автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Концепция интерактивного игрового моделирования организационных структур предприятий и промышленных объединений с использованием сетей массового обслуживания

На правах рукописи

БАРИНОВ КИРИЛЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

КОНЦЕПЦИЯ ИНТЕРАКТИВНОГО ИГРОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ОРГАНИЗАЦИОННЫХ СТРУКТУР ПРЕДПРИЯТИЙ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕДИНЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЕТЕЙ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

11 ДЕК 2013

005543843

Москва-2013

005543843

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»

Николаев Андрей Борисович,

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, МАДИ, декан факультета «Управление», г.Москва Ивахнеико Андрей Михайлович, доктор технических наук, профессор, МАДИ, профессор кафедры «Менеджмент»,

г.Москва

Бернер Леонид Исаакович,

доктор технических наук, доцент, генеральный директор ЗАО «Атлантиктрансгазсистема», г.Москва Балдин Александр Викторович, доктор технических наук, профессор, МГТУ им. Н.Э. Баумана, профессор кафедры «Системы обработки информации и управления», г.Москва

Ведущая организация: Российский научно-исследовательский институт информационных технологий и систем автоматизированного проектирования (Рос НИИ ИТ и АП), г. Москва.

Защита состоится 28 декабря 2013 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.126.05 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, д.64, ауд. 42.

Телефон для справок: (499) 155-93-24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Текст автореферата размещен на сайте Высшей аттестационной комиссии: http://vak.ed.gov.ru.

Автореферат разослан 27 ноября 2013 года.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета университета, а копии отзывов присылать по электронной почте: uchsovet@niadi.ru

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Михайлова Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Организационный и технологический уровень современных промышленных предприятий во многом определяется созданием и применением действенных механизмов формирования и реализации стратегических планов развития и степенью эффективности оперативного управления всеми производственными и организационно-экономическими процессами, имеющими своей целью достижение высокой рентабельности производства, получение прибыли, развитие и совершенствование производства. В этой связи построение организационной структуры управления предприятием является сложной многоуровневой проблемой. Принципы и методы построения организационной структуры управления напрямую зависят от множества факторов. Наиболее значимыми из них являются специфика конкретного производства, наборы применяемых технологических процессов, объемы производства, используемые производственные мощности, технико-экономические и качественные показатели выпускаемой продукции, вопросы стандартизации и сертификации, уровень квалификации технического и административно-управленческого персонала, применяемая система менеджмента, организационно-правовая форма юридического лица, нормативно-правовая база деятельности предприятия, организация внутреннего и внешнего документооборота.

Задача построения организационной структуры в условиях промышленного производства является задачей верхнего уровня по отношению к другим задачам управления производственными процессами. Постановка и решение этой задачи на высоком научно-техническом уровне является необходимым условием организации эффективного производства, высокой конкурентоспособности выпускаемой продукции, роста финансово-экономических показателей, постоянного динамичного развития и совершенствования производства.

Актуальность темы диссертационной работы определяется необходимостью оптимизации организационной структуры управления предприятием как задачи верхнего уровня, подлежащей первоочередному решению в качестве базовой составляющей эффективного функционирования и успешного развития любого промышленного предприятия, независимо от тематики выпускаемой продукции и объемов производства.

Данная работа направлена на решение проблем оптимизации организационных структур и управленческих решений в сфере материального производства за счет применения при их проектировании, разработке и внедрении формального представления таких систем и моделирования соответствующих процессов.

Объектом исследования являются технологические процессы и организационная структура управления предприятием или промышленным объединением.

Предметом исследования являются методы, модели и алгоритмы анализа поведения и управления сложными организационными системами.

Цель и основные задачи исследования

Целью работы является повышение эффективности реализации технологических процессов промышленными объединениями за счет разработки и использования формальных моделей описания технологических процессов, организационных структур и управленческих мероприятий на базе интерактивного игрового моделирования.

Для достижения цели в диссертации последовательно решаются задачи:

• системный анализ методов и моделей описания технологических процессов, организационных структур управления и сценариев компьютерных многоролевых деловых игр;

• разработка формализованного представления технологических процессов в условиях стохастической неопределенности;

• разработка моделей оценки временных характеристик и синхронизации технологических процессов;

• разработка методики преобразования формального представления технологических процессов в сценарий деловых игр;

• разработка концепции формирования деловых игр для оценки квалификационных характеристик персонала промышленных объединений;

• разработка моделей параметрической оптимизации организационных структур управления технологическими процессами;

• разработка программно-моделирующего комплекса игровых и сетевых моделей для совершенствования организационных структур на основе полученных оценок их эффективности.

Методы исследования

Теоретической и методологической основой исследования являются работы российских и зарубежных ученых в области теории и практики совершенствования управления сложными организационными системами, проблем синтеза организационных структур управления, применения аналитических и эмпирических методов и моделей, основанных на теории массового обслуживания и теории графов, а также методов имитационного и статистического моделирования на базе использования современных информационных технологий и средств вычислительной техники.

Для разработки формальных моделей компонентов в диссертации применялись методы общей теории систем, классический теоретико-множественный аппарат, теория случайных процессов, теория систем массового обслуживания и планирования эксперимента, теория графов,

методы математического программирования, имитационное моделирование и др.

Научная новизна

Научная новизна работы заключается в разработке концепции интерактивного игрового моделирования организационных структур предприятий и промышленных объединений с использованием сетей массового обслуживания.

На защиту выносятся:

• формализованное представление технологических процессов и модель сети массового обслуживания (СеМО) для оценки временных характеристик, которые позволяют реализовать механизмы моделирования и параметризации локальных сред отдельных процессов;

• модель сети Петри в задаче совместимости логических условий реализации технологических процессов, в которой реализован событийный подход;

• принципы построения сценариев и инструментальных средств создания многоролевых компьютерных деловых игр, обеспечивающих интерактивное моделирование, проверку корректности, выявление тупиков и блокировок, а также возможных вариантов дальнейшего развития моделируемого технологического процесса;

• модель преобразования технологических процессов в сценарий деловой игры, основанная на использовании критических секций на основе блокирующих переменных при синхронизации потоков одного процесса;

• адаптация метода максимального правдоподобия для оценки квалификационных характеристик персонала по результатам деловой игры, позволяющая сформировать латентные параметры логистической кривой для моделирования результатов ответов в ходе деловой игры;

• методика формирования организационной структуры управления технологическими процессами, основанная на моделировании СеМО с вложенными алгоритмами стохастической аппроксимации и оценками квалификационных характеристик на основе компьютерных деловых игр;

• схема приведения сетевой структуры технологического процесса к модели СеМО, с последующей оптимизацией на основании алгоритмов стохастической аппроксимации.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов

Достоверность и обоснованность результатов работы обусловлена корректным использованием методов теоретико-множественного анализа, методов поисковой оптимизации, теории случайных процессов, а также использованием объемного массива статистической и отчетной информации, научной и методической литературы. Достоверность положений и выводов диссертации подтверждена положительными результатами внедрения результатов работы.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Практическая значимость результатов работы заключается в разработке программно-инструментальных средств разработки деловых имитационных игр, методов моделирования технологических процессов, включенных в систему моделирования организационных структур управления и др. Разработанные методы и алгоритмы прошли апробацию и внедрены для практического применения в ряде предприятий, а также используются в учебном процессе в МАДИ.

Результаты внедрения и эксплуатации подтвердили работоспособность и эффективность разработанных методов.

Апробация работы

Содержание разделов диссертации докладывалось и получило одобрение:

• на Российских и международных научно-технических конференциях и семинарах (2004-2013 гг.);

• на Заседаниях кафедры «Автоматизированные системы управления» МАДИ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Структура работы соответствует списку перечисленных задач, содержит описание разработанных методов, моделей и методик.

Во введении показана актуальность решаемой проблемы, сформулирована цель и задачи исследования, приводится краткое описание содержания глав диссертации.

В первой главе рассмотрены вопросы системного анализа методов описания и моделирования технологических процессов и организационных структур управления.

В диссертации проведен анализ научных школ. Среди отечественных и зарубежных исследователей теоретических вопросов исследования устойчивости и качества функционирования организаций и предприятий можно выделить работы Блинова О.Ф., Клейнера Г.Б., Короткова Э.М., Круглова М.И., Ламбена Ж.-Ж, Моисеевой Н.К., Ситнова А.П., Фатхутдинова P.A., Яковца Ю.В. и многих других ученых и специалистов.

Проблемы создания и развития организационных структур управления промышленными предприятиями освещены в работах Андреева В.П., Бездудного Ф.Ф., Болотова С.П., Брагиной З.В., Герасимова Б.И., Дельцовой В.А., Евенко Д.И., Есипова В.П., Когута А.Е., Мазура И.И., Малютиной Е.А., Мильнера Б.З., Романова А.П., Шапиро В.Д., Шубина A.B. и других авторов.

