерностей развития производственно-технологического процесса как управляемого потока позволили по-новому представить процесс управления производством, классифицировать и выделить группы задач управления на основе закономерностей функционирования объекта в целом.

Научные и практические результаты работы состоят в следую-

Рис.5.

Логическая структура базы данных ВСШОР

в

Рис.6. Технологическая схема обработки запросов процедур анализа состояния БД

щем:

1. На основе изучения структуры и свойств производственно-технологического и организационно-управленческого комплексов современных предприятий получена модель функционирования производства (в т.ч. канонизированная модель), позволяющая рассматривать производство как пространственно-временной динамичес -кий процесс с учетом его непрерывных и дискретных свойств.

2. Исследование свойств и структуры производственно-технологического объекта на основе канонизированной модели позволяет выделить основные группы задач управления: управление технологическими потоками, распределение потоков при запуске и сборке изделий, распределение ресурсов при выполнении технологических операций. Анализ свойств перечисленных задач позволил найти аналитические решения их с учетом локальных и общесистемных критериальных соображений.

3. Исследование поведения производственно-технологического потока как пространственно-временного динамического управляемого процесса дало возможность вскрыть ряд закономерностей управления им, которые позволяют объяснить некоторые осложнения в планировании и управлении. Введение явных возмущающих воздействий типа "брак", "сбой", аналитическое описание управляющего воздействия в виде желаемой интенсивности работы технологических операций позволили аналитически решить задачи стабилизации производственного^потока и программного управления им.

4. Учет статистических свойств возмущений типа "брак" и "сбой" позволил поставить и решить группу задач компенсации в среднем возмущения с целью получения гарантированного во времени выпуска продукции с технологического потока. Разработка данной группы задач позволила решить оптимизационную задачу обеспечения гарантированного выпуска при минимизации мощностей и запасов незавершенного производства.

5. Выделенная в структуре задача распределения потоков является аналитической основой для решения задач управления запуском технологических потоков и сборки изделий.

Принятая в работе постановка задачи предусматривает общие переменные с задачей управления распределенными потоками и яб-

ляется составной частью задачи управления движением материаль-но-пронзводсгвенной среды по технологический маршрутам.

Получено решение задач анализа и синтеза управления распределением потоков в многомерной постановке.

6. Задача распределения ресурсов для выполнения ■ бобценных хехнолсгических операций отражает основные черты дискретных свойств материально-производственной системы. Б работе эта задача является обеспечивающей возможность реализации производственного потока. Выполненная постановка задачи и предложенное решение ее служат аналитическим базисом решения большой группы задач сменно-суточного планирования цеха, участка. Связанная с межцеховым уровнем постановка позволила решить задачу глобального управления.

7. 3 работе поставлена и дано решение задачи глобального управления, т.е. задачи управления, учитывающей как интересы предприятия в целом, так и интересы локальных подразделений. При решении задачи использованы методы поиска Парето-оптималь-ных решений.

0. Синтезированная в работе структура модели функционирования объекта позволила решить проблему построения рациональной информационной базы комплекса оперативного управления производством, обеспечивающей решение разработаны:«: задач управления .

Структура информационной базы реализована в ряде отечественных СУБД и испытана в условиях промышленного применения.

Основные публикации автора по теме диссертации

1. Ннзамутдинов О.В. Построение математической модели процесса управления производством в классе структурированных распределенных сред/ Перм. ГШ,- Пермь, 19Ь5,- 23 е.- Деп. в В,ШИТЛ I4.02.o5. " 1243-о5.

2. Низамутдинов О.Б. Развитие теории моделирования современного производства и взаимодействие вузовской и отраслевой науки в совершенствовании систем управления. //Научно-производственная деятельность НПО "Парма". Итоги и перспективы 1962-19ь7 г.г.: Материалы юбилейного заседания научн.-технич. совета объединения.- Пермь, 19Ь7. С.40-43.

- 2Ь -

3. Низамутдинов О.Б., Адарюков В.И. Математическое обеспечение диалоговой процедуры формирования сменно-суточного задания /Перм. ПИ.- Пермь, I9L3.- 6 е.- Деп. в ЦИНИТЭИ приборостроения 07.02.Ь4. £ ДР 2339.

4. К задаче распределения ресурсов производственного подразделения при оперативном управлении /Низамутдинов О.Б., Адарюков В.И,, Лаищев И.В., Илларионов А.Б.//Тезисы У1 науч.-тзх-нич. семинара "Управление при наличии расплывчатых категорий". - Пермь, 19ЬЗ.- С.129-133.

