автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Планирование и управление дискретным производством на основе временных сетей Петри с переменной нагрузкой

Введение.

1. Анализ проблемы обеспечения эффективности процессов планирования и управления дискретным производством.

1.1. Дискретное производство, как объект управления.

1.2. Структура и задачи системы управления дискретным производством.

1.3. Математические модели дискретного производства.

1.4. Цели исследования.

2. Временные сети Петри с переменной нагрузкой.

2.1. Определение временной сети Петри с переменной нагрузкой.

2.2. Свойства временной сети Петри с переменной нагрузкой и методы их анализа.

2.2.1. Основные свойства временной сети Петри с переменной нагрузкой.

2.2.2. Методы анализа свойств временных сетей Петри с переменной нагрузкой.V:.

2.3. Исследование эффективности использования временной сети Петри с переменной нагрузкой для моделирования дискретных потоковых систем.

3. Временная сеть Петри с переменной нагрузкой в задачах управления дискретным производством.

3.1. Формализация сетевой модели дискретного производства.

3.2. Алгоритмы управления дискретным производством.

3.3. Повышение эффективности алгоритма управления.

3.3.1. Методы повышения эффективности производственного плана

3.3.2. Снижение времени планирования дискретного производства.

4. Система планирования производственных процессов.

4.1. Функциональные возможности и структура системы планирования

4.1. Информационная база системы планирования.

4.2. Этапы реализации процесса планирования на ПЭВМ.

5. Разработка и исследование модели управления участком гибких технологий ОАО "Красноярский завод комбайнов".

5.1. Характеристика объекта управления.

5.2. Математическая модель производственного процесса.

5.3. Определение эффективности использования математической модели.

5.4. Анализ результатов моделирования и выбор алгоритма управления.

5.5. Возможности повышения фактической производительности участка гибких технологий.

Актуальность проблемы. Качество управления непосредственно влияет на издержки производства и в конечном счете определяет эффективность работы предприятия в целом. Расширение номенклатуры, увеличение сложности и сменяемости выпускаемой продукции, переход к рыночным формам хозяйствования требуют автоматизации задач управления, основу которых составляют планирование и регулирование процессов дискретного производства.

Теоретические основы решения задач управления дискретным производством сформировались к концу 60-х годов нынешнего столетия. Однако, как показывает имеющийся отечественный и зарубежный опыт в области управления дискретным производством, поиск математических моделей, методов и средств построения реальных автоматизированных систем управления остается актуальным и в настоящее время. Это объясняется следующими обстоятельствами. Для большинства практически важных задач отсутствуют эффективные методы решения, а их четкая математическая формулировка зачастую вызывает существенные трудности. Традиционные модели, используемые в математических постановках задач управления дискретным производством, являются слабо приспособленными для непосредственного создания на их основе компьютерных систем управления. Затруднения обуславливаются:

1) 'жесткостью' моделей, т.е. сложность структурных изменений элементов модели (например, дополнения системы ограничений, изменения формы критерия эффективности);

2) необходимостью представления конвейерных процессов и сложных ресурсных отношений, наглядного отображения текущего состояния и динамики производства при получении прогнозов и ретроспектив, необходимых для обоснованного принятия решения.

Адекватность результатов процесса поиска решения сводится на нет, из-за отсутствия возможности учета влияния контролируемых возмущающих факторов на производственный процесс. Благодаря широкому использованию методов декомпозиции моделей управления, являются реальными нарушения принципа комплексности автоматизации, т.е. имеется возможность потери большой части полученного результата на стыках задач управления.

Поэтому, в связи с перечисленными выше факторами, дальнейшее развитие дискретного производства и повышение эффективности его управления тесно связывается с необходимостью исследования и поиска новых моделей, методов и средств построения автоматизированных систем, обеспечивающих высокую эффективность решения задач управления дискретным производством.

Целью работы является разработка и исследование формальных моделей дискретного производства, позволяющих учитывать влияние контролируемых возмущающих факторов; разработка методов, алгоритмических и 5 программных средств, обеспечивающих реализацию задач управления дискретным производством на их основе.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертационной работе использованы методы теории управления организационными системами, теории сетей Петри, теории расписаний, теории множеств и структурного программирования.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. В качестве моделей дискретного производства для решения задач управления используется разработанный аппарат временных сетей Петри с переменной нагрузкой. Динамика сети описана уравнением состояний.