Методы и модели СеМО рассматриваются в работах Анисимова В.В., Башарина Г.П., Боровкова A.A., Бочарова П.П., Гнеденко Б.В., Жожикашвили В.А., Ивницкого В.А., Клейнрока Л., Климова Г.П., Кокса Д., Кофмана А., Маталыцкого М.А., Назарова A.A. и других.

Вопросам разработки деловых игр посвящены работы Аникеевой Н.П., Арутюнова Ю.С., Бабкина В.Ф., Баркалова С.А., Бельчикова Я.М., Бирштейна М.М., Галлямова Ф.Ф., Гуреева А.Б., Дереклеевой Н.И., Диновой Н.И., Дудченко B.C., Емельянова E.H., Панфиловой А.П., Платова В.Я., Щедровицкого Г.П., Щепкина A.B. и др.

Задачи повышения эффективности управления предприятиями решаются в трудах Авдонина Б.Н., Воронина Г.П., Герике Р., Гончарова В.В., Куличкова E.H., Лазинцева Ю.Н., Пименова В.В., Разумова И.М., Сало В.В., Самсонова К.П., Турко Н.И., Фальцмана В.К., Фарамазяна P.A. и других ученых.

Современная практика построения систем управления производством включает в себя ряд методов построения таких систем. Широкое распространение получили системы, основанные на управлении функциями, в которых технологические процессы представлены в виде последовательности действий либо подпроцессов, направленных на достижение промежуточного или конечного результата. Иерархическая пирамидальная структура подразделений, сгруппированных по выполняемым ими функциям, представляет собой первичное описание системы управления, построенной на принципах управления функциями. В ходе разработки моделей процессов управления выполняются следующие основные этапы.

1. Определение набора объектов управления.

2. Определение подхода к описанию технологических процессов.

3. Определение конфигурации моделей технологических процессов.

4. Выполнение моделирования технологических процессов.

5. Формирование параметров технологических процессов.

6. Подбор и назначение показателей эффективности технологическим процессам.

7. Определение временных и стоимостных показателей исполнения технологических процессов с целью их оптимизации.

На основе анализа текущего состояния производства и системы управления предприятием применимы следующие подходы к моделированию технологических процессов, представленные в табл. 1.

Таблица 1.

Подходы к созданию моделей технологических процессов_

№ Подход Использование

1. Выделение и описание совокупности отдельных технологических процессов предприятия Используется на предприятиях, находящихся в начальной стадии формализации системы управления. Обеспечивает оперативное решение задач формализации отдельной совокупности технологических процессов.

2. Создание комплексной модели технологических процессов предприятия Используется на предприятиях, осуществляющих полный цикл проектирования системы управления. Модель создается в соответствии с методологией ЭАОТ, что позволяет создать комплексную непротиворечивую модель процессов, получить распределение ответственности за

№ Подход Использование

основные результаты деятельности.

В зависимости от количества уровней системы управления и набора объектов управления, может создаваться не одна, а несколько моделей технологических процессов.

Далее в диссертации рассмотрены организационные модели, которые направлены на формирование различных подходов и принципов управления производственными процессами.

Управление всеми производственными процессами реализуются посредством создания структурной схемы подразделений с учетом специфики производства и других факторов, описанных выше. В современной практике применяются следующие подходы к формированию подразделений:

• функциональная модель: одно подразделение соответствует одной функции;

• процессная модель: одно подразделение соответствует одному процессу;

• модель, ориентированная на контрагента: одно подразделение соответствует одному контрагенту.

Модель, ориентированная на контрагента, полезна в условиях ограниченного количества потребителей и применяется по схеме: одно подразделение соответствует одному заказчику или одной группе заказчиков.

Наиболее распространенными являются функциональная и процессная модели, а также их различные модификации. В работе показано, что матричные структуры совмещают принципы построения функциональных и процессных систем.

Прямое подчинение - это непосредственное подчинение одного сотрудника или подразделения другому субъекту производственных отношений более высокого уровня. В этом случае начальник подразделения отдает распоряжения субъекту по подчиненности для исполнения этих распоряжений по административным и функциональным вопросам. Прямое подчинение лежит в основе создания иерархии должностей и подразделений.

Функциональное подчинение - это подчинение одного субъекта (сотрудника или подразделения) другому субъекту в пределах реализации определенных функций. В этом случае начальник подразделения отдает распоряжения субъекту по подчиненности только в рамках функционала подчиненного субъекта.

Для моделирования поведения персонала в процессе принятия решений по управлению производственными и технологическими процессами в диссертации предлагается использовать интерактивное имитационное моделирование.

На основании проведенного анализа методов интерактивного игрового моделирования выделены основные варианты организации деловой игры (рис. 1.) и характерологические признаки деловой игры (ДИ), положенные в основу построения функциональной схемы ДИ (рис. 2.).

Математические модели, описывающие технологические, организационные и другие процессы, в игровой имитации подвергаются численному исследованию и на его основе принимаются управленческие решения. Применение компьютерных технологий способствует успешной реализации процесса имитации, обеспечивая ряд преимуществ.

Экземпляра! ДИ

ОДИН .

несколько

3

1

I взаимодействующие (конкурирующие)

Рис. 1. Варианты организации ДИ Фактор времени, присутствующий и учитываемый в ДИ, накладывает определенные условия на процесс и результаты игры. Изменение масштаба времени дает возможность сокращать до минут и часов длительность процессов, измеряемых в сутках, годах. Наличие обратной связи в имитационной системе, благодаря многократному проигрыванию различных ситуаций, позволяет участникам игры, анализируя результаты, обучаться и в последующем принимать более эффективные решения по управлению производственными процессами.

Рис. 2. Функциональная схема ДИ

Использование ДИ в процессе обучения персонала предполагает использование дидактических методов, которые нашли широкое применение в педагогике. Успешно используются дидактические принципы наглядности, активности, доступности, связи теории с практикой, научности, заинтересованности и другие. Каждая ДИ в той или иной мере реализует эти принципы в соответствующие дидактики.

Далее в работе проведен анализ методов моделирования производственных и технологических процессов с точки зрения оценки временных характеристик. Показана целесообразность использования систем и сетей массового обслуживания (СеМО).

В терминах теории массового обслуживания, модель анализа системы в общем случае можно представить в виде замкнутой или разомкнутой СеМО с произвольными законами поступления и обслуживания заявок в узлах сети, наличием логических условий (блокировок), с различными дисциплинами обслуживания. Такая модель анализа задается кортежем М=((), Е1, Р, Ь, со, У, П), где: Q - множество узлов сети; £/={1,со} - емкости источников заявок; Р={Р1} - множество стохастических матриц перехода заявок в сети; Р1={р'у} - матрица вероятностей перехода заявок типа / из /-го узла в у'-й узел сети; 1<=Ь; Ь - множество типов заявок; ох £>—>&, & — множества допустимых типов СМО в узлах сети; У: (>х1—»Б, В = {¿>,(/), ®/2(/)} - множество, определяющее для заявок типа / характеристики обслуживания в узлах сети, где Ь,{Г), сг/(/) - среднее значение и дисперсия времени обслуживания заявки /-го типа в /-м узле; {2- {0,1,2,3,...} - определяет наличие или отсутствие в сети логических условий - блокировок: О - отсутствие блокировки; 1 -блокировка, связанная с наличием буфера ограниченного размера; 2 -блокировка, связанная с одновременным занятием заявкой нескольких ресурсов сети; 3 - блокировка, связанная с наличием ограничения количества заявок в некотором сегменте сети;... - другие виды блокировок.

Такая модель может быть проанализирована точными, приближенными, имитационными или гибридными методами. Выбор того или иного метода анализа зависит от набора случайных процессов, используемых для описания и анализа системы, ее структуры и типа, предположения й независимости или зависимости случайных величин, вида функций распределений и т.д.

Для моделирования логических условий реализуемости механизмов управления производственными и технологическими и производственными процессами в работе предлагается использование аппарата сетей Петри. Существует несколько причин для использования сетей Петри для моделирования технологических процессов.

Формальная семантика: процесс, описанный в терминах сетей Петри, имеет ясное и точное определение, т.к. семантика классических сетей Петри определена формально.

Графическое представление: сети Петри - это графический язык, который существенно облегчает общение с конечными пользователями.

Выразительность: сети Петри поддерживает все примитивы, необходимые для моделирования технологических процессов. Могут быть промоделированы все виды маршрутизации, существующие в современных системах управления технологическими процессами.

Анализ: сети Петри характеризуются наличием множества методик анализа. Эти методики могут использоваться для проверки свойств сетей Петри (безопасность, инвариантность, тупиков и т.д.). С этой точки зрения, возможно оценить эффективность альтернативных технологических процессов с использованием стандартных средств анализа, основанных на сетях Петри.

Независимость от производителя: сети Петри предоставляют независимый от конкретных инструментальных средств математический аппарат для моделирования и анализа процессов.

