автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Методы и средства имитационного моделирования систем управления материальными ресурсами дискретного машиностроительного производства на основе сетей Петри

На правах рукописи

Степаненко Виктор Евгеньевич

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНЫМИ РЕСУРСАМИ ДИСКРЕТНОГО МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА ПА ОСНОВЕ СЕТЕЙ ПЕТРИ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

005542348

Комсомольск-на-Амуре 2013

005542348

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Комсомоль-ский-на-Амуре государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «КнАГТУ»)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент кафедры

«Промышленная электроника» ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет», Фролов Дмитрий Николаевич

Официальные оппоненты: декан факультета «Автоматизации и информационных технологий» ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет», доктор технических наук, профессор Вороннн Владимир Викторович

заведующий кафедрой «Математическое обеспечение и применение ЭВМ», ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет», кандидат технических наук, профессор Тихомиров Владимир Александрович

Ведущая организация: ОАО «Амурская ЭРА», г. Комсомольск-на-

Амуре

Защита состоится «20» декабря 2013 г. в 9:00 на заседании диссертационного совета Д 212.092.04 при ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» по адресу: 681013, г.Комсомольск-на-Амуре, пр.Ленина, 27, ауд.201-3, e-mail: kepapu@knastu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» и на сайте www.knastu.ru.

Автореферат разослан «20» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

В.И. Суздорф

ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ РАБОТЫ

Актуальность работы. В современных рыночных условиях при управлении производственными предприятиями на первый план выходит снижение себестоимости продукции с одновременным сохранением и повышением ее качества. Одним из ключевых вопросов, напрямую влияющих на обеспечение снижения затрат в машиностроении, является организация управления материальными ресурсами1. Основой этих процессов является выработка управленческих решений лицом или группой лиц, принимающих их (ЛПР). Зачастую критериями, на основе которых ЛПР вырабатывает управленческое решение (УР), являются: уровень затрат (материальные, трудовые затраты и т.п.), которые возникают в процессе производства и могут быть сокращены; сроки выполнения процесса производства (будет ли выполнен план в срок). Однако машиностроительной отрасли (в частности, авиастроению) присущи некоторые особенности: сложность структуры конечного изделия (состав изделия, представленный в виде древовидной иерархической структуры, достигает несколько десятков уровней вложения); многономенклатурность используемых материальных ресурсов (количество наименований стандартных деталей достигает несколько десятков тысяч); огромное количество дискретных технологических процессов, состоящих из еще большего количества технологических операций с разной их протяженностью во времени; параллелизм технологических процессов.

Эти особенности делают процесс принятия решения затруднительным, а иногда и невозможным без дополнительной информационной поддержки. Такую поддержку способны обеспечить автоматизированные системы имитационного моделирования, которые позволяют проигрывать различные сценарии развития процесса и выявлять наилучший из них. Основу подобных средств составляют дискретно-событийные модели. В качестве теоретического базиса в таких моделях могут быть применены: теория автоматов; сети и системы массового обслуживания; системы временной логики; методы структурно-функционального анализа бизнес-процессов и др. Несмотря на достаточную проработку указанных выше методов построенные на их основе средства информационной поддержки не получили широкого распространения в управлении движением материальных ресурсов машиностроительного производства (и авиационной отрасли в частности). Среди основных причин данного факта можно выделить: сложность для понимания моделей лицами, незнакомыми с теоретическими основами методологии, отсутствие наглядного способа представления моделируемого процесса, невозможность представления четких количественных критериев для выработки УР, отсутствие проработанных технологий реализации модели в рамках автоматизированной системы управления предприятием (АСУП).

1 Имеются ввиду не только непосредственные материалы и сырье, но и объекты незавершенного производства, например: детали, сборки и пр., движение которых также играет немаловажную роль в дискретном производстве.

На сегодняшний день достаточно хорошо проработана теория сетей Петри (СП). Данный математический аппарат позволяет проводить формальный анализ (классические сети Петри) и процедуру имитационного моделирования (расширенные сети Петри). Графическое представление сети и возможность разметки графа естественным образом представляют движение ресурсов в процессе производства. Переходы СП позволяют смоделировать технологический процесс или технологическую операцию. Такое представление производства могло бы решить ряд вышеназванных проблем. Систематическое изучение свойств СП началось на рубеже 60-х и 70-х гг. и продолжается до сих пор. Среди авторов, в разное время занимавшихся исследованиями в области СП, можно отметить Н. А. Анисимова, О. JI. Бандман, И. Б. Вирбицкайте, В. Е. Котова, И. А. Ломазову, В. А. Соколова, JI. А. Черкасову, Дж. Питерсона, К. Иенсена, JI. Кристенсена и многих других. Предложенный теоретический инструментарий на практике получил широкое распространение в области моделирования и верификации протоколов связи, а также в моделировании алгоритмов параллельного программирования, но в силу ряда ограничений (например, отсутствие в моделях четких количественных критериев оценки процесса) не используется при построении систем имитационного моделирования производства и при создании модулей АСУП.

В этих условиях несомненна актуальность развития средств имитационного моделирования дискретного производства и методов реализации на их основе модулей АСУП, обеспечивающих поддержку принятия решений (111IP) при управлении.

Целью исследования является создание высокоуровневого интуитивно понятного средства анализа систем управления производственными материальными ресурсами, позволяющего учесть объективные количественные факторы при управлении дискретным производством, а также разработка методики их применения при создании АСУП.

Задачи исследования:

- разработка методики построения имитационных моделей процессов движения материальных ресурсов, способной обеспечить учет количественных критериев для поддержки принятия решений при управлении дискретным производством с учетом объективных количественных факторов;

- проверка применимости методики моделирования в процессе создания математической модели реального производственного процесса;

- разработка и реализация в виде готовой программы алгоритмов, позволяющих автоматизировать процессы построения математических моделей для их применения в оперативном управлении и диспетчеризации производства.

Объект исследования - процессы движения материальных ресурсов дискретного машиностроительного производства. Предмет исследования — методы имитационного моделирования и анализа процессов движения материальных ресурсов дискретного машиностроительного производства, обеспечивающие информационную поддержку при оперативном управлении и диспетчеризации.

Методы и методики исследования базируются на применении:

- системного анализа (структурно-функциональный анализ бизнес-процессов предприятия, имитационное моделирование систем и др.);

- математического аппарата расширенных СП;

- средств проектирования и разработки реляционных баз данных для АСУП;

- инструментов разработки модулей АСУП (средства разработки программного обеспечения).

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты, выносимые на защиту:

1. Расширена область применения математического аппарата Цветных сетей Петри (ЦСП), за счет использования не натуральной, а вещественной кратности элементов мультимножества, прикрепленного к маркеру ЦСП. Использование вещественной кратности позволяет формализовать наличный запас любого материального ресурса.