2. Уравнение состояний временных сетей Петри с переменной нагрузкой применено для исследования свойств сетевых моделей и решения задач управления дискретным производством.

3. Разработан метод эквивалентного аналитического преобразования сетевой модели к ее обобщенному временному аналогу. Выполнены исследования эффективности применения временных сетей Петри с переменной нагрузкой для целей моделирования и управления.

4. Предложены методики формирования эвристических схем решения задач управления путем: а) дополнения функций учета влияния контролируемых возмущающих факторов набором правил предпочтения; б) использования правила предпочтения в качестве критерия структурного преобразования сетевой модели, выполняемого по окончанию процесса ее формализации.

5. Разработан алгоритм решения задач управления дискретным производством с учетом влияния контролируемых возмущающих факторов на основе разработанных в диссертации сетевых моделей.

Практическую ценность диссертационной работы составляет созданная на основе разработанных моделей, методов и алгоритмов, система планирования производственных процессов. Ее применение позволяет реализовать выполнение следующих типовых задач:

1) исследования и проектирования дискретных производственных систем, а также алгоритмов их управления;

2) планирования и регулирования процессов дискретного производства.

Система обеспечивает высокую эффективность человеко-машинных процессов принятия управленческих решений.

Реализация результатов работы. Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение использовано для исследования участка гибких технологий заготовительно-штамповочного цеха ОАО "Красноярский завод комбайнов" (ОАО КЗК). Результаты исследований переданы к использованию в проектируемой автоматизированной системе управления производственным процессом заготовительно-штамповочного цеха ОАО КЗК. Основные положения диссертации внедрены в учебный процесс кафедры "Робото6 техники и технической кибернетики" Красноярского государственного технического университета.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на XXXVII и ХХХХ научно-практических конференциях студентов, сотрудников и преподавателей, проходивших в Красноярске в 1996, 1998 годах; на региональной научно-практической конференции "Достижения науки и техники - развитию города Красноярска" (Красноярск,

1997); на Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов "Современные проблемы радиоэлектроники" (Красноярск,

1998); на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Высшая школа на пути реформ" (Красноярск, 1998); на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов" (Красноярск,

1999); научных семинарах кафедры "Робототехники и технической кибернетики" Красноярского государственного технического университета.

Публикации. Основные положения и результаты диссертации отражены в семи опубликованных работах и научно-техническом отчете.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 109 страницах машинописного текста, иллюстрированного 28 рисунками, а также содержит список литературы из 86 наименований и три приложения. Общий объем работы - 149 страниц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации с помощью математического аппарата временных сетей Петри с переменной нагрузкой решены проблемы управления дискретным производством. На основе теории временных сетей Петри с переменной нагрузкой - теоретического результата диссертации разработаны новые методы имитационного моделирования, позволяющие значительно повысить эффективность решения задач управления при наличии влияния контролируемых возмущений.

Результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. На основе анализа задач управления дискретным производством и традиционных методов их решения обоснована необходимость поиска новых подходов к построению автоматизированных систем управления дискретным производством.

2. Для адекватного модельного представления дискретного производства в задачах управления впервые введен класс временных сетей Петри с переменной нагрузкой. Разработаны формальные методы исследования их свойств. Динамика сети описана уравнением состояний. Рассмотрены вопросы эффективности применения временных сетей Петри с переменной нагрузкой для целей моделирования и управления.

3. Разработан метод формализации сетевой модели дискретного производства, основанный на интерпретации элементов временной сети Петри с переменной нагрузкой элементами производственного процесса.

4. Разработан алгоритм решения задач управления дискретным производством при учете влияния контролируемых возмущений. Рассмотрены возможности повышения эффективности разработанного алгоритма за счет применения эвристических схем и переменного шага имитации.

5. Разработана система планирования, предназначенная для автоматизации процессов проектирования, исследования, планирования и регулирования дискретных производственных систем.