Далее в работе проведен анализ программных технологий создания инструментальных средств моделирования технологических процессов, организационных структур и деловых игр, который выявил целесообразность применения: технологии COM (Component Object Model) -для реализации оконечных точек двустороннего взаимодействия клиентской и серверной частей ДИ; ActiveX - для создания отдельно разрабатываемых и компилируемых, динамически подключаемых объектов, реализующих пользовательский интерфейс и логику сценариев нескольких ролей игры, совмещаемых в лице одного игрока; TCP/IP Sockets - для двусторонней передачи данных между оконечными точками клиентских и серверной частей ДИ; технологии фреймов (TFrame, повторно используемые встраиваемые фрагменты пользовательского интерфейса и логики) - для реализации сценариев отдельных ролей ДИ или их автоматных моделей; многопоточность - для эффективной обработки запросов клиентских частей ДИ серверной частью; FirebirdSQL (компактная свободная СУБД с поддержкой транзакций) - для хранения данных ДИ, игрового состава, журналов прохождения и итоговых результатов проведения ДИ; XML -XML - в качестве формата файла для промежуточного хранения, импорта и экспорта описания структуры модели технологических процессов и организационной структуры в виде СеМО и параметров имитационного процесса.

Во второй главе разработано формализованное представление технологических процессов в виде СеМО, полученное на основе их процессно-ориентированного описания, для оценки временных характеристик, позволяющее реализовать механизмы моделирования и параметризации локальных сред отдельных процессов.

Организационная структура в значительной мере определяется структурой потоков технологических процессов. По этой причине представляет интерес построение модели структуры управления технологическими связями. Технологический граф над множеством вершин N представляет собой ориентированный граф без петель T=<N, Ej>, дугам

которого (и, г)еЕг поставлены в соответствие г-мерные вектора у) с неотрицательными компонентами: 1т:Е7—*Рг+. Вершины данного графа - это элементарные операции технологического процесса предприятия или конечные исполнители. Связь (и, у)еЕт в технологическом графе означает, что от элемента и к элементу V идет г-компонентный поток сырья, материалов, энергии, информации и других ресурсов, при этом компоненты вектора /?(н, у) задают интенсивность каждой компоненты потока. Пример технологического графа с двухкомпонентными потоками приведен на рис. 3. Числовые значения данных компонент для каждой из дуг технологического графа описывают объем информации, необходимой для принятия решений.

5. Согласование /

условий 4 заказчиками

ев а;е?

Рис. 3. Технологический граф процесса

Вершины такого графа одновременно представляют собой и операции процесса, и рабочие места. Реализация этапов технологической цепи выполняется определенными исполнителями, между которыми установлены связи по подчиненности и разграничение. Каждому работнику предписано осуществление конкретного набора технологических операций. При этом нагрузка на каждого различная. В итоге технологический цикл формирует соответствующую Организационную структуру управления с необходимой численностью персонала.

В работе предполагается, что каждый производственный и технологический процесс может повторяться произвольное количество раз. Причем отдельные реализации могут идти параллельно во времени, занимая одни и те же ресурсы Я. Предполагается, что запуск каждой реализации процесса осуществляется некоторым инициатором. В частности процесс может быть представлен треком с повторяющимися технологическими операциями (рис. 4.).

{1} {1}

Рис. 4. Пример трека абстрактного технологического процесса

В работе рассмотрен случай задания достаточно близких по описанию процессов, например, (трек А) и 2г (трек В) (рис. 5.). В обоих треках используются эквивалентные операторы и й2, но они взаимодействуют с разными параметрами, как входными, так и выходными. В работе предложен

N

способ объединения описаний таких процессов. Для решения поставленной задачи определение инициатора дополнено возможностью включения в него параметров. Упорядоченная совокупность параметров представляют собой локальную среду процесса.

Рис. 5. Пример подобных описаний процессов В данном случае можно предложить следующую схему свертки описаний двух процессов (рис. 5.) в одно общее описание (рис. 6.). Как видно из рисунков, с инициатором I, связана локальная среда (а, е), а с инициатором Ь - локальная среда (f,g). Оператор h\ модифицирован в оператор h\, который связан с параметром Ь и первым параметром локальной среды инициатора. Оператор h'2 связан с параметрами Ь, с, d и вторым параметром локальной среды инициатора. Операторы h\ и h\ будем называть объединенными. Инициаторы Ij и 12 присутствуют в этой схеме одновременно.

I,

I,

(а,е)

/2->(Л*)'

Рис. 6. Объединенное описание процессов и 2г Данные рассуждения могут быть распространены на случай и параллельно протекающих процессов. Процессы, сгенерированные треком или структурой, использующими объединенные элементарные операторы и локальные среды будут подобными.

Так, для модели «Выполнение заказов потребителей» процесс «запускается» входящим потоком РП1 (поступившие в организацию заявки) и Л] (запас товаров, необходимых для выполнения заказов), а завершается выходными потоками Рп2 (заявки отклонены), Рт5 (требование на склад для бронирования товаров, где ш - номер требования), Р)7 (заявки производителям на поставку продукции, где ] - номер заявки производителю), Р"ю (заказы, доставленные потребителям) и Рпц (заказы, вывезенные транспортом потребителя).

Реализация процесса «Выполнение заказов потребителей» включает в себя 5 операций (Оь О2, Оз, О4 и О5), которые имеют входные и выходные,

преобразованные в результате их осуществления, объекты (рис. 7.). Так, для операции «прием и обработка заявок» (ОО входными объектами являются поступившие в организацию заявки (РП1), а выходными - отклоненные заявки (РП2) и заявки, принятые к выполнению (Р"з)- Логика преобразования входных потоков объектов в выходные по операциям представлена в табл. 2.

Рис. 7. Схема процесса «Выполнение заказов потребителей»

Таблица 2.

Преобразование потоков объектов_

Операция Логическая формула преобразования потоков

О1 Р, -» Р2 ИЛИ Р! Р3

о2 Р31*1 -*■ Р4Р5^1 или РзИ.1 -> РбРуЯ,

03 Р4Я1 -» Р9 или Р8Я1 -> Р9

о4 Рб^1 РЛ . .

о5 Р9 —► Рю ИЛИ Р9 —> Р11

Для того чтобы правильно оценить время и стоимость осуществления той или иной операции, на четвертом этапе производится их детализация. Она выявит последовательность выполняемых действий, в ходе которых объекты - заказы потребителей, обладающие определенным набором характеристик, преобразуются в конкретных операциях, а также передаются от одних операций к другим. Так, для операции «прием и обработка заявок» объект будет характеризоваться идентификационным номером заказа (Ои), наименованием организации-заказчика (012), банковским счетом заказчика (01.3) и др. При переходе в очередную операцию объекты наследуют из предшествующей некоторый набор характеристик, приобретают новые и утрачивают те из них, которые не нужны при выполнении текущей операции.

Далее решается задача совместимости логических условий реализации технологических процессов, на основе сети Петри, в которой реализован событийный подход.

В работе предполагается, что поток операций технологического процесса может быть представлен в терминах классической сети Петри, которая обладает определенными свойствами. Рассмотрим модель некоторой системы 10> рабочий режим которой состоит в выполнении поступающих заявок. Модель реализует событийный подход, когда функционирование системы представляется в виде последовательности событий, происходящих при наличии соответствующих условий. Произошедшее событие изменяет условия, что дает возможность произойти новым событиям, и так далее. В этом случае система Е0 может быть описана в виде сети Петри

Ъ0={в,Ро,Т0,Г0,М0т, (1)

где в - дискретное время, 0=0, 1, 2, ...; Л> = {ри •■■,рп} — множество

узлов, называемых позициями; То = {Л..... (т) — множество узлов,

называемых переходами; = Ро и — функция инцидентности; Р0р = 1ГЛ — матрица п*т, ||/>/|| — матрица т^п,/ри> 0 - кратность дуги отр1 к (,,/у/ > 0 - кратность дуги от // кр„ ; = 1...../),_/' = 1,..., т.

Сети Петри, моделирующие рассматриваемый в данной работе класс систем Ео, имеют следующие особенности.

1. Эти сети являются безопасными, и ресурс в каждой их позиции /я,(¿7) может принимать значения 0 или 1. При этом т,(0) = 1 свидетельствует о том, что имеется условие для выполнения определенной функции системы. Соответственно при т,{в) = 0 такое условие не выполнено.

2. Кратности всех дуг рассматриваемой сети /ру и /' = 1.....и,

)= 1,..., т могут принимать только значения 0 или 1, что говорит либо об отсутствии связи между узлами, либо о передаче (или потреблении) единичного ресурса от узла к узлу. Благодаря такому характеру связей обеспечивается свойство безопасности сети.