2. Предложена новая методика подсчета стоимости производственного процесса, основанная на введении в структуру ЦСП дополнительных элементов: конечного множества компонент себестоимости М, определяющего статьи расхода; функции 0:Т->М, назначающей количество и структуру затрачиваемых ресурсов каждому из переходов сети.

3. Разработана новая математическая модель процесса дискретного производства, основанная на применении ЦСП, в которой: для отображения наличного запаса используются мультимножества с вещественной кратностью элементов; для введения стоимостного критерия оценки процесса производства используются дополнительные элементы ЦСП: множество М и функция О.

4. Разработан алгоритм автоматического построения структуры СП на основе данных о составе изготавливаемого изделия и технологии производства. Данный алгоритм позволяет автоматизировать процесс создания имитационной модели производственного процесса.

На защиту выносятся следующие положения, полученные в рамках исследования:

1. Использование вещественной кратности элементов мультимножества позволяет распространить область применения мультимножеств на задачи, требующие формализации состояния материальных объектов (в частности производственных ресурсов).

2. Введение в структуру ЦСП конечного множества компонент себестоимости М и функции П:Т —>М позволяет ввести стоимостные факторы в имитационную модель процесса дискретного производства для обеспечения объективных количественных показателей при управлении.

3. Математическая модель процесса дискретного производства, в основу которой положена ЦСП, в которой для отображения наличного запаса используются мультимножества с вещественной кратностью элементов и для введения стоимостного критерия оценки процесса производства используются дополнительные элементы ЦСП (множество М и функция £>), позволяет:

- наглядно представить сложную иерархическую структуру процесса, при помощи декомпозиции отдельных блоков;

- формализовать параллелизм;

- представить состояние материальных ресурсов в заданный момент времени;

- оценить объективные количественные, стоимостные и временные показатели процесса производства;

- реализовать интерактивное средство поддержки принятия решений при управлении дискретным производством.

4. Алгоритм автоматизированного построения структуры СП на основе состава изделия и технологии производства позволяет значительно упростить процесс разработки имитационной модели и делает её доступной для использования при оперативном управлении производством и диспетчеризации.

Практическая ценность полученных результатов обуславливается возможностью их использования при построении модулей АСУП, предназначенных для поддержки принятия решений при планировании и оперативном управлении производственным предприятием.

Внедрение. Научные и практические результаты диссертационной работы были использованы при проектировании модуля АСУП, внедренного в филиале ОАО «Компания «Сухой» «КнААЗ им. Ю.А. Гагарина».

Апробация. Основные научные результаты работы обсуждались на следующих конференциях:

1. Десятая всероссийская научно-техническая конференция «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (ТиПВСИТ), г. Улан-Удэ, 2009 г.

2. Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов, г. Комсомольск-на-Амуре, 2009 г.

3. Первая научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в машиностроении», ОАО «КНААПО», г. Комсомольск-на-Амуре, 2010 г.

4. Вторая научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в машиностроении», ОАО «КНААПО», г. Комсомольск-на-Амуре, 2012 г.

5. Итоговая региональная конференция по программе «УМНИК-2012», «Передовые идеи Дальнего Востока - XXI веку», г. Хабаровск, 15-16 ноября 2012 г.

6. Третья научно-практическая конференция «Молодежь. Проекты. Идеи» иркутский авиационный завод - Филиал ОАО «Корпорация «Иркут», г. Иркутск, 9-11 октября 2013 г.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка из 89 наименований и 4 приложений. Материал работы изложен на 121 страницах, содержит 26 иллюстраций и 58 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, цель и задачи исследования; показана научная новизна диссертации, дается ее краткая характеристика и приведены основные научные результаты, выносимые на защиту.

В главе 1 приводится обобщенная схема автоматизированного управления дискретным производством (рис. 1). Здесь управление сводится к выработке воздействия, содержащего в себе информацию о типе и количестве ресурса, который должен быть перемещен или обработан и поставлен на определенный буфер, а также сроке (дате и времени), к которому требуется ресурс. При этом очень важно учесть состояние самого объекта управления (ОУ). Показано, что формирование подобного управляющего воздействия производится человеком или группой людей (ЛПР) при помощи инструментария, заложенного в АСУП. Пунктирной линией на рис. 1 обозначены слабо формализуемые информационные потоки, их анализ проводит ЛПР.

УУ

и

ЛПР

АСУП

: и

оу ;: у.

л

V

и у

вых

J Процесс

дискретного -—

; производства ^ вых

Рис. 1. Обобщенная схема автоматизированного управления дискретным производством

Сплошной линией обозначаются формализованные информационные потоки, их обработка и передача проходит в информационной системе (ПС). иу - вектор управляющих воздействий, IIу =11 и 0; и - вектор заказов на закупку и производство, генерируемых и передаваемых в производство по средствам АСУП; II - вектор управляющих воздействий, выраженный в виде набора количественных, качественных и ассоциативных характеристик, в большинстве неопределенных, нечетких и не поддающихся обработке АСУП. Выделяются следующие основные характеристики, присущие подобным процессам: дискретность, наличие одновременно возникающих событий, параллелизм подпроцессов, динамичность, протяженность во времени, иерархическая структура. Кроме того, проводится сравнительный анализ наиболее известных методов и моделей, пригодных для описания процессов дискретного производства. Они построены на основе: теории автоматов, сетей систем массового обслуживания или стохастических сетей, систем временной логики, классических и расширенных сетей Петри, а также структурно-функционального анализа бизнес-прог(ессов. Анализ проводится по следующим критериям: возможность моделировать множество дискретных процессов; наличие развитых ме-

ханизмов синхронизации; учет времени; моделирование иерархической структуры процессов; наличие динамической составляющей для моделирования движения материальных ресурсов; возможность определения стоимости подпроцесса и (или) материального ресурса; наглядность модели. В итоге выявлено, что наиболее подходящей является теория СП.

Более детальный анализ возможностей математического аппарата ЦСП выявил ряд ограничений: отсутствие возможности количественно представить наличный запас материального производственного ресурса, измеряемого дробными величинами; отсутствие механизмов оценки стоимости подпроцесса и (или) материального ресурса; отсутствие четкой методики моделирования процесса дискретного производства, позволяющей построить наглядную и пригодную для использования в режиме оперативного управления модель. Эти ограничения затрудняют их использование для решения поставленной в рамках исследования задачи и обуславливают необходимость доработки и развития существующего инструментария.

Глава 2 посвящена разработке методики формализации процесса дискретного производства с учетом движения производственных материальных ресурсов, позволяющей снять выявленные ограничения. Ниже приведены основные положения методики.