5. Низамутдинов О.Б., Адарюков В.И., Иванов A.C. Математическое моделирование процесса движения предметов труда по технологической линии /Перм.ПИ,- Пермь, 19Ь5.- 4с.- Деп. в ВИНИТИ 29.04.b5. в 2Ь63-Ь5.

6. Бабурин В.Г., Низамутдинов О.Б., Изъюрова Р.Я. Календарное планирование в режиме диалога применительно к условиям кузнечного производства //Автоматизированные системы и средства управления: Ыежвуз.сб.науч.тр./ ПГУ, Перм.ПИ,- Пермь, 1976,-

IcO.- C.6-II.

7. Низамутдинов О.Б., Долгова Е.В. Применение алгоритма дискретной оптимизации для диалогового принятия решений в производственном подразделении //Проблемы и перспективы автоматизации производства и управления на предприятиях приборо- и машиностроения: Тез.докл.Всееоюз.НТК. Секция 4. АСУ предприятиями и интегрированное АСУ.- Пермь, 19Ь7.- С.26.

Ь. Низамутдинов О.Б., Файзрахманов P.A., Долгова Е.В. Стохастическая модель сборки в дискретном производстве.//Тезисы докладов всесоюзного науч.-техн. семинара "Автоматизированные системы управления технологическими процессами дискретных производств".- Пермь, 1984.- С. 64-65.

9. Низамутдинов О.Б., Долгова Е.В. Задача распределения ресурсов при формировании сменно-суточного задания./Перм.ПИ.-Пермь, 19Ь7,- II е.- Деп. в ЦНТИТЭИ приборостроения I5.05.b7. Р 3770.

10. Низамутдинов О.Б., Дорошенко О.Г. Об одном подходе к решению задачи формирования вектора номенклатуры запуска с использованием нечеткой шкалы оценок //Тезисы У науч.-техн.семинара "Управление при наличии расплывчатых категорий". Ч. П-Пермь, 19Ь2.- C.III-II4.

11. Низамутдинов О.Ь., Дорошенко О.Г., Солодарь Я.л. Ьы-бор методе, расчета размеров партий деталей по технологическому маршруту //Автоматические системы управления и вычислительная техника: ¡¿ежвуз.сб.науч.тр./ ПТУ, ПермЛШ,- Пермь, 1977.

- " 199.- С.44-47.

12. Низамутдинов О.Ь., Иванов A.C., 5айзрахмаясв P.A. Моделирование движения потока деталей в производстве // Управление распределенными системами с подвижным воздействие?».: Сб.кл-уч.трудов/Куйбь-деЕск.пслитехн.ич-т - Куйбьглез, 1913.- С. II?- IIL.

13. Низакутаинсв О.Ь., Иванов A.C., 5айзрах;;п»св P.A. 1-" вопросу построения катематйт-»?ск-~й .чтаелг грен.тявра оператора производственчгго процесса //Ts-оис« докл. Всесаэз. НТК "Тре-нахерн в сформировал!'',' про!>есскг>нальчрх кавчк"» при п.>т.г спеичалистов". Ясруь (2с~30 сен?.1X2).- ;.;., 19^2.-С. 50-Ы.

14. База данных автоматизированного складского учета до-талей на машиностроительном предприятии: Инфсрм.листок ГСЬ--Ь2/Кайль A.A., Низамутдинов О.Ь., ¿лоренко З.Ь. и др.; Перм. ПИ.- Пермь, I9с2.- 2 с.

15. Низаыут5:даов О.Б., Лаишез Л.Б., Долгова ¿.3. Ьарианг принятия управленческих решений в производственном подразделении //Республиканская НТК "Автоматизированное управление сложными системами": Тез.докл.- Уфа, 19ь5.- С.13.

16. Низамутдинов О.Ь., Сорокин И.О., йкляева Т.В. База данных для имитаиионного моделирования оперативного управления производствен //Автоматизация проектирования систем управления: Тезисы докл.науч.-техн.семинара. -Пермь, 19о2.-С. 36-46.

17. Низамутднноз О.Б., Файзрахманоз P.A. Оперативное управление производством в условиях наличия неопределенностей// Тезисы У науч.-техн.семинара "Управление при наличии расплывчатых категорий". Ч.П- Перг/ь, 19с,2.- C.I09-III.

Ib. Низамутдинов О.Ь., Зайзрахманов P.A. Статистический подход к управлению производством на основе модели с распределенными параметрам;*// Тезисы Всесоюзной НТК "Применение статистических методов в производстве и управлении.- Пермь , 19Ь4. С.54-55.