Сеть Петри для моделирования процесса «Выполнение заказов потребителей» имеет конфигурацию, изображенную на рисунке 8. При этом переходы сети - 1 = 1..9 - соответствуют совокупности операций по выполнению процесса. Позиции — Р,, I = 1..11 - соответствуют условиям переходов. Стрелками показаны дуги, соединяющие вершины графа разного типа. В качестве маркеров (фишек) выступают объекты - заявки от различных предприятий-заказчиков (Р1;, 1 = 1..11, ] = 1..П] - }-я заявка, поступающая в 1-ю позицию), поступающие в организацию, и ресурсы (Я]), соответствующие запасам товаров на складе организации.

Входной позиции сети (Р0 соответствуют поступившие в организацию заявки потребителей (Р\, Р2Ь ..., РП]). Выходными позициями (Р10 и Ри) выступают доставленные (Рпю) либо вывезенные транспортом потребителя (Р"п) скомплектованные заказы.

Каркас ДИ состоит из набора фрагментов, объединенных в некоторый сценарий, сформированный в соответствии с определенным алгоритмом. Сценарий собран в Конструкторе структурных элементов. Каркас предназначен для формирования организационно-структурной среды ДИ в результате прохождения участниками игры процедуры регистрации в ДИ и ее последующего расформирования при выходе участника из игры. Для пользователя выполнение фрагментов каркаса выглядит, как пошаговый мастер, в котором можно в любой момент можно прервать процесс регистрации или вернуться на предыдущий шаг (рис. 13.).

На рис. 13. приняты следующие обозначения: г у — фрагменты, реализующие сценарий i-й роли; try ... finally ... end - обработка исключений на уровне сценария ДИ. Она обеспечивает гарантированное выполнение деинициализирующего фрагмента каркаса.

Часть фрагментов, составляющих каркас, являются визуальными и предназначены для организации пользовательского интерфейса в процессе регистрации игрока в ДИ. Другие фрагменты являются невизуальными и предназначены для выполнения вспомогательных действий, обеспечивающих функционирование каркаса ДИ.

Для сокращения временных задержек, связанных с (нахождением в состоянии ожидания) выполнением длительных операций, возможна организация параллельного выполнения процессов в пределах одного экземпляра проигрывателя. При этом невизуальный (вспомогательный) процесс будет выполняться в фоновом режиме. Между основной нитью сценария и вспомогательными процессами возможно взаимодействие (Обмен данными) и синхронизация. Фоновые процессы также могут взаимодействовать между собой.

Большинство операций технологического процесса пересекается по ресурсам. Реализация операций идет отчасти синхронно, а отчасти асинхронно. В связи с этим, помимо приведенных выше нотаций, предлагаются модели описания технологических процессов в виде сетей Петри. Эти сетевые модели процессов составляют основу описания и реализации сценария интерактивной имитационной модели (ИИМ), что позволяет проверить корректность, выявить наличие в его описании тупиков и блокировок, а также в ходе обучения персонала и игрового имитационного процесса на ранних стадиях определять возможные варианты дальнейшего развития моделируемого технологического процесса.

Для приведенных типов сетей Петри вводятся дополнительные ограничения:

АЛ. Vx,ye ХР иГ : Х^У , если х*У> т-е.

отношение F* (транзитивное замыкание отношения F) не симметрично, сеть не содержит циклов.

А5. H(N)* ф л Vx e X, V£T1(xJ ; D"Yxi — конечен.

Это ограничение требует, чтобы любая сеть, представляющая процесс, имела непустое множество головных мест и не содержала "бесконечных" путей.

А 6. е Т ; Ч * ф л * ф, т.е. любой переход имеет хотя бы

одно входное и одно выходное место.

Такие сети-процессы имеют начальную разметку, причем стандартную: только головные места содержат по одной фишке.

Рассмотрим сеть, представленную на рис. 14. Можно видеть, что описание данного фрагмента сценария ДИ, моделирующего процесс обработки входящих рекламаций, имеет несколько недостатков. Если сработают переходы time out l и processing_2 или сработают переходы time_out_2 и processing_l, то работа сети не завершится корректно, потому что фишка останется в позиции с5 или с4. Если сработают переходы time_out_l и time_out_2, то тогда операция processing_NOK будет выполнена дважды и из-за наличия двух фишек в позиции о момент завершения работы сети неясен.

В работе показано, что описание процесса должно удовлетворять двум требованиям:

1) сеть имеет входную позицию i (начальное условие) и выходную позицию о (конечное условие);

2) каждая операция/условие лежит на пути из i в о.

3) для любого экземпляра технологического процесса работа сети обязательно должна завершиться и в момент завершения в позиции о будет находиться фишка, а все остальные позиции будут пустыми.

4) в сети не должно быть тупиковых операций, т.е. должна быть выполнима любая задача на соответствующем пути в сети Петри, описывающей технологический процесс, моделируемый в имитационной игре.

А7. Vpe Р:М0(р) =

1, если psH(N),

О в противном случае.

i register

processing^-----------^y-proceSsing_NOI<

processing^

Рис. 14. Сеть Петри, моделирующая процесс обработки входящих рекламаций от потребителей

Выполнение первых двух требований можно проверить методами статического анализа, т.е. они имеют отношение только к структуре сети Петри. Два дополнительных ограничения соответствуют так называемому свойству бездефектности сети.

Процесс, моделируемый сетью Петри /W=(P, Т, F) является бездефектным, если и только если:

1) Для каждого состояния М, достижимого из состояния существует последовательность срабатываний переходов, ведущая из состояния М в состояние о.

Формально: VM(i—) => (М—-—>о). (Здесь символ i используется для обозначения как позиции /, так и состояния с единственной фишкой в позиции i.)

2) Состояние о - единственное состояние, достижимое из состояния i с по крайней мере одной фишкой в позиции о.

Формально: VMf/'—'—>МлМ >0)=^(М = 0).

3) В (PN, i) отсутствуют тупиковые переходы.

Формально: V(e73MJM, i—'-—>М—'—>М'.

Свойство бездефектности относится к динамическому поведению сетей описания технологических процессов и может применяться для анализа их корректности в составе сценариев ДИ.

Полученное описание сети Петри позволяет исследовать топологию сценария НИМ, находить циклы и тупики. Кроме того, матричное описание полученной сети Петри позволяет находить инварианты сети, что позволяет решать задачу нахождения всех вариантов развития моделируемого технологического процесса в ходе обучающей игры с применением имитационной игровой модели.

Далее в Диссертации предложены механизмы формирования сценариев многоролевых деловых игр, которые получили программную поддержку в инструментальной среде «COTA». Общий случай организационно-структурной среды многоролевой ДИ представлен на рис. 15., где:

G — многоролевая деловая игра (МРДИ);

Rj — роли, предусмотренные в G; 1 < j < Nr, где Nr — количество ролей, предусмотренных в G;

g¡ — Созданные экземпляры G; 1 < i < Ng, где Ng — количество созданных экземпляров G;

r¡jk — экземпляры предусмотренных ролей в созданных экземплярах G; 1 < i <NRj, где Nrj — число созданных экземпляров роли Rj.

По своей структуре индивидуальная одноэкземплярная ДИ, имеющая возможность создания нескольких взаимодействующих экземпляров своей единственной роли, аналогична индивидуальной ДИ с единственным экземпляром этой роли, но поддерживающая несколько взаимодействующих экземпляров самой игры.

При выполнении этих условий возможность инициации начала игры может быть временно недоступна, если хотя бы в одном экземпляре ДИ начал регистрацию новый участник, но еще ее не закончил. Когда все желающие принять участие в игре зарегистрировались, инициировать начало игры может любой из игроков. Этот фрагмент является синхронизующим. • деинициализирующая часть:

4) F4 — завершение экземпляра роли. Если это был последний незавершенный экземпляр роли из всех экземпляров ролей, относящихся к данному экземпляру ДИ, то происходит завершение этого экземпляра ДИ. Этот фрагмент невизуальный.

Предложенные принципы создания ДИ позволяют частично автоматизировать процесс разработки новых игр за счет применения конструкторов для быстрой сборки сценария, параметрической настройки общего шаблона каркаса ДИ, наполнения репозитория типовых исполняемых фрагментов сценария и их повторного использования, наличия средств интеграции с математическими пакетами для реализации отдельных аспектов модельной составляющей сценария.

По результатам проведения игры на базе предложенной интерактивной игровой модели имеется возможность оценки квалификационных характеристиках персонала. Это позволяет рассчитать временные затраты на выполнение технологического процесса.

Варьируя численным составом и временными характеристиками кадровых ресурсов имитационной модели, связанных с каждой операцией технологического процесса, в работе решается задача распределения кадрового состава по операциям с целью улучшения временных характеристик процесса.

Так, случайные элементы a¡j матрицы ответов А являются индикаторами успешного выполнения г'-м участником задания j-го этапа ДИ, то есть

{1, если решение верное О, если решение неверное

Вероятности возможных значений a¡j в основной логистической модели Раша описывается функцией успеха вида

pü=РЫ(©/а)}=юры®* - а [1+exp(Q/ - o]-1. (6)

где уровень подготовленности 0, участника с № / и уровень трудности <5, задания с № /являются параметрами, подлежащими оцениванию; /=1,2,...,«; j = 1,2,...Д.