1. Формирование структуры ЦСП происходит на основе состава изделия и технологии производства, при этом:

— основные производственные и логистические операции моделируются по средствам множества переходов Т. Подобные операции могут быть следующих типов: транспортировка; обработка, направленная на изменение характеристик ресурса; обработка с разделением ресурса; обработка с объединением ресурса;

- состояния ресурса, его местоположение между операциями моделируется по средствам множества мест Р. При этом элементы множества зачастую ассоциируются со складом, рабочим центром или производственным участком.

2. Представление состояния ресурса в процессе производства обеспечивается за счет использования мультимножеств вида

MARK = {kMARK{item\, кШцК2'Иет2,...},

где item, - элемент мультимножества, представляющий собой уникальный идентификатор ресурса, как правило, это строковое значение. Уникальный идентификатор может быть составным, в этом случае элемент представляется кортежем, например (itenii, clot,), где item - тип ресурса, clot — номер партии.

KhuRkiitem,) = к\1ЛКК, - значение функции кратности kMARK, которое определяет число вхождений элемента item/ в мультимножество MARK, или «вес» элемента itemi в мультимножестве MARK. Причем эта функция определена на множестве положительных действительных чисел2.

2 Согласно теории мультимножеств, значения функции определены на множестве натуральных чисел, однако, в реальности наличный запас ресурса очень часто принимает именно положительные действительные значения.

3. Представление транспортировки происходит следующим образом. Пусть мультимножества МЛ11КА, МАККц и МАИК\IARKgописывают состояние ресурса на складах А, В до и после перемещения (рис. 2), а МАККС представляет количество ресурса, которое необходимо переместить со склада А на склад В,

[ MARKc=kMAmc(item) ■:

kMAHia(item)>km!iKc(item)

MARKA-kMA«a(item)

кмлк1л(Нет)-кмАЮ1с(Нет)

MARKB^kMAnm(item) •

ктт(Иет)+кмАмс(Иет)

Рис. 2. Элементарная СП для представления транспортировки

Тогда перемещение ресурса описывается следующим образом:

MARK\i = кШККл(Пет) - кш^¿item), MARK"в = кмлжв{Иет) + kMARKc(item).

Например, если M4RCA = {20'«сталь»}, MARCÀ = {5'«резина»}, KIARCç = = {10' «сталь»}, то MARCyA = {10 «сталь»}, AIARC"B = {5 «резина», 10«сталь»}.

4. Представление обработки в общем случае состоит в следующем: пусть А - склад-источник ресурса для обработки, а В - склад-потребитель ресурса, который будет произведен после обработки. Мультимножества MARKa, MARKB и MARK\h \ 1АRK')• описывают состояние ресурсов на складах А, В до и после обработки (рис. Ъ), a MARKç представляет количество ресурса, которое необходимо изготовить.

Состав изготавливаемого изделия описывается множеством кортежей вида SI - {(itemh sitmj, quarts unit/), (item2, sitm2, quarts unit2), ...}, где iterrti— наименование изготавливаемого изделия, sitrrii - наименование ресурса или компонента, из которого изготавливается изделие, quant — применяемость или материальная норма, uniti - единица измерения изготавливаемого изделия.

Тогда обработка ресурса описывается следующим образом:

MARK'a = kMARK<(sitm) - kM4JlKc(ïtem)*quanilem, MARK'в = hiARKs(item) + кШККс(ает).

Рассмотрим на примере обработки с изменением физических характеристик. Пусть SI = {{«деталь», «матернач», 0.1, «кг»)}, MARCa — = {¡'«материал»}, AL4RCB = {Г«деталъ»}, MARC с = {3' «деталь»}. Тогда AMRC'a = {0.7 «материал»}, AURC'p, = {4 «деталь»}.

Особенность обработки с разделением ресурса состоит в том, что в результате из одного ресурса (экземпляра мультимножества) получается несколько ресурсов. Например: SI - {(«заготовка!», «материал», 0.1, «кг»), («заготовка.2», «материал», 0.4, «кг»)}, AIARC., = {Г«материап»}, A1/1RCB = 0, M4RCc

= {2Л «заготовка!», 2" «заготовка2»}. Тогда МЛКС'л-=0, М4ЯС д={2 «заготовка!», 2 «заготовка2»}.

Особенность обработки с объединением ресурса заключается в том, что для получения одного ресурса (экземпляра мультимножества) необходимо несколько ресурсов, например: 57= {{«изделие», «детачъ!», 1, «шт»), {«изделие», «деталъ2», 1, «шт»)}, МАКСа ~ {1\<деталь 1», 2\<деталь2»}, МАЯСц ~ 0, МЛ НС с = {/' «изделие»}. Тогда МАКС "л-{1 *«деталь2»}, МЛКС*В={1 «изделие»}.

кмАнкА(5Ит)2кмАРкс(Кет)*циат1ет

\ МА1У<А=кмАти($Ит)

0

кшюи($Пт)-кмАРкс(Нет) *циаппет

П:

кшпкв(Нет}+кмАГ1кс(Иет}

МАНКв=кмАяю(Иет):

Рис. 3. Элементарная СП для представления обработки с изменением физ. характеристик

5. При моделировании транспортировки и обработки немаловажную роль играет обеспечение дополнительных условий на срабатывание перехода. Эти условия достигаются за счет использования охранной функции С(/). В приведенных выше примерах (см. рис. 2 и 3) при помощи этого механизма обеспечивается естественное условие на присутствие необходимого ресурса на складах-источниках.

6. Представление контроля может быть обеспечено за счет использования случайных величин. Например, введем в сеть, описывающую обработку, дополнительные элементы (рис. 4).

кмАнщЛет) циаппет

Рис. 4. Элементарная ЦСП моделирующая контроль

На рис. 4 переход Ь - представляет дополнительную операцию контроля. Учет случайного фактора обеспечивается за счет правил преобразования ресурса, в которые вводится дополнительный элемент F — дискретная случайная ве-

личина, определенная на множестве {0, 1}. Распределение данной величины может быть различным в зависимости от конкретной ситуации.

7. Обеспечение учета стоимостных факторов основано на оценке стоимости каждой моделируемой производственной или логистической операции. В свою очередь оценка стоимости производственной операции обеспечивается за счет введения принципиально новых (по отношению к методологии СРК) элементов в структуру ЦСП. Дадим их формальное определение, а также раскроем сущность на примере (рис. 5).