- 30 -

19. Низамутдинов О.Б., Файзрахманов P.A. Исследование распределенной модели производственного процесса при воздействии возмущений типа "брак"/Перм.ПИ.- Пермь, 19б2,- 9 е.- Деп. в ВИНИТИ 9.12.Ь2. № 602Ь.

20. A.C. 12495b СССР, ШИ3С 09В/00. Устройство для обучения операторов систем управления технологическими процессами/ Низамутдинов О.Б., Иванов A.C., Адарюков В.Г. и Колодный И.Д. (СССР).- 3637509/24-24; заявлено 0b.0I.L5; опубликовано 07.06. 66, бюл. * 29//0ткрытия. Изобретения.- 1966.- №29.- С.224.

21. A.C. 1667136 СССР, ШИ3С 09В9/00. Устройство для обучения операторов систем управления /Долгова Е.В., Иванов A.C.

и Низамутдинов О.Б. (СССР).- 4639389/24; заявлено Ib.01.69; опубликовано 30.07.91, бюл. ff 26//0ткрытия. Изобретения.-1991.

- i? 26.- с.216.

22. A.C. 469140 СССР, ЖИ3С 0969/00. Тренажер диспетчера порта/Кайль A.A., Колодный И.Д., Мухин В.Д., Низамутдинов О.Ь., Соловьев А.Я. и Тер-Мхитаров М.С. (СССР).- 1965290/16-24; заявлено 14.12.73; опубликовано 25.10.75, бюл. Г39 //Открытия. Изобретения.- 1975.- ff- 39,- С. 13? .

23. Низамутдинов О.Б. К вопросу классификации моделей и методов построения процессов управления/Перм.ПИ.- Пермь, 19оь.

- II с.-Деп. е ЦНИИТЭИ приборостроения 5.02.66. Г 4069.

24. Система для обучения руководителей производства навыкам диспетчерского управления/ Низамутдинов О.Б., Долгова Е.В, Иванов A.C., £айзрахманов Р.А.//Тезисы докл.Второй Всесоюзн. НТК "Тренажеры в формировании профессиональных навыков при подготовка '.to!;. с.:лс. •в" Ульяновск (16-20 октября 19ЬЪ) .Секция 1У. Ы., 1966.- С.343-347.

25. Низамутдинов О.Б., Долгова Е.В. Вариант решения задачи межцехового и внутрицехового управления в многокритериальной постановке /Перм. ПИ,- Пермь, 19о6.- 16 с. Деп. в ЦНИИГЭИ приборостроения 5.02.d6. Г> 406 6.

26. Низамутдинов О.Б. Управление потоком деталей на технологическом маршруте в детерминированной постановке/ Перм.ПИ.

- Пермь, 1966.- 17 с. - Деп. в ЦНИИГЭИ приборостроения 5.02. 66. 4070.

27. Долгова Е.В., Низамутдинов О.Ь. Математическая модель технологического потока, включающего сборочные операции//Перм.

ПЛ.- Пермь, 19Ь9.- 6 е.- Деп. в Лнформприбор 20.03.19.F4557.

2Ь. Низамутдинов О.Б. К вопросу построения математической модели процесса производства /Перм.ПИ.- Пермь, 19Ь9.- 22 с.

- Деп. в Информприбор 19.05.Ь9. № 4637.

29. Низамутдинов О.Б., Советов Б.Я. Исследование поведения производственного потока в классе распределенных моделей управления /АН СССР УО - Свердловск, 19ЬЬ,- 55 с. Препринт.

30. Низамутдинов С.Б., Советов Б.Я., Долгова S.B. Исследование интегрированной математической модели управления производством /АН СССР УО.- Свердловск, 19о9.- 33 с. Препринт.

31. Низамутдинов О.Б., Советов Б.Я., Файзрахманов P.A. Математическое моделирование процесса производства в условиях случайных возмущений. Ч. I. Учебное пособие/Перм,Ш-Пермь, 1990.

- 101 с.

32. Низамутдинов О.Б., Файзрахманов P.A., Липатов И.Н. Некоторые алгоритмы управления производственным потоком при случайных возмущениях/ АН СССР УО. - Свердловск, 1990.- 3Ь с. Препринт .

33. Низамутдинов О.Б., Липатов И.Н. Использование фильтра Калмана в задаче управления производственным потоком/Перм. ПИ.

- Пермь, 1990.- 20 е.- Деп. в Информприбор 5.01.90. Г 47G3.

Сдано в печать 20.2.92. Формат 60x84/16. Объем 2,25 п. л. Тираж 100. Заказ 1418. Бесплатно.

Ротапринт Пермского политехнического института