Проведена адаптация метода максимального правдоподобия для оценки квалификационных характеристик персонала по результатам деловой игры, позволяющая сформировать латентные параметры логистической кривой для моделирования результатов ответов в ходе деловой игры.

Функцией правдоподобия Ь дискретной случайной величины а,у является функция аргументов 6>„ <5; в виде произведения вероятностей (6) для всевозможных значений / и j:

Ф*;©/Л)=ПП рЫ0"5;)=

Ы 7=1 (?)

= ехр ¿¿аД©, - 5у) ПП(1 + ехр(®, - 6у)) _/=1 у=1 Л_,=1 у=1

В качестве точечных оценок латентных параметров принимают такие их значения 0,, 8., при которых функция правдоподобия (7) достигает максимума (речь идет о глобальном, а не о локальном максимуме). Оценки 0, и 6 называются оценками наибольшего правдоподобия.

Поскольку функции Ь и 1п Ь достигают максимума при одних и тех же значениях своих аргументов, то вместо отыскания максимума функции Ь будем искать максимум функции /л Ь логарифмической функции правдоподобия

1п1 = ¿Ь,©, - £с;8, - ¿¿/л[1 + ехр(©( - 6,)], (8)

/=1 )=1 /=1 у=1

где

1 л

2>(/=6-' 2>/,=<7 (9)

у=1 /=1

- первичные баллы участников и этапов сценария ДИ, соответственно.

Показано, что логарифмическая функция правдоподобия зависит только от первичных баллов и с; - достаточных статистик (9) исходных наблюдений (5).

Экстремум функции достигается только в критических точках, поэтому найдем частные производные функции (8) по каждому ее аргументу:

д,П1 - ^ - - — - / = 1,2.....л

50

д1п1

о5у

± * ехр(© - 5у) *

, =Ь'' ^1 + ехр(©,- -5у)

• = —с

А йф(е/-Д/)_с . _0. , 12 к («»

Полученная система (10) представляет систему уравнений правдоподобия. Она нелинейна и содержит и+А уравнений с п+к неизвестными латентными параметрами 6>„ ..., ©„, 8\,...,дк.

В работе показано, что система (10) имеет единственное решение, которое соответствует максимуму логарифмической функции правдоподобия.

В четвертой главе разрабатываются формализованные методы синтеза организационной структуры управления с точки зрения подбора персонала для каждой цепи технологического цикла общего производственного процесса.

Рассмотрена задача построения иерархического представления организационной структуры управления производственными и технологическими процессами промышленных объединений.

В случае горизонтального расположения технологического графа, представленного на рис. 3., создание организационной структуры можно сформулировать как задачу надстройки над технологическим графом дерева, узлами верхнего уровня которого будут управляющие узлы, руководящие производственными единицами нижележащего уровня, а узлами самого нижнего уровня, или листьями будут вершины технологического графа, при этом дуги дерева направлены от исполнителя к руководителю (рис. 18.).

(Н)

Рис. 18. Структура системы управления технологическими связями

Группа в узле V графа организации является объединением групп в узлах, находящихся под управлением узла V:

д(у)- 11*И.

В графе организации узел V контролирует технологические потоки только между вершинами находящейся в его подчинении группы g{v). Вектор //{£) суммарного потока между вершинами произвольной группы g определяется в виде:

'т(д):= ЪтМ.

и.уеЛ/

Так как общий поток внутри группы ¿(у) узла V равен а потоки

> ¡ЛФк)) контролируются непосредственными подчиненными узла V, то узел у контролирует только поток где

ФО,—, Фк) - группы в узлах-подчиненных {у,,..., п}=£?(у).

(12)

Существование каждого узла графа организации предполагает определенные издержки. Издержки на содержание узла V зависят от потока 17<у), контролирующего данный узел, и описываются функцией К(Ьт(у))>0.

Тогда стоимость содержания Р(С) всего графа организации С=<У, Е> (где V- множество управляющих узлов графа организации (то есть вершин, имеющих подчиненные вершины), а Е - множество дуг, определяющих взаимную подчиненность узлов) равна сумме стоимостей его узлов:

Р(С)= £/<(/»). (13)

Таким образом, задача определения структуры оптимальной системы управления технологическими связями формулируется как задача поиска оптимального дерева организации одной группы на множестве исполнителей с функционалом стоимости узла, где необходим непосредственный подсчет информационных потоков и временных показателей по принятию решений.

Временные характеристики принятия решений формируются на основе результатов деловой игры, а для решения задачи оценки эффективности перераспределения кадрового состава по операциям, в работе предложена схема приведения сетевой структуры технологического процесса к модели СеМО.

Далее построена схема приведения сетевой структуры технологического процесса к модели СеМО с последующей оптимизацией времени его реализации с применением алгоритмов стохастической аппроксимации. На примере технологического процесса «Выполнение заказа на ремонт дорожно-строительной и подъемно-транспортной техники» (рис. 19.) построена имитационная модель СеМО (рис. 20.), включающая последовательно-параллельное выполнение 17-ти основных операций процесса.

Поставлена задача нахождения такого варианта распределения фиксированного численного состава структурного подразделения «Участок» по выбранному набору выполняемым им операций технологического процесса, который минимизировал бы среднее время реализации процесса при заданных значениях средней интенсивности потока заказов и других параметров модели. В качестве операций для варьирования числом исполнителей на каждой из них были выбраны операции 3, 4, 6 и 13 как допускающие одновременное выполнение несколькими исполнителями и перераспределение численности исполнителей с учетом их компетенций. Суммарная численность перераспределяемых кадров - 20 чел.

"Товарно-трвнйпортная накладная;

Зяяпьв но приобретение

,. " Ч ■ й

'шти1''

приобретение::

запчастей

ОПТКиМС

Заявка ИИ ремонт узпаиЛ" агрегата

¡ШЕЕ

'тш'

Актприе^

транспортнйй!': |

накладная; „ : --

изготовлен«« [

АКТ юр« мок

Чдррщ!

Рис. 19. Схема процесса «Выполнение заказа на ремонт

дорожно-строительной и подъемно-транспортной техники»

возможных событий, происходящих в системе, и установлена их последовательность, определяющая логику взаимодействия. В программной оболочке реализованы основные классы, представленные в табл. 5.

Таблица 5.

Программные классы системы имитационного моделирования

Класс Описание

TFutureEventListltem событие - элемент списка будущих событий (СБС)

TFutureEventList список будущих событий (СБС)

TCurrentTaskListltem задача - элемент списка текущих задач (СТЗ)

TCurrentTaskList список текущих задач (СТЗ)

TUnitParams базовый класс параметров узлов модели

TGeneratorParams параметры генератора

TGeneratorsParams параметры всех генераторов (он один)

TTerminalParams параметры терминала

TTerminalsParams параметры всех терминалов

TServerParams параметры сервера

TServersParams параметры всех серверов

TServersOutlnLink связь между парой серверов по выходу-входу

TServersLinks связи между всеми серверами по выходу-входу

TUnitState базовый класс состояния узлов модели

TGeneratorState состояние генератора

TGeneratorsState состояния всех генераторов (он один)

TTerminalState состояние терминала

TTerminalsState состояния всех терминалов

TServerState состояние сервера

TServersState состояния всех серверов

TDEQSSimulation основной класс моделирования СеМО

Взаимосвязь классов представлена на рис. 27.

В классе TDEQSSimulation реализованы методы: Init(...) -инициализация модели (задание структуры моделируемой СеМО, параметров модели и ее узлов, подготовка внутренних структур (СБС, СТЗ)); Uninit — деинициализация модели, освобождение всей памяти, занимаемой внутренними структурами; InitAndRun(...) - инициализация модели и запуск имитации; Run - запуск имитации ранее проинициализированной модели; Stop(...) - завершение имитации; Pause - приостановка имитации; Resume -возобновление имитации. Класс также содержит набор программных событий, достаточный для гибкого управления ходом процесса моделирования, отслеживания всех изменений состояния каждого узла модели, сбора всевозможной статистики по каждому узлу и системе в целом, что обеспечивает высокую степень повторного использования данного класса и позволило с его применением в инструментальной среде

6. Показана возможность автоматического преобразования формальных схем описания технологических процессов в сценарий многоролевой деловой игры по подобию использования критических секций на основе блокирующих переменных при синхронизации потоков одного процесса.

7. Для оценки квалификационных характеристик персонала по результатам деловой игры разработана модификация метода максимального правдоподобия, позволяющая сформировать латентные параметры логистической кривой для моделирования результатов выполнения заданий в ходе деловой игры.

8. Сформулирована задача определения структуры оптимальной системы управления технологическими связями как задача поиска оптимального дерева организации одной группы на множестве исполнителей с функционалом стоимости узла, где необходим непосредственный подсчет информационных потоков и временных показателей процесса принятия решений.