а)

б)

irp«ypc;'m«toA<>)

(s)

ч— stock

(s)@+9

@+10 #+(0,10,9)

р2 stock

(s)

: 1С Ресурс"

(s)@+9

@+10 #(0,10,9)

P2 v_^

stock

Рис.5. Элементарная ЦСП в возможностью оценки затрат: а - начальная маркировка /0; б — маркировка 1и достигнутая после срабатывания перехода t\

М — конечное множество компонент себестоимости, определяющее статьи расхода условного ресурса при срабатывании перехода. Для сети из примера М = {mi, '">> и>з}, где т\ — транспортно-заготовительные расходы, mi — материальные затраты, >щ — трудозатраты.

D: Т —» М функция, назначающая количество и структуру затрачиваемых ресурсов каждому из переходов t е Т. Удобно представить D в виде матрицы mх п, где m — количество переходов /еГ в сети Т,п — мощность множества М:

D =

"1 jtl d\

<

d*

d'2

d'2

На рис. 5 информация о затратах размешена после символа «#» рядом с маркерами на местах р\ и рг и под переходом Формально эти компоненты модели можно описать следующим образом:

(0,10,9),

т1 ч (1Гресурс")@0Ц0№,еслир = Р1, 10(Р) = \ „ иначе 0.

h(P) =

[1 '(" ресурс") @ 19// (0,10,9), если р = , [иначе 0.

Значения компонент себестоимости #(0,10,9) в маркировке 1х(р) были получены следующим образом: 0 = 0 +0*1, 10 = 0 +10 *1,9 = 0 + 9*1. Здесь первое слагаемое есть значение компоненты себестоимости в маркировке 10,

второе слагаемое есть значение компоненты себестоимости с1'У, умноженное на количество ресурса, выраженное функцией кратности мультимножества {1 '("ресурс!')}.

Таким образом, ЦСП с возможностью оценки количества ресурса на достижение разметки есть набор кортежей:

CPN = (Р, Т, A, Е, V, С, G, EJMD).

Также предложен алгоритм построения имитационной модели производственного процесса на базе СП, который состоит из 14 действий. Таким образом, в рамках главы была разработана четкая методика моделирования процесса дискретного производства и были сняты основные ограничения, выявленные в рамках первой главы, не позволявшие решить задачу исследования.

В главе 3 изложено применение методики, описанной в главе 2, на примере процесса производства клапана управления фонарем самолета Су-30 МК2 и описаны основные возможности построенной таким образом модели в рамках двух имитационных экспериментов. Также показано место подобной модели в общей схеме автоматизированного управления производством, приведенной ранее в главе 1. Показана структура модуля АСУГ1, при помощи которого производится реализация сетевой модели.

В качестве блока ОУ из рис. 1 в главе рассматривается процесс производства клапана управления фонарем. На рис. 6 изображен состав изделия в виде дерева. Количество компонента, входящего в компонент-родитель, по умолчанию Рис. 6. Состав клапана управления раыю j в случае если количество

отлично от 1, оно изображено рядом с вершиной дерева. Всего клапан содержит в себе: 16 деталей {item), 14 стандартных деталей (СД) (norm) из которых только 1 закупается у сторонней организации, 15 материалов (matr). В диссертации приведены подробные сведения о каждом из компонентов.

В производственном процессе участвуют несколько подразделений: служба снабжения, цех подготовки и комплектации (ЦПК), цехи 1, 2,3, 4, 5, 6, 7.

—Г norml |--

Ь-1 rnajsi I

чООбШ

ttem3 1-1 matr3 ]

ttem4 |-1 item5 |-1 rngtcAj

item6 |—

—(norm 13

Далее в главе приводится формальное описание и графическое изображе-

Рис. 7. Структура ЦСП процесса производства клапана управления фонарем на Су-30 МК2 Затем раскрывается структура вектора II, при помощи которого осуществляется управление ОУ и описывается способ формирования такого вектора в управляющее устройство (УУ). УУ состоит из двух блоков: ЛПР и АСУП. Одно из основных назначений данного блока АСУП состоит в определении спроса (потребности) на материальные ресурсы, а также в формировании управляющих воздействий на производство в виде заказов на закупку и производство. Под заказом понимается кортеж, состоящий из трех компонент: Нет, — тип ресурса, который необходимо переместить или изготовить (Иещ е/ТЕМ множеству всех закупаемых и изготавливаемых изделий на предприятии, для указанного выше процесса производства клапана множество описано в табл. 1); диап - количество ресурса, которое необходимо переместить или изготовить; Ите — срок, к которому необходимо изготовить или переместить ресурс. Формирование вектора и = 1]жпс и £/„„с представляет собой последовательность, состоящую из трех действий. Характеризуя заказ на закупку или производство, мы можем сказать, что он несет в себе следующую информацию: уникальный идентификатор ресурса; тип ресурса; количество ресурса; дату потребности ресурса.

Возможности имитационной модели приведены далее в рамках описания двух имитационных экспериментов.

Эксперимент 1. Предположим, что перед ЛПР стоит задача обеспечить выполнение производственного плана на изготовление партии клапанов управления фонарем {Пето). При помощи АСУП был сформирован производственный план (см. табл. 1), в соответствии с которым цехи обязаны изготовить некоторое количество ресурсов к заранее определенному сроку.

Таблица 1 - Плановые заказы на производство

Уч п/п Изделие Кол-во Время, дней Цех JVa п/п Изделие Кол-во Время, дней Цех

1 Itemo 5 10 3 10 Itcrrii 5 6 3

2 Item, 5 9 1 11 Item in 5 3 5

3 Item2 5 6 1 12 Itemu 5 3 5

4 Iteni3 5 2 3 13 Item ¡2 5 3 5

5 Iteiru 5 3 3 14 Itemn 5 3 5

6 Item, 5 1 2 15 Item i4 5 3 5

7 Item« 5 3 3 16 Itemi5 5 3 5

8 Item7 5 6 3 17 Item,e 5 3 5

9 Item8 5 1 2

Пусть ЛПР необходимо удостовериться, что составленный таким образом производственных план не будет сорван вследствие непредвиденных простоев производства.

Для учета случайного фактора в модель были введены такие понятия, как процент простоя р„рост и процент отказа ротт,-

Процент отказа - вероятность возникновения случайного события, например, поломка оборудования, задержка поставки и т.д.

Процент простоя — задержка операции относительно срока самой операции. Фактическое время выполнения вычисляется по формуле time3=timen + рпрост *timen */, где time, - время выполнения, полученное в

ходе эксперимента; time„ — плановое время выполнения; /— величина, принимающая значение 1 если /с < ротказ, иначе 0, здесь fc - случайная величина с равномерным законом распределения определенная на отрезке [0, 100].