Результаты диссертации могут быть использованы для автоматизации управления в строительстве, транспортных системах, отрасли связи и т.д. Теоретические результаты, связанные с исследованием свойств сетевых моделей, могут быть применены в других разделах науки.

110

1. Автоматизация управления/ В А. Абчук, А. Л. Лифшиц и др.; под ред.

2. B.А. Абчука. М.: Радио и связь, 1984. - 264 с.

3. Автоматизированные системы оперативно-диспетчерского управления: Сборник научных трудов/ Под ред. Н.С. Бродской. М.: Энергоатомиз-дат, 1982. - 38 с.

4. Акимов А.П., Шафранский В.В. Планирование в гибких производственных системах// Известия РАН. Техническая кибернетика. 1987. - №4.1. C.178-189.

5. Алиев Р.Я., Церковный А.Э., Мамедова Г.А. Управление производством при нечеткой исходной информации. М.: Энергоатомиздат, 1991. -240 с.

6. Балухто А.Н. Модифицированные временные сети Петри и автоматизация моделирования дискретных потоковых систем// Автоматика и телемеханика. 1996. - №8. - С. 132-141.

7. Бандман О.Л. Поведенческие свойства сетей Петри// Известия РАН. Техническая кибернетика. 1987. - №5. - С. 134-150.

8. Бестужева И.И., Руднев В.В. Временные сети Петри. Классификация и сравнительный анализ// Автоматика и телемеханика. 1990. - N210. - С.З-21.

9. Бурков В.Н., Кондратьев В.В. Механизмы функционирования организационных систем. М.: Наука, 1981. - 384 с.

10. Бурков В.Н. Модели и методы управления организационными системами. М.: Финансы и статистика, 1994. - 360 с.

11. Ю.Волков С.И. и др. Применение позиционных инвариантов сетей Петри для функционального диагностирования// Кибернетика и системный анализ. 1992. - №1. - С.92-99.

12. Воробьев С.А., Масальский Г.Б. Временная сеть Петри с переменной нагрузкой// Информатика и системы управления: Сб. научных трудов/ Отв. ред. М.А. Воловик, Б.П. Соустин. Вып.4. Красноярск: НИИ ИПУ, 1999. (в печати).111

13. Воробьев С.А., Масальский Г.Б. Использование " инвариантных" сетей Петри в системах принятия решений// Достижения науки и техники -развитию города Красноярска: Тезисы доклада научно-практической конференции. Красноярск: КГТУ, 1997. С.20.

14. Ганин Н.М., Катковник В .Я., Полищук М.Н. Математические модели автоматизированных производственных систем. JL: ЛГТУ, 1991. -16 с.

15. Горнев В.Ф., Емельянов В.В., Овсяников М.В. Оперативное управление в ГПС. М.: Машиностроение, 1990. - 256 с.

16. Гроппен В.О. Модели и алгоритмы комбинаторного программирования. Ростов: Изд-во Ростовского университета, 1983. - 147 с.

17. Грудев А.И., Меликян A.A. Имитационное моделирование гибких автоматизированных производств// Известия РАН. Техническая кибернетика. 1988. - №4. - С. 119-130.

18. Грудев А.И., Меликян A.A. Моделирование динамики обрабатывающего участка// Известия РАН. Техническая кибернетика. 1987. - №3. -С.32-40.

19. Губин Н.М., Добронравов A.C., Дорохов Б.С. Экономико-математические методы и модели в планировании и управлении в отрасли связи. М.: Радио и связь, 1993. - 376 с.

20. Дальниченко И.А., Мясников В.И., Четвериков В.Н. Автоматизированные системы управления предприятиями. М.: Машиностроение, 1984. -360 с.

21. Дуболазов В.А. Оперативное управление основным производством в АСУ машиностроительным заводом. Л.: ЛДНТП, 1984. - 24 с.

22. Емельянов В.В. Метод построения моделей сложных дискретных систем и процессов// Вестник МГТУ им. Баумана. Серия "Машиностроение".- 1993.-№1.-С.14-19.

23. Жимерин Д.Г., Мясников В.А. Автоматизированные и автоматические системы управления. М.: Энергия, 1979. - 592 с.