9. Для решения задачи рационального распределения численности кадрового состава по технологическим операциям и оценки его эффективности предложена схема приведения сетевой структуры технологического процесса к модели СеМО с последующей оптимизацией на основании алгоритмов стохастической аппроксимации.

10.Разработан программно-моделирующий комплекс интерактивного игрового моделирования организационных структур предприятий и промышленных объединений с использованием сетей массового обслуживания. Разработанные методы, алгоритмы и программы прошли апробацию и внедрены для практического применения в ряде промышленных предприятий, а также используются в учебном процессе МАДИ.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Монографии

1. Баринов, К.А. Теория и практика интерактивного игрового моделирования / К.А. Баринов, Л.В. Приходько, С.Н. Сатышев // М., Изд-во МАДИ, 2013.-156 с.

Публикации в журналах, рекомендованных ВАК

2. Баринов, К.А. Опыт внедрения инновационных мультимедийных учебно-методических комплексов в учебный процесс / К.А. Баринов, A.B. Остроух, М.Н. Краснянский, П.С. Рожин, Н.Е. Суркова // Вестник МАДИ (ГТУ), вып. 1 (8) / МАДИ (ГТУ). - М„ 2007. - С. 89-94.

3. Баринов, К.А. Реализация деловых игр в компьютерных системах обучения / К.А. Баринов, A.B. Остроух, Н.Е. Суркова // Открытое и дистанционное образование, № 3 (27), Томский государственный университет 2007. - С. 28-33.

4. Баринов, К.А. Опыт разработки и использования электронных образовательных ресурсов нового поколения для дистанционной технологии обучения / К.А. Баринов, Д.А. Буров, М.Н. Краснянский, A.B. Остроух // Научный вестник МГТУ ГА, вып. №141 / МГТУ ГА. - М., 2009. - С. 181-188.

5. Баринов, К.А. Опыт разработки и использования ролевых игр для подготовки и переподготовки специалистов предприятий промышленности и транспортного комплекса / К.А. Баринов, A.B. Бугаев, Д.А. Буров, A.B. Остроух // Научный вестник МГТУ ГА, вып. №141 / МГТУ ГА. - М., 2009. -С. 189-197.

6. Баринов, К.А. Виртуальные тренажерные комплексы для обучения и тренинга персонала химических и машиностроительных производств / К.А. Баринов, Д.Л. Дедов, М.Н. Краснянский, A.B. Остроух, A.A. Руднев // Вестник ТГТУ. Том 17. № 2. - Тамбов, 2010. - С. 497-501.

7. Баринов, К.А. Формирование организационной структуры управления промышленным предприятием с использованием многоролевых деловых игр / К.А. Баринов, А.Б. Власов, В.Ю. Строганов, Г. Г. Ягудаев // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон, журн. 2011. № 8. Режим доступа: http://technomag.edu.ru/doc/206805.html (дата обращения 27.09.2013).

8. Баринов, К.А. Инструментарий деловых игр в задачах управления реализацией продукции в условиях конкуренции / К.А. Баринов, A.A. Солнцев, П.А. Тимофеев, В.М. Рачковская // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон, журн. 2011. № 9. Режим доступа: http://technomag.edu.ru/doc/207618.html (дата обращения 27.09.2013).

9. Баринов, К.А. Формальные модели представления и организации деловых игр / К.А. Баринов, Б.С. Горячкин, JI.B. Иванова, А.Б. Николаев // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон, журн. 2011. № 9. Режим доступа: http://technomag.edu.ru/doc/207391.html (дата обращения 27.09.2013).

10.Баринов, К.А. Взаимосвязь модулей учебного плана / К.А. Баринов, О.Б. Рогова, Д.В. Строганов // В мире научных открытий, вып. № 9 (21) / НИЦ. - Красноярск, 2011. - С. 28-34.

11.Баринов, К.А. Интеллектуализация тестового контроля в системах открытого образования / К.А. Баринов, J1.B. Иванова, Е.Ю. Толкаев, Г.Г. Ягудаев // В мире научных открытий, вып. № 9 (21) / НИЦ. - Красноярск, 2011.-С. 86-92.

12.Баринов, К.А. Методы и алгоритмы адаптивного компьютерного тестирования / К.А. Баринов, Карташев М.И. // В мире научных открытий, вып. № 9 (21) / НИЦ. - Красноярск, 2011. - С. 93-106.

13.Баринов, К.А. Оценка качества гетерогенного тестирования / К.А. Баринов, J1.B. Иванова, К.А. Николаева // В мире научных открытий, вып. № 9 (21) / НИЦ. - Красноярск, 2011. - С. 126-130.

14.Баринов, К.А. Алгоритм проектирования виртуального тренажерного комплекса для переподготовки персонала нефтехимического предприятия /

К.А. Баринов, М.Н. Краснянский, А.Ю. Маламут, A.B. Остроух, Г.Г. Ягудаев // В мире научных открытий, вып. № 2.6 (26) / НИЦ. - Красноярск, 2012. - С. 168-174.

Публикации в других изданиях

15.Баринов, К.А. Разработка программного интерфейса взаимодействия с пакетом STATISTICA / К.А. Баринов, И.А. Тычина, H.A. Пилипенкова // Моделирование и оптимизация в управлении: сб. науч. тр. / МАДИ (ГТУ). -М., 2003.-С. 127-131.

16.Баринов, К.А. Использование метода фрактального кодирования для повышения информационной безопасности в автоматизированных системах / К.А. Баринов, И.А. Горюшко, И.О. Саркисова // Моделирование и оптимизация в управлении: сб. науч. тр. ч.2 / МАДИ (ГТУ). - М., 2003. - С. 35-39.

17.Баринов, К.А. Организация оптимального тестирования в системе подготовки, повышения квалификации и аттестации кадров / К.А. Баринов,

B.Ю. Строганов, М.В. Приходько, О.Б. Рогова // Телекоммуникационные технологии в промышленности и образовании: сб. науч. тр. / МАДИ (ГТУ). -М„ 2003.-С. 73-84.

18.Баринов, К.А. Формализованное описание связности модулей в интегрированной адаптивной среде обучения и тестирования «COTA» / К.А. Баринов, А.Б. Николаев, Д.В. Строганов, П.С. Рожин // Телекоммуникационные технологии в промышленности и образовании: сб. науч. тр. / МАДИ (ГТУ). - М., 2003. - С. 85-91.

19.Баринов, К.А. Принципы конструирования лекций, тестов и практикумов в системе дистанционного обучения / К.А. Баринов, Д.В. Строганов, И.О. Саркисова, Г.В. Мельник // Информационные технологии в задачах управления и обучения: сб. науч. тр. ч.2 / МАДИ (ГТУ). - М., 2003. -

C. 117-121.

20.Баринов, К.А. Практика разработки подсистемы редактирования индивидуальной образовательной траектории в электронных средствах учебного назначения / К.А. Баринов // 62 научно-методическая и научно-исследовательская конференция МАДИ (ГТУ). - МАДИ (ГТУ), Москва, Россия, 26 января - 6 февраля, 2004.

21.Баринов, К.А. Моделирование интеллектуальной системы тестового контроля на базе сетей Петри / К.А. Баринов // Теория и практика информационных технологий: сб. науч. тр. / МАДИ (ГТУ). - М., 2004. - С. 10-25.

22.Инструментальные средства реализации интегрированных технологий адаптивного обучения / К.А. Баринов, А.Б. Николаев, H.A. Пилипенкова, М.В. Приходько, В.Ю. Строганов; МАДИ (ГТУ). - М., 2004. -40 е.: 25 ил. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 09.04.2004. № 593-В2004. - с.76-114.

23.Баринов, К.А. Модели формирования гетерогенных тестов в системе переподготовки кадров / К.А. Баринов, J1.B. Иванова, М.В. Приходько //

Теория и практика информационных технологий: сб. науч. тр. / МАДИ (ГТУ). - M., 2004. - С. 26-30.

24.Barinov, К. Aspects of study element structure development for computer based éducation // 6-th International Conférence of Information and Télécommunication Technologies in Intelligent Systems. - Barcelona, Spain, 24-30may, 2004.-С. 56-58.

25.Баринов, К.A. Практика разработки системы обучения, тестирования, адаптации («COTA») / К.А. Баринов, Д.В. Строганов, П.С. Рожин, А.В. Остроух // Информационные технологии в образовании: сб. науч. тр. ч.У -М.: Просвещение, 2004. - С. 97-98.

26.Баринов, К.А. Алгоритм генерации индивидуальной образовательной траектории на основе нечетких отношений связности модулей / К.А. Баринов, В.Ю. Строганов, М.В. Приходько, Д.А. Терехин // Моделирование технологических процессов в промышленности и образовании: сб. науч. тр. / МАДИ (ГТУ). - М„ 2004. - С. 23-28.