Предполагается, что в процессе принятия решений величины р„рост и

Ролкаэ задаются ЛПР. Последовательность срабатывания, приводящая к выполнению плана, имеет вид Л = («Изготовление Items», «Изготовление Item¿», «Изготовление Item-i», «Изготовление Items,», «Изготовление Item6», «Изготовление Петю», «Изготовление Itemu», «Изготовление Itemyo», «Изготовление Ilemn», «Изготовление Item14», «Изготовление Itemu», «Изготовление ¡tem]fy», «Изготовление Item2», «Изготовление Item-i», «Изготовление Ьепц», «Изготовление Item\», «Изготовление Item0»).

Теперь приведем результаты моделирования. Ниже в табл. 2 представлено время изготовления изделия item0, полученное в результате имитации производственного процесса для различных исходных значений величин р„рост

^ Ротказ'

Таблица 2 - Расчетное время изготовления Нет0, в днях

^прост) Раткт ^

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

10 9,20 9,20 10,12 10,08 9,49 10,12 9,83 10,12 9,83 10,12

20 9,20 9,20 9,20 10,37 9,87 10,37 11,04 11,04 11,04 11,04

30 10,96 9,20 9,20 11,84 9,32 11,08 10,96 11,08 11,96 11,96

40 11,55 11,55 9,36 9,36 10,53 10,37 11,71 10,53 12,88 12,88

50 9,20 9,20 12,34 13,60 10,66 12,14 12,34 10,87 13,80 13,80

60 10,95 9,20 10,95 12,97 12,72 12,72 14,72 12,97 14,72 14,72

70 9,20 9,20 9,20 11,53 11,53 11,53 13,31 15,64 13,60 14,72

80 13,90 9,20 10,42 9,53 11,86 16,56 11,86 14,22 16,56 16,56

90 9,20 17,11 11,20 11,83 14,48 14,85 14,48 17,48 17,48 17,48

100 9,20 9,20 15,07 15,07 15,48 17,99 12,53 18,40 18,40 18,40

Имея подобную информацию о влиянии случайных факторов на срок изготовления каждой из деталей, а также располагая статистической информацией о простоях производства, ЛПР заранее сможет оценить риск невыполнения производственного плана в срок и предпринять необходимые действия для обеспечения поставленного плана.

Эксперимент 2. Призван показать, каким образом ЛПР сможет ответить на вопрос: «Сколько будет стоить выполнение производственного задания, если ...?». Предположим, что перед ЛПР встал вопрос о целесообразности отказа от производства ряда СД и перехода к их закупке. Таким образом, необходимо сравнить два альтернативных варианта обеспечения производства СД:

Рис. 8. Фрагменты модели СП процесса производства клапана: а - вариант 1; б — вариант 2

Вариант 1 — производство стандартных деталей на предприятии; Вариант 2 — закупка стандартных деталей у сторонней организации. В табл. 3 приведены параметры стандартных деталей для каждого из вариантов.

Таблица 3 — Параметры стандартных изделий для двух вариантов

Изделие Описание Цех-производитель

Вариант 1 Вариант 2

Noriib Гайка обжимная 6-ОСТ 1 13865-81 1 1

Normi Кольцо 024-029-30-1-054-А-СГСТ 100980-80 6 Закупаемое

Norms Пружина 84-2-1-1-18.0-ОСТ 1 11208-73 7 Закупаемое

Norm« Пружина 94-2-1-1-27.0-ОСТ 1 11208-73 7 Закупаемое

Nortuio Винт З.О-6-ОСТ 1 31576-80 4 Закупаемое

Norm и Гайка 4-Кд-ОСТ 1 33055-80 Закупаемое Закупаемое

Norm] 4 Шайба 0.50-4.0-8.0 ОСТ 1 34509-80 5 Закупаемое

На рис. 8 изображены фрагменты СП, соответствующие каждому из вариантов. Потребность для каждого из наименований СД составляет 1000 шт. Множество компонент себестоимости имеет вид А/= {ти т2, гщ, пц\, где т\ -повременная оплата труда, пъ — сдельная оплата труда, пц — покупные материалы и комплектующие, от4 — транспортно-заготовительные расходы.

Начальная маркировка для варианта 1 определена на основе наличного запаса и стоимости материалов. Плановые заказы для варианта 1 указаны в табл. 4.

Таблица 4 — Плановые заказы на закупку и производство для варианта 1

Ля п/п Изделие Кол-во, шт. Время, дней № п/п Изделие Кол-во, шт. Время, дней

1 Norm3 1000 3 7 Nomi9 1000 2

2 Norroj 1000 2 8 Norm ю 1000 1

3 Norm5 1000 4 9 Normn 1000 19

4 Norm6 1000 3 10 Normi2 1000 18

5 Norrriv 1000 3 11 Norm, i 1000 2

б Norms 1000 2 12 Norm и 1000 1

Последовательность срабатывания переходов Л — («Изготовление погпц», «Изготовление погт6», «Изготовление погтф, «Изготовление погтю», «Закупка погт12». «Изготовление погтИ», «Изготовление погт3г>, «Изготовление погт5», «Изготовление погт1», «Изготовление погт9», «Изготовление погтп», «Изготовление погтп») приведет к имитации процесса изготовления и комплектации СД. Начальная маркировка для варианта 2 определена на основе наличного запаса и стоимости СД. Заказы для варианта 2 указаны в табл. 5.

Последовательность срабатывания переходов Л = («Закупка погггц», «Закупка norme», «Закупка norms», «Закупка normwy>, «Закупка погти», «Изготовление погтп», «Изготовление потц», «Изготовление norms», «Изготовление normi», «Изготовление погт9», «Изготовление погтп», «Изготовление norm13») приведет к имитации процесса закупки и комплектации стандартных деталей.

Таблица 5 - Плановые заказы на закупку для варианта 2

№ п/п Изделие Кол-во, шт. Время, дней JV° п/п Изделие Кол-во, шт. Время, дней

1 Norm,4 1000 10 7 Nonn,, 1000 11

2 Norm4 1000 g 8 Normt 1000 9

3 Norm6 1000 11 9 Norm5 1000 12

4 Norm8 1000 60 10 Norm? 1000 61

5 Norm к. 1000 58 11 Norm., 1000 59

6 Norm, 2 1000 18 12 Normn 1000 19

В итоге после срабатывания всех переходов из последовательности Я для вариантов I и 2 получены значения себестоимости для каждого из наименований СД (табл. 6).

