автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.10, диссертация на тему:Разработка и исследование методов критериального управления активной системы производственно-транспортного типа

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ УПРАВЛЕНИЯ РАН

гГь ел 2 1 ДЕК 1333

На правах рукописи

КУЛЖАБАЕВ Насанбадрядден Мубараковнч

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ КРИТЕРИАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ АКТИВНОЙ СИСТЕМЫ ПРОИЗВОДСТВЕННО-ТРАНСПОРТНОГО ТИПА

Специальность: 05.13.10. - «Управление в социальных

и экономических системах» '

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва-1998

Работа выполнена в Казахском национальном техническом университете

Научный консультант

- доктор технических наук, профессор Бурков Владимир Николаевич

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Кононенко А.Ф.

- доктор технических наук, профессор Кульба В.В.

- доктор технических наук, профессор Минаев В.А.

Ведущая организация:

Московский физико-технический институт

Защита состоится 1998 г. в <43 часов

на заседании Диссертационного совета Д.002.68.03 Института проблем управления РАН по адресу: 117806, Москва, ул. Профсоюзная, д. 65

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем управления

Автореферат разослан "

1998г.

Ученый секретарь Диссертационного совс /а

к.т.н.

^лс*ъ*ов С.А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В условиях перехода экономики народного хозяйства на рыночные отношения при формировании новых хозяйственных отношений возрастают требования к повышению эффективности управления экономикой. В ряду проблем повышения эффективности управления хозяйственной деятельностью важную роль играют проблемы разработки и исследования организационных механизмов социальных и экономических систем.

В связи с этим на современном этапе работы по анализу и синтезу организационных механизмов функционирования являются важнейшим направлением теории и практики управления.

Проблемы теории управления в организационных системах разрабатываются в тех или иных аспектах в работах целого ряда школ и направлений. Крупный вклад в развитие теории и практики управления системами указанного типа внесли труды многих ученых. В их числе: Л.В.Канторович, И.П. Федоренко, В.А. Трапезников, C.B. Емельянов, H.H. Моисеев, Г.С. Поспелов, А.К. Агангебян, .К.А. Багриновский, В.Н. Бурков, В.Л. Волкович, В.А. Ириков, В.В. Кульба, А.Д. Цвиркун, A.B. Щепкин, A.A. Ашимов, Б.А. Джапаров, К.С. Сагынгалиев и другие. Здесь можно назвать работы по оптимальному планированию, начатые академиком Л.В. Канторовичем, развитие этого направления до системы территориально-отраслевых моделей народного хозяйства (А.Г. Аганбегян, К.А. Багриновский, А.Г. Гранберг . и др.), работы по оптимальному функционированию экономики, ведущимися под руководством академика Н.П. Федоренюр, работы, связанные с применением методов декомпозиции и итеративных методов планирования и управления (В.М. Полтерович, Т.Н. Первозванская, A.A. Первозванский, В.А. Волконский, В.З. Беленький, Н. Корнай, Т. Липтак и др.), работы, посвященные проблемам программно-

целевого планирования и управления в многоуровневых иерархических системах ( Г.С. Поспелов, И.Ф. Шахнов, В.А. Ириков и др.), по теории координации в иерахических системах (М-Месарович, Д.Мако, И. Такахара), по функционированию децентрализованной экономики (К.Дж. Эрроу, Г.Дебре, Л:У. Мак-Кензи, С. Карлин, X. Никайдо, К. Ланкастер, М. Интриллигатор, Л.М. Макаров, Э.М. Браверман, М.И. Левин и др.). Получили развитие работы по оптимальному управлению в динамических моделях экономических систем (Ю.П. Иванилов, A.A. Петров, А.И. Дюкалов, Ю.П. Иванов, В.В. Токарев и др.) и по динамике коллективного поведения (Ю.Д. Тенисберг, A.B. Малишевский, В.И. Опойцев). Игровые методы исследования организационных сцстем получили свое развитие в работах по информационной теории иерархических систем (H.H. Моисеев) и по теории игр с непротивоположными интересами (Ю.Б. Гейрмейер, И.А. Ватель, Ф.И. Ерешко, А.Ф. Кононенко и др.).

Одним из направлений работ по теории управления в организационных системах является разрабатываемое с 1969 года в Институте проблем управления направление, получившее название «теория активных