24. Зайцев Д.А. Решение задач оперативного управления дискретным производством на основе сетевых моделей Петри: Автореф. дис. канд. техн. наук. Киев: Институт кибернетики им. В.М. Глушкова, 1991. - 12 с.

25. Иванов H.H. Обобщенные временные стохастические сети Петри// Автоматика и телемеханика. 1996. - №10. - С. 156-167.

26. Имитационное моделирование АСУТП: Сб. научных трудов/ Под ред. Ю.С. Вальденберга. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 40 с.

27. Иозайтис B.C., Львов Ю.А. Экономико-математическое моделирование производственных систем. М.: Высшая школа, 1991. - 192 с.

28. Исследование операций: В 2-х томах. Т.1./ Под ред. Дж. Моудера. -М.: Мир, 1981.-712 с.

29. Калачев В.Н., Кривоножко В.Е., Немчинов Б.В. Задачи планирования в гибких производственных системах// Автоматика и телемеханика. -1995. №6.-С.155-164.

30. Калин О.М., Ямпольский С.Л., Песков Л.В. Моделирование ГПС. -Киев: Техника, 1991. 178 с.

31. Каличенко H.H. Экономико-математическое моделирование в анализе материальных ресурсов// Автоматизация и современные технологии. -1992. №3. - С.32-34.

32. Канцедал С.А. Вычислительные алгоритмы решения задач теории расписания// Известия РАН. Техническая кибернетика. 1982. - №3. - С.42-51.

33. Канцедал С.А. Статистические характеристики алгоритмов составления расписаний// Перспективы и опыт внедрения статистических методов в АСУТП: Тезисы докладов Ш-ей всесоюзной конференции. Тула: ТулПИ, 1987. -С.66-67.

34. Карданская Н.Л. Принятие управленческого решения. М.: ЮНИ-ТИ, 1999. - 407 с.

35. Конюх В.Л. Методы имитационного моделирования в горном деле// Вестник КузбассГТУ. 1998. - №6. - С. 14-19.

36. Корбут A.A., Финкелыдтейн Ю.Ю. Дискретное программирование. -М.: Наука, 1969.-368 с.

37. Корбут A.A., Финкельштейн Ю.Ю. Приближенные методы дискретного программирования// Известия РАН. Техническая кибернетика. -1983. №1. - С.165-176.

38. Костин А.Е. Детерминированный метод для определения достижимости маркировки в сети Петри// Автоматика и вычислительная техника. -1990. №2. - С. 16-22.

39. Котов В.Е. Сети Петри. М.: Наука, 1984. - 160 с.

40. Крысов Ю.А. Алгоритм решения задачи планирования в диалоговой системе// Известия РАН. Техническая кибернетика. 1984. - N26. - С.202-206.

41. Кульба A.B., Назаретов В.М., Агафонов И.Г. Система оперативного планирования ГПС// Электроника и информатика в ГАП: Тезисы докладоввсесоюзной научно-технической конференции. М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, 1987. - С.22.

42. Ларионов А.И., Юрченко Т.И., Новоселов А.Л. Экономико-математические методы в планировании. М.: Высшая школа, 1991. - 240 с.

43. Лескин A.A., Мальцев П.А., Спиридонов A.M. Сети Петри в моделировании и управлении. Л.: Наука, 1989. - 133 с.

44. Литвинов В.В., Марьянович Т.П. Методы построения имитационных систем. Киев: Наука думка, 1991. - 120 с.

45. Львов Ю.А., Сатановский Р.Л. Интенсификация машиностроительного предприятия: организация и планирование. Л.: Машиностроение, 1984. - 182 с.

46. Мелькумов Л.Г., Гладышевская Г.Н., Плессер С.А. Оптимизация прибыли многономенклатурного производства// Автоматизация и современные технологии. 1993. - №4. - С. 15-25.

47. Мельцерн М.И. Диалоговое управление производством. М.: Финансы и статистика, 1983. - 240 с.

48. Михайличенко A.M. Управление ГПС в условиях действия возмущений. М.: ВНИИТЭМР, 1989. - 32 с.

49. Моделирование производственно-сбытовых систем и процессов управления: Монография/ Под ред. A.A. Колобова, Л.Ф. Шкаляровского. -М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1993. 216 с.