Таблица 6 - Себестоимость СД для вариантов 1 и 2

Изделие Себестоимость вармант 1, р Себестоимость вариант 2, р

m, т2 m, m 4 Итого m, m2 m, m 4 Итого

Norm.i 2006,31 100,32 679,20 20,38 2806,20 0 0 4254,61 127,64 4382,25

Norm 5 1790,67 89,53 396,08 11,88 2288,17 0 0 3000,31 90,01 3090,32

Norm? 1694,15 84,71 548,42 16,45 2343,74 0 0 3220,18 96,61 3316,78

Nontlq 1903,27 95,16 265,07 7,95 2271,45 0 0 2487,26 74,62 2561,87

Norm,, 0,00 0,00 2280,00 68,40 2348,40 0 0 2280,00 68,40 2348,4

Norm,* 1653,27 103,16 22,51 0,68 1779,6t 0 0 2703,17 81,10 2784,26

Итого 9047,67 472,88 4191,28 125,74 13837,57 0 0 17945,53 538,37 18483,89

В главе содержится описание основных компонентов АСУП на базе ERP-системы и описание структуры данных модуля имитационного моделирования. Всего структура данных содержит 18 таблиц (10). Её подробное описание размещено в приложении А. В составе модуля 2 основных алгоритма: алгоритм формирования структуры СП на основе ИС и операционного маршрута, алгоритм срабатывания перехода. Их реализация, выполненная на языке PL/SQL для СУБД Oracle 10g, приведена в приложении Б.

Рис. 10. Физическая модель данных модуля имитационного моделирования

Таким образом, в рамках главы разработана модель процесса производства клапана цилиндра управления фонарем самолета Су-30 МК2. Данная модель выполнена в виде ЦСП. Создание модели позволило опробовать изложенную в главе 2 методику и раскрыть её возможности на примере двух экспериментов. В рамках этих экспериментов наглядным образом показан способ обеспечения ЛПР информацией о времени протекания процесса и его стоимости. Разработан и реализован в виде готовой программы алгоритм автоматического построения структуры СП, использование данного алгоритма позволяет автоматизировать процесс построения имитационной модели.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ В ДИССЕРТАЦИИ

На основании выполненных в диссертационной работе исследований получены следующие основные результаты:

1. Проведен сравнительный анализ существующих методов и средств построения дискретно-событийных моделей производственных процессов. Обоснована целесообразность использования ЦСП для построения имитационных моделей процессов дискретного производства, поскольку имеющийся на сегодняшний день инструментарий позволяет учесть основные особенности процессов, такие как дискретное и последовательно-параллельное протекание событий, иерархическая структура, протяженность во времени и др.

2. Расширена область применения математического аппарата ЦСП за счет использования не натуральной, а вещественной кратности элементов мультимножества, прикрепленного к маркеру. Разработана и опробована методика формализации наличного запаса производственного ресурса при помощи таких мультимножеств.

3. Разработана и опробована методика подсчета стоимости производственного процесса, основанная на введении в структуру ЦСП дополнительных элементов: множества компонент себестоимости и функции, назначающей количество и структуру затрачиваемых ресурсов каждому из переходов.

4. Описано применение разработанных методик моделирования на примере реального производственного процесса (процесс изготовления клапана цилиндра управления фонарем самолета Су-30 МК2).

5. Разработан модуль имитационного моделирования, позволяющий в автоматизированном режиме строить модели процессов и проводить эксперименты с ними при оперативном управлении и диспетчеризации.

АВТОРСКИЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМАТИКЕ ДИССЕРТАЦИИ

Работы, опубликованные в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Степаненко, В. Е. Метод имитационного моделирования организации производственных процессов с использованием расширенных сетей Петри / В. Е. Степаненко, Д. Н. Фролов, Б. Н. Марьин // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре гос. техн. университета. -2011. — № 111-1(7).

2. Степаненко, В. Е. Метод прогноза и оценки состояния процессов обеспечения агрегатной сборки стандартизированными материальными ресурсами / В. Е.

Степаненко, Д. Н. Фролов // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре гос. техн. университета. — 2012. - № 1-1(9).

3. Степаненко, В. Е. Модель автоматизированного управления процессом дискретного производства на основе цветных сетей Петри / В. Е. Степаненко, Д. Н. Фролов // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре гос. техн. университета. -2013. -№ 1У-1(16).

Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ:

1. Степаненко, В. Е. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2013618291 «Программный комплекс для построения и анализа моделей цветных сетей Петри процессов дискретного производства на основе состава изготавливаемого изделия» / В. Е. Степаненко, О. С. Амосов, Д. Н. Фролов. - Заявка № 2013613753/69; зарегистр. в Реестре программ для ЭВМ 05.09.2013. -М., 2013.

Другие публикации:

1. Степаненко, В. Е. Задача планирования процессов управления снабжением крупного машиностроительного предприятия с использованием методов имитационного моделирования / В. Е. Степаненко, Д. Н. Фролов // Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий : материалы X Все-рос. научно-техн. конф.: в 2 ч. - Улан-Уде : Изд-во ВСГТУ, 2009. Ч. 1. - С.84-88

2. Степаненко, В. Е. Особенность имитационной модели системы снабжения машиностроительного предприятия с использованием сетей Петри / В. Е. Степаненко, Н. И. Уваров // Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов : материалы межд. научно-техн. конф., г. Комсомольск-на-Амуре, 3 ч., 2009. С. 77-81.

3. Степаненко, В. Е. Построение системы информационного обеспечения логистических процессов движения нормалей на ОАО «КНААПО» / В. Е. Степаненко, М. Г. Текжанова // Исследования и перспективные разработки в машиностроении : материалы первой научно-практ. конф. молодых ученых и специалистов, г. Комсомольск-на-Амуре, 17 сент. 2010 г. ; под общ. ред. Р. А. Физулакова. — Комсомольск-на-Амуре : ГОУВПО «КнАГТУ», 2010.

4. Степаненко, В. Е. Построение аналитической отчетности предприятия с использованием методов имитационного моделирования систем движения материальных ресурсов на основе Сетей Петри / В. Е. Степаненко, М. Г. Текжанова // Исследования и перспективные разработки в машиностроении : материалы второй научно-практ. конф. молодых ученых и специалистов, г. Комсомольск-на-Амуре, 20-21 сент. 2012 г. ; под общ. ред. Р. А. Физулакова. - Комсомольск-на-Амуре : ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», 2012.

5. Степаненко, В. Е. Применение имитационного моделирования систем внутренней логистики предприятия при оперативном управлении производством и диспетчеризации / В. Е. Степаненко // Молодежь. Проекты. Идеи : материалы третьей научно-практ. конф. Иркутского авиационного завода. Иркутск, 9-11 окт. 2013 г.-Иркутск, 2013.

Степаненко Виктор Евгеньевич

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНЫМИ РЕСУРСАМИ ДИСКРЕТНОГО МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ СЕТЕЙ ПЕТРИ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 18.11.2013. Формат 60 х 84 1/16. Бумага 65 г/м2. Ризограф Е7.570Е. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,10. Тираж 100 экз. Заказ 25900.