27.Баринов, К.А. Разработка модели оценки и переоценки сложности учебных материалов / К.А. Баринов, Д.В. Строганов, Д.А. Терехин, О.Б. Рогова // Моделирование технологических процессов в промышленности и образовании: сб. науч. тр. / МАДИ (ГТУ). - М., 2004. - С. 29-33.

28.Баринов, К.А. Построение адаптивных процедур тестового контроля / К.А. Баринов, Н.Е. Суркова // Вестник Российского нового университета. Серия «Естествознание, математика, информатика», вып. №4 / РосНОУ. -М„ 2004.-С. 73-75.

29.Баринов, К.А. Автоматизация процесса создания и предъявления учебных курсов / К.А. Баринов // 63 международная научно-методическая и научно-исследовательская конференция «МАДИ (ГТУ) - 75 лет». - МАДИ (ГТУ), Москва, Россия, 24 января - 5 февраля, 2005.

30.Баринов, К.А. Применение методических приемов разработки мультимедийных учебных материалов при создании электронного учебника по дисциплине «Материаловедение» / Л.Г. Петрова, О.В. Чудина, А.В. Остроух, К.А. Баринов // Инженерная педагогика: сб. ст. вып. 7 / МАДИ (ГТУ). - М„ 2006. - С. 121-130.

31.Barinov, К.А. Network adaptive technologies of training and testing / K.A. Barinov, A.B. Nikolaev, V.Y. Stroganov, P.S. Rozhin // Information and Télécommunication Technologies in Intelligent Systems. Proceedings of International Conférence in Catania, Italy, may 27 - june 03,2006. - C. 34-36.

32.Подготовка преподавателей по разработке электронных учебников (Текст к мультимедийному учебному пособию). Teachers training on electronic manual development (TREM) / К.А. Баринов, Г.И. Арутюнова, А.В. Бугаев, С.И. Дворецкий [и др.] // Tempus-Project PP_SCM_T081A04-2004 / МАДИ (ГТУ). - М., 2006. - 298 с.

33.Баринов, К.А. Алгоритм формирования гетерогенных тестов / К.А. Баринов, А.В. Яшуков, Лян Лян // Инновационные технологии на транспорте и в промышленности: сб. науч. тр. / МАДИ (ГТУ). - М., 2007. - С. 4-9.

0,V. Chudina, A.V. Ostroukh // Joining Forces in Engineering Education Towards Excellence. Proceedings, SEFI and IGIP Join Annual Conference 2007. - Miskolc, Hungary, 1-4 july, 2007. - C. 127-128.

44.Barinov, Kirill Algorithm of heterogeneous tests forming / Kirill Barinov, Andrey Nikolaev, Victor Stroganov // Joining Forces in Engineering Education Towards Excellence. Proceedings, SEFI and IGIP Join Annual Conference 2007. -Miskolc, Hungary, 1-4 july, 2007. - C. 385-386.

45.Баринов, К.А. Конструирование гетерогенных тестов в системе СОТА / К.А. Баринов, В.Ю. Строганов // 66 научно-методическая и научно-исследовательская конференция МАДИ (ГТУ). - МАДИ (ГТУ), Москва, Россия, 29 января - 7 февраля, 2008.

46.Баринов, К.А. Создание звукового сопровождения для мультимедийных обучающих курсов / К.А. Баринов, JI.M. Васьковский // Вопросы теории и практики автоматизации в промышленности: сб. науч. тр. / МАДИ (ГТУ). - М„ 2008. - С. 11-16.

47.Barinov, К.А. Application of the module-competentive approach in development of electronic educational resources for e-learning system of professional education institution / K.A. Barinov, A.V. Ostroukh // Engineering Competencies - Traditions and Innovations. Proceedings, 37-th International IGIP Symposium 2008. - Moscow, Russia, 7-10 September, 2008. - C. 253-254.

48.Баринов, К.А. Портальные системы для централизованного доступа к информации (на примере MS Office SharePoint Server 2007) / К.А. Баринов, Д.А. Учеваткин // Перспективные технологии управления в автотранспортных системах: сб. науч. тр. / МАДИ (ГТУ). - М., 2009. - С. 6974.

49.Баринов, К.А. LabVIEW - технология виртуальных приборов / К.А. Баринов, А.Ю. Маламут // Интеграционные решения в промышленности, науке и образовании: сб. науч. тр. № 4/48 / МАДИ. - М., 2010. - С. 170-175.

50.Barinov К.А. Algorithm of Virtual Training Complex Designing for Personnel Retraining on Petrochemical Enterprise / K.A. Barinov, M.N. Krasnyanskiy, A.J. Malamut, A.V. Ostroukh // International Journal of Advanced Studies 2, № 3 (2012). Режим доступа: http://journal-s.org/index.php/ijas/article/view/201236/pdf_13 (дата обращения 27.09.2013).

Подписано в печать: 25.11.13 Тираж: 100 экз. Заказ № 1079 Объем: 2,5 усл.п.л. Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект д.74 (495)790-47-77 www.reglet.ru

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

КОНЦЕПЦИЯ ИНТЕРАКТИВНОГО ИГРОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ОРГАНИЗАЦИОННЫХ СТРУКТУР ПРЕДПРИЯТИЙ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕДИНЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЕТЕЙ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

0520145008©

БАРИНОВ КИРИЛЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

Научный консультант: Заслуженный деятель науки РФ, д.т.н., профессор Николаев Андрей Борисович

Москва - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................5

1. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ, МЕТОДОВ И МОДЕЛЕЙ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ФОРМИРОВАНИЯ ОРГАНИЗАЦИОННЫХ СТРУКТУР ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕДИНЕНИЙ, ПОДХОДОВ И НАПРАВЛЕНИЙ СОЗДАНИЯ ДЕЛОВЫХ ИГР..........................................15

1.1. Анализ научных школ...................................................................................16

1.2. Анализ подходов к описанию и моделированию технологических процессов...............................................................................................................17

1.3. Принципы формирования организационных структур..............................23

1.3.1. Сущность организационной структуры....................................................25

1.3.2. Принципы формирования организационных структур...........................28

1.3.3. Типы организационных структур управления.........................................32

1.3.4. Направления совершенствования организационной структуры управления предприятием....................................................................................45

1.3.5. Классификация моделей анализа и синтеза организационных структур..................................................................................................................53

1.4. Деловые игры..................................................................................................59

1.4.1. Назначение деловых игр.............................................................................59

1.4.2. Методическая сущность деловой игры.....................................................61

1.4.3. Роль деловых игр в системе подготовки специалистов..........................63

1.4.4. Характеристика основных имитационных методов активного обучения.................................................................................................................65

1.4.5. Разработка деловой игры............................................................................72

1.4.6. Особенности деловых имитационных игр для исследования механизмов функционирования организационных систем..............................74

1.5. Имитационное моделирование технологических процессов....................95

1.6. Применение аппарата сетей Петри для моделирования технологических процессов и сценариев деловых игр.....................................97

1.7. Обоснование выбора программной платформы создания

инструментальных средств................................................................................100

Выводы по главе 1...............................................................................................101

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ВИДЕ

СЕТЕЙ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ...............................................104

2.1. Примеры технологических процессов для последующего создания их имитационных моделей в виде СеМО..............................................................104

2.1.1. Процесс «Выполнение заказа на ремонт дорожно-строительной и подъемно-транспортной техники»....................................................................104

2.1.2. Процесс «Выполнение заказа на ремонт узлов и агрегатов»...............118

2.2. Процессно-ориентированное описание параллельно-последовательного выполнения отдельных этапов технологических схем на общем пространстве

ресурсов................................................................................................................126

2.3. Моделирование технологических процессов в виде сети массового обслуживания......................................................................................................143

2.4. Инструментальные средства создания моделей СеМО...........................145

2.4.1. Возможности по заданию структуры СеМО..........................................147

2.4.2. Графический редактор схемы СеМО......................................................149

2.4.3. Режимы проведения имитационных экспериментов............................150

2.5. Примеры моделирования технологических процессов в виде СеМО с

расчетом реальных временных характеристик................................................162

Выводы по главе 2...............................................................................................164

3. КОНЦЕПЦИЯ ИНТЕРАКТИВНОГО ИГРОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ОРГАНИЗАЦИОННЫХ СТРУКТУР ПРЕДПРИЯТИЙ (ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕДИНЕНИЙ) С

ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЕТЕЙ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ.....165

3.1. Преобразование моделей описания технологических процессов в сети

Петри для последующего анализа сценария деловой игры............................166

3.2. Моделирование описаний технологических процессов как частей сценариев деловых игр с помощью сетей Петри.............................................179

3.3. Модель сети Петри для решения задачи реализации совместимости логических условий выполнения технологических процессов на примере расчета производственных издержек................................................................189

3.4. Принципы создания компьютерных многоролевых имитационных деловых игр..........................................................................................................202

3.4.1. Основные понятия.....................................................................................202