50. Негрич В.Я. Формирование оптимальной производственной программы предприятия// Известие вузов. Серия "Машиностроение". 1995. -№1-3. - С.130-136.

51. Никонов В.В., Подгурский Ю.Е. Применение сетей Петри// Зарубежная радиоэлектроника. 1986. - №11. - С. 17-37.

52. Первозванский A.A. Математические модели в управлении производством. М.: Наука, 1975. - 616 с.

53. Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем. М.: Мир, 1984. - 264 с.

54. Планирование дискретного производства в условия АСУ/ Под ред. В.М. Глушкова. Киев: Техника, 1975. - 285 с.

55. Постникова Е.С. Формирование оптимальной производственной программы производственно-сбытовых систем// Известие вузов. Серия "Маши-ностроение". 1994. - №7-9. - С. 139-144.

56. Пригожин Е.М. Совершенствование планирования на предприятиях. М.: Экономика, 1986. - 175 с.

57. Промышленная логистика. Логистико-ориентированное управление организационно-экономической устойчивостью промышленных предприятий в рыночной среде/ Под ред. A.A. Колобова. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997.-204 с.

58. Рабинович М.Г. Многокритериальные модели и методы оптимизации в текущем планировании на предприятии. Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1988. - 190 с.114

59. Разработка САПР. В 10 кн. Кн. 9. Имитационное моделирование./ В.М. Черненький; под ред. A.B. Петрова. М.: Высшая школа, 1990. - 112 с.

60. Растригин JI.A. Системы экстремального управления. М.: Наука, 1974. - 632 с.

61. Рейнгольд Э., Нивергельт Ю., Део Н. Комбинаторные алгоритмы: теория и практика. М.: Мир, 1980. - 676 с.

62. Рихтер К. Динамические задачи дискретной оптимизации. М.: Радио и связь, 1984. - 136 с.

63. Робототехника и гибкие автоматизированные производства/ Под ред. И.М. Макарова. М.: Высшая школа, 1986-1988. Кн. 3,5.

64. Роземблюм Л.Я. Сети Петри// Известия РАН. Техническая кибернетика. 1983. - №5 - С.12-40.

65. Розин Б.Б., Соколов В.М., Ягольницер М.А. Статистические модели в экономическом анализе, планировании и управлении непрерывным производством. Новосибирск: Наука, 1991. - 255 с.

66. Система технического обслуживания и ремонта технического и подъемно-транспортного оборудования. Волгоград: НПО "Ремонт", 1988. -652 с.

67. Слепцов А.И., Юрасов A.A. Автоматизация проектирования управляющих систем гибких автоматизированных производств/ Под ред. Малиновского. Киев: Техника, 1986,- 110с.

68. Советов Б.Я., Цехановский В.В. Автоматизированное управление современным предприятием. Л.: Машиностроение, 1988. - 168 с.

69. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев A.B. Теория автоматического управления техническими системами. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1993.-492 с.

70. Стеклова Н.М. Временная сеть Петри в задаче обслуживания одно-операторной поточной линией// Автоматика. 1992. - N24. - С.62-67.

71. Типовая система технического обслуживания и ремонта металло- и деревообрабатывающего оборудования/ Минстанкопром СССР, ЭНИМС. -М.: Машиностроение, 1988. 672 с.

72. Управление ГПС: модели и алгоритмы/ Под ред. С.В. Емельянова. -М.: Машиностроение, 1987. 368 с.

73. Федоров В.Ю., Чуканов В.О. Анализ отказоустойчивости сложных систем расширениями сетей Петри// Автоматика и телемеханика. 1992. -№2. - С.144-156.

74. Хоботов E.H. Некоторые замечания к теореме Джонсона// Автоматика и телемеханика. 1995. - №10. - С.186-187.

75. Хоботов E.H. Оптимизационно-имитационный подход к моделированию сложных производственных систем// Известия РАН. Теория и системы управления. 1996. - №1. - С.111-117.

76. Хохлюк В.И. Параллельные алгоритмы целочисленной оптимизации. М.: Радио и связь, 1987. - 224 с.