Полиграфическая лаборатория Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» 681013, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

На правах рукописи

04201454006 Степаненко Виктор Евгеньевич

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНЫМИ РЕСУРСАМИ ДИСКРЕТНОГО МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

НА ОСНОВЕ СЕТЕЙ ПЕТРИ

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

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Кандидат технических наук

Фролов Дмитрий Николаевич

Комсомольск-на-Амуре - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................4

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ РЕСУРСОВ В

ДИСКРЕТНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ И СРЕДСТВ ИХ МОДЕЛИРОВАНИЯ..............11

1Л Особенности дискретного производства и требования к средствам моделирования...............................................................................................................11

1.2 Сравнительный анализ инструментов пригодных для моделирования процессов движения материальных производственных ресурсов дискретного производства...................................................................................................................16

1.3 Анализ пригодности математического аппарата сетей Петри для построения средств поддержки принятия решения при управлении дискретным производством................................................................................................................19

1.4 Выводы к главе.........................................................................................................27

ГЛАВА 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИСКРЕТНОГО ПРОИЗВОДСТВА........................30

2Л Формирование структуры цветной сети Петри....................................................30

2.2 Представление состояния ресурса.........................................................................31

2.3 Представление контроля, учет воздействия случайных факторов.....................35

2.4 Учет дополнительных факторов и ограничений..................................................35

2.5 Представление операционного маршрута изготовления ресурса.......................36

2.6 Введение стоимостных показателей в модель......................................................37

2.7 Учет управляющих воздействий, оценка состояния производственного процесса..........................................................................................................................39

2.8 Имитация производственного процесса, анализ моделей...................................42

2.9 Алгоритм построения и анализа имитационных моделей производственного процесса..........................................................................................................................43

2.10 Выводы к главе.......................................................................................................44

Глава 3 ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА КОМПОНЕНТА АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ............................................................46

3.1 Описание производственного процесса................................................................46

3.2 Формирование управляющих воздействий на производственный процесс......58

3.3 Архитектура АСУП и реализация модуля имитационного моделирования.....60

3.4 Модель производственного процесса....................................................................67

3.5 Эксперименты с моделью.......................................................................................71

3.6 Выводы к главе.........................................................................................................80

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................................82

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ............................................................83

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........................................................84

ПРИЛОЖЕНИЕ А.............................................................................................................92

ПРИЛОЖЕНИЕ Б..............................................................................................................99

ПРИЛОЖЕНИЕ В............................................................................................................104

ПРИЛОЖЕНИЕ Г............................................................................................................115

ВВЕДЕНИЕ

В современных рыночных условиях при управлении производственными предприятиями на первый план выходит снижение себестоимости продукции с одновременным сохранением и повышением ее качества. Одним из ключевых вопросов, напрямую влияющих на обеспечение снижения затрат в машиностроении, является организация управления материальными ресурсами1. Основой этих процессов является выработка управленческих решений лицом или группой лиц, принимающих их (ЛПР). Зачастую критериями, на основе которых ЛПР вырабатывает управленческое решение (УР), являются: уровень затрат (материальные, трудовые затраты и т.п.), которые возникают в процессе производства и могут быть сокращены; сроки выполнения процесса производства (будет ли выполнен план в срок). Однако машиностроительной отрасли (в частности, авиастроению) присущи некоторые особенности:

-сложность структуры конечного изделия (состав изделия, представленный в виде древовидной иерархической структуры, достигает несколько десятков уровней вложения);

- многономенклатурность используемых материальных ресурсов (количество наименований стандартных деталей достигает несколько десятков тысяч);

-огромное количество дискретных технологических процессов, состоящих из еще большего количества технологических операций с разной их протяженностью во времени;

— параллелизм технологических процессов.

Эти особенности делают процесс принятия решения затруднительным, а иногда и невозможным без дополнительной информационной поддержки. Такую поддержку способны обеспечить автоматизированные системы имитационного моделирования, которые позволяют проигрывать различные сценарии развития процесса и выявлять наилучший из них. Основу подобных средств составляют

1 Имеются ввиду не только непосредственные материалы и сырье, но и объекты незавершенного производства, например, детали, сборки и т.п., движение которых также играет немаловажную роль в дискретном производстве.

дискретно-событийные модели. В качестве теоретического базиса в таких моделях могут быть применены: теория автоматов; сети и системы массового обслуживания; системы временной логики; методы структурно-функционального анализа бизнес-процессов и др. Несмотря на достаточную проработку указанных выше методов, построенные на их основе средства информационной поддержки не получили широкого распространения в управлении движением материальных ресурсов машиностроительного производства (и авиационной отрасли в частности). Среди основных причин данного факта можно выделить: сложность для понимания моделей лицами, незнакомыми с теоретическими основами методологии, отсутствие наглядного способа представления моделируемого процесса, невозможность представления четких количественных критериев для выработки УР, отсутствие проработанных технологий реализации модели в рамках автоматизированной системы управления предприятием (АСУП).

На сегодняшний день достаточно хорошо проработана теория сетей Петри (СП). Данный математический аппарат позволяет проводить формальный анализ (классические сети Петри) и процедуру имитационного моделирования (расширенные сети Петри). Графическое представление сети и возможность разметки графа естественным образом представляют движение ресурсов в процессе производства. Переходы сети Петри позволяют смоделировать технологический процесс или технологическую операцию. Такое представление производства могло бы решить ряд вышеназванных проблем.

Систематическое изучение свойств СП началось на рубеже 60-х и 70-х гг. и продолжается до сих пор. Среди авторов, в разное время занимавшихся исследованиями в области СП, можно отметить Н. А. Анисимова, О. Л. Бандман, И. Б. Вирбицкайте, В. Е. Котова, И. А. Ломазову, В. А.Соколова, Л. А. Черкасову, Дж. Питерсона, К. Йенсена, Л. Кристенсена и многих других. Предложенный теоретический инструментарий на практике получил широкое распространение в области моделирования и верификации протоколов связи, а также в моделировании алгоритмов параллельного программирования, но в силу ряда ограничений (например, отсутствие в моделях четких количественных критериев оценки

процесса), не используется при построении систем имитационного моделирования производства и при создании модулей АСУП.

В этих условиях несомненна актуальность развития средств имитационного моделирования дискретного производства и методов реализации на их основе модулей АСУП, обеспечивающих поддержку принятия решений (ППР) при управлении.