3.4.2. Принципы формирования сценариев компьютерных многоролевых деловых игр..........................................................................................................205

3.4.3. Процесс создания многоролевой ДИ......................................................207

3.4.4. Состав и функционирование программного каркаса ДИ......................208

3.4.5. Организация потоков управления при реализации сценариев ДИ......215

3.4.6. Механизм синхронизации процессов проигрывания сценариев ДИ при совместной работе на общем поле данных......................................................216

3.4.7. Организация параллельных процессов в пределах одного экземпляра проигрывателя.....................................................................................................217

3.5. Применение и разработка виртуальных тренажеров в контуре моделирования технологических процессов в сценариях имитационных деловых игр..........................................................................................................221

3.6. Оценка квалификационных характеристик по результатам ДИ на основе перекрестных оценок участников игры друг другом......................................227

3.7. Адаптация метода максимального правдоподобия для оценки

квалификационных характеристик участников ДИ........................................228

Выводы по главе 3...............................................................................................230

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ И МЕХАНИЗМОВ СИНТЕЗА ОРГАНИЗАЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ УПРАВЛЕНИЯ.....232

4.1. Планирование эксперимента на имитационных моделях СеМО............232

4.1.1. Вероятность принадлежности интервалу погрешности в имитационной модели технологического процесса..................................................................233

4.2. Задача оптимизации на имитационных моделях......................................237

4.2.1. Формализованное описание управляемой имитационной модели......239

4.2.2. Построение алгоритма оптимизации на имитационных моделях.......241

4.2.3. Анализ сходимости алгоритма управления имитационным процессом ...............................................................................................................................244

4.3. Базовые подходы к моделированию организационных структур...........252

4.3.1. Определение типа организационной структуры управления предприятием.......................................................................................................253

4.3.2. Модель формирования организационной структуры как свертки треков технологических процессов...............................................................................258

4.3.3. Модель формирования организационной структуры на основе

технологического графа.....................................................................................261

Выводы по главе 4...............................................................................................265

5. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СРЕДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОРГАНИЗАЦИОННЫХ СТРУКТУР...........................................................268

5.1. Функционал инструментальной среды создания имитационных моделей СеМО....................................................................................................................268

5.2. Программные компоненты поддержки проведения и создания компьютерных многоролевых деловых игр.....................................................274

5.2.1. Программные компоненты поддержки проведения многоролевых деловых игр..........................................................................................................274

5.2.2. Функционал редактора параметров каркаса ДИ....................................284

5.2.3. Структуры данных, используемые для конструирования и функционирования компьютерных многоролевых деловых игр...................285

5.3. Решение задачи по совершенствованию организационной структуры предприятия на примере ОАО «19 Центральный автомобильный ремонтный

завод»....................................................................................................................288

Выводы по главе 5...............................................................................................297

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................299

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...................................306

ПРИЛОЖЕНИЕ. Акты внедрения результатов работы...........................321

ВВЕДЕНИЕ

Организационный и технологический уровень современных промышленных предприятий во многом определяется созданием и применением действенных механизмов формирования и реализации стратегических планов развития и степенью эффективности оперативного управления всеми производственными, логистическими, организационно-экономическими процессами, имеющими своей целью достижение высокой рентабельности производства, получение прибыли, развитие и совершенствование производства. В этой связи построение организационной структуры управления предприятием является сложной многоуровневой проблемой. Принципы и методы построения организационной структуры управления напрямую зависят от множества факторов. Наиболее значимыми из них являются специфика конкретного производства, наборы применяемых технологических процессов, объемы производства, используемые производственные мощности, технико-экономические и качественные показатели выпускаемой продукции, уровень квалификации технического и административно-управленческого персонала, организационно-правовая форма юридического лица, организация внутреннего и внешнего документооборота. Ряд факторов носит постоянный характер на некотором временном интервале для конкретного производства и оказывает существенное влияние в основном на начальной стадии формирования организационной структуры управления. Это профиль производства, его масштабы, материально-техническая база и другие. Другая группа факторов носит более вариативный характер. Это материальное снабжение, система сбыта готовой продукции, финансово-экономический блок и другие. Структура и динамика подобных факторов поддается формализации и моделированию с использованием известных методов и методик как в части текущих процессов, так и в области планирования. Наибольшей сложностью и динамикой характеризуются процессы, связанные с оценкой квалификации,

расстановкой и управлением кадровыми ресурсами. Эта проблема особенно актуальна для крупных промышленных объединений, наукоемких производств и инновационных предприятий, где в условиях внедрения новых технологий, инновационных разработок отсутствуют четкие нормативы либо сама возможность нормирования отдельных процессов и их последовательностей.

Под структурой управления понимается упорядоченная совокупность устойчиво взаимосвязанных элементов, обеспечивающих функционирование и развитие организации как единого целого. Организационная структура управления определяется также как форма разделения и кооперации управленческой деятельности, в рамках которой осуществляется процесс управления по соответствующим функциям, направленным на решение поставленных задач и достижение намеченных целей. С этих позиций структура управления представляется в виде системы оптимального распределения функциональных обязанностей, прав и ответственности, порядка и форм взаимодействия между входящими в ее состав органами управления и работающими в них людьми.

Поэтому организационную структуру любого предприятия следует рассматривать с разных позиций и с учетом разных критериев. На ее действенность и эффективность влияют действительные взаимосвязи, возникающие между людьми и их работой (это отражается в схемах организационных структур и в должностных обязанностях); действующая политика руководства и методы, влияющие на человеческое поведение; полномочия и функции работников организации на различных уровнях управления (низшем, среднем, высшем).

При верном сочетании указанных трех факторов в организации может быть создана такая рациональная структура, при которой существует реальная и благоприятная возможность достижения высокого уровня эффективности производства.

Задача построения организационной структуры в условиях промышленного производства является задачей верхнего уровня по отношению к другим задачам управления производственными процессами. Постановка и решение этой задачи на высоком научно-техническом уровне является необходимым условием организации эффективного производства, высокой конкурентоспособности выпускаемой продукции, роста финансово-экономических показателей, постоянного динамичного развития и совершенствования производства.

Актуальность темы диссертационной работы определяется необходимостью оптимизации организационной структуры управления предприятием как задачи «верхнего уровня», подлежащей первоочередному решению в качестве базовой составляющей эффективного функционирования и успешного развития любого промышленного предприятия, независимо от тематики выпускаемой продукции и объемов производства.

Данная работа направлена на решение проблем оптимизации и оценки эффективности организационных структур и управленческих решений за счет применения при их проектировании, разработке и внедрении формального представления таких систем и моделирования соответствующих производственно-технологических процессов.

Целью работы является повышение эффективности реализации технологических процессов промышленными объединениями за счет разработки и использования формальных моделей описания технологических процессов, организационных структур и управленческих мероприятий на базе интерактивного игрового моделирования.

Для достижения цели в диссертации последовательно решаются задачи:

• системный анализ методов и моделей описания технологических процессов, организационных структур управления и сценариев компьютерных многоролевых деловых игр;

• разработка формализованного представления технологических процессов в условиях стохастической неопределенности;

• разработка моделей оценки временных характеристик и синхронизации технологических процессов;

• разработка методики преобразования формального представления технологических процессов в сценарий деловых игр;

• разработка концепции формирования деловых игр для оценки квалификационных характеристик персонала промышленных объединений;

• разработка моделей параметрической оптимизации организационных структур управления технологическими процессами;

• разработка программно-моделирующего комплекса игровых и сетевых моделей для совершенствования организационных структур на основе полученных оценок их эффективности.

Научная новизна работы заключается в разработке концепции интерактивного игрового моделирования организационных структур предприятий и промышленных объединений с использованием сетей массового обслуживания.

На защиту выносятся:

• формализованное представление технологических процессов и модель сети массового обслуживания (СеМО) для оценки временных характеристик, которые позволяют реализовать механизмы моделирования и параметризации локальных сред отдельных процессов;

• модель сети Петри в задаче совместимости логических условий реализации технологических процессов, в которой реализован событийный подход;

• принципы построения сценариев и инструментальных средств создания многоролевых компьютерных деловых игр, обеспечивающих интерактивное моделирование, проверку корректности, выявление тупиков и блокировок, а также возможные варианты дальнейшего развития моделируемого технологического процесса;

• модель преобразования технологических процессов в сценарий деловой игры, основанная на использовании критических секций на основе блокирующих переменных при синхронизации потоков одного процесса;

• адаптация метода максимального правдоподобия для оценки квалификационных характеристик персонала по результатам деловой игры, позволяющая сформировать латентные параметры логистической кривой для моделирования результатов ответов в ходе деловой игры;

• методика формирования организационной структуры управления технологическими процессами, основанная на моделировании СеМО с вложенными алгоритмами стохастической аппроксимации и оценками квалификационных характеристик на основе компьютерных деловых игр;

• схема приведения сетевой структуры технологического процесс