Целыо исследования является создание высокоуровневого интуитивно понятного средства анализа систем управления производственными материальными ресурсами позволяющего учесть объективные количественные факторы при управлении дискретным производством, а таюке разработка методики его применения при создании АСУП. Задачи исследования:

-разработка методики построения имитационных моделей процессов движения материальных ресурсов, способной обеспечить учет количественных критериев для поддержки принятия решений при управлении дискретным производством с учетом объективных количественных факторов;

-проверка применимости методики моделирования, в процессе создания математической модели реального производственного процесса;

—разработка и реализации в виде готовой программы алгоритмов, позволяющих автоматизировать процессы построения математических моделей для их применения в оперативном управлении и диспетчеризации производства.

Объект исследования - процессы движения материальных ресурсов дискретного машиностроительного производства. Предмет исследования - методы имитационного моделирования и анализа процессов движения материальных ресурсов дискретного машиностроительного производства, обеспечивающие информационную поддержку при оперативном управлении и диспетчеризации. Методы и методики исследования базируются на применении: -системного анализа (структурно-функциональный анализ бизнес-процессов предприятия, имитационное моделирование систем и др.); — математического аппарата расширенных СП;

-средств проектирования и разработки реляционных баз данных для АСУП;

-инструментов разработки модулей АСУП (средства разработки программного обеспечения).

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты, выносимые на защиту:

1. Расширена область применения математического аппарата цветных сетей Петри (ЦСП), за счет использования не натуральной, а вещественной кратности элементов мультимножества, прикрепленного к маркеру ЦСП. Использование вещественной кратности позволяет формализовать наличный запас любого материального ресурса.

2. Предложена новая методика подсчета стоимости производственного процесса, основанная на введении в структуру ЦСП дополнительных элементов: конечного множества компонент себестоимости М, определяющего статьи расхода; функции назначающей количество и структуру затрачиваемых ресурсов каждому из переходов сети.

3. Разработана новая математическая модель процесса дискретного производства, основанная на применении ЦСП, в которой: для отображения наличного запаса используются мультимножества, с вещественной кратностью элементов; для введения стоимостного критерия оценки процесса производства используются дополнительные элементы ЦСП: множество Ми функция И.

4. Разработан алгоритм автоматического построения структуры сети Петри на основе данных о составе изготавливаемого изделия и технологии производства. Данный алгоритм позволяет автоматизировать процесс создания имитационной модели производственного процесса.

На защиту выносятся следующие положения, полученные в рамках исследования:

1. Использование вещественной кратности элементов мультимножества позволяет распространить область применения мультимножеств на задачи, требующие формализации состояния материальных объектов (в частности производственных ресурсов).

2. Введение в структуру ЦСП конечного множества компонент себестоимости М и функции й:Т -> М позволяет ввести стоимостные факторы в имитационную модель процесса дискретного производства для обеспечения объективных количественных показателей при управлении.

3. Математическая модель процесса дискретного производства, в основу которой положена ЦСП, в которой для отображения наличного запаса используются мультимножества с вещественной кратностью элементов и для введения стоимостного критерия оценки процесса производства используются дополнительные элементы ЦСП (множество Ми функция ГУ), позволяет:

-наглядно представить сложную иерархическую структуру процесса, при помощи декомпозиции отдельных блоков;

-формализовать параллелизм;

-представить состояние материальных ресурсов в заданный момент времени;

-оценить объективные количественные, стоимостные и временные показатели процесса производства;

-реализовать интерактивное средство поддержки принятия решений в оперативном управлении и диспетчеризации дискретным производством.

4. Алгоритм автоматизированного построения структуры СП на основе состава изделия и технологии производства позволяет значительно упростить процесс разработки имитационной модели и делает её доступной для использования при оперативном управлении производством и диспетчеризации.

Практическая ценность полученных результатов обуславливается возможностью их использования при построении модулей АСУП, предназначенных для поддержки принятия решений при планировании и оперативном управлении производственным предприятием.

Внедрение. Научные и практические результаты диссертационной работы были использованы при проектировании модуля АСУП, внедренного в филиале ОАО «Компания «Сухой» «КнААЗ им. Ю.А. Гагарина».

Апробация. Основные научные результаты работы обсуждались на следующих конференциях:

1. Десятая всероссийская научно-техническая конференция «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (ТиПВСИТ), г. Улан-Удэ, 2009 г.

2. Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов, г.Комсомольск-на-Амуре, 2009 г.

3. Первая научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в машиностроении», ОАО «КНААПО», г. Комсомольск-на-Амуре, 2010 г.

4. Вторая научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в машиностроении», ОАО «КНААПО», г. Комсомольск-на-Амуре, 2012 г.

5. Итоговая региональная конференция по программе «УМНИК-2012», «Передовые идеи Дальнего Востока - XXI веку», г. Хабаровск, 15-16 ноября 2012 г.

6. Третья научно-практическая конференция «Молодежь. Проекты. Идеи» Иркутский авиационный завод - Филиал ОАО «Корпорация «Иркут», г. Иркутск, 911 октября 2013 г.

Материалы исследований также докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях аспирантов и студентов ФГБОУ ВПО «КнАГТУ» (2008-2012 гг).

В главе 1 приводится классификация существующих типов дискретного машиностроительного производства. Описываются основные концепции систем управления материальными потоками в дискретном производстве и их компоненты. Также приводится обобщенная схема автоматизированного управления дискретным производством, проводится сравнительный анализ инструментов дискретно-событийного моделирования систем движения материальных ресурсов. Описываются основные положения методологии цветных сетей Петри - Coloured Petri Nets (CPN), сформулированной в ряде публикаций таких авторов как К. Йенсен и JI.M. Кристенсеном (К. Jensen, L.M. Kristensen). Излагаются формальные определения основных математических конструкций. Глава 2 посвящена разработке методики формализации процесса дискретного производства с учетом

движения производственных материальных ресурсов, а также методики включения в модель объективных количественных показателей оценки моделируемого процесса. В главе 3 изложено применение методик из гл. 3 на примере процесса производства клапана управления фонарем самолета Су-30 МК2 и описаны основные возможности построенной таким образом модели в рамках двух имитационных экспериментов. Также показано место подобной модели в общей схеме автоматизированного управления производством приведенной ранее в гл.1. В конце главы показана структура модуля АСУП при помощи которого производится реализация сетевой модели. В приложениях представлены: листинг разработанных программ, описание базы данных, акты об использовании результатов исследования на предприятии, а также данные полученные в ходе проведения экспериментов с имитационной моделью.

Автор искренне признателен руководству отдела внедрения и эксплуатации корпоративных систем (ОВЭКС) и начальнику научно-производственного отдела (НПО) Комсомольского-на-Амуре авиационного завода (КНААЗ) Крупскому Р. Ф. за поддержку и предоставленную возможность наработки практического материала исследования, а так же доктору технических наук, профессору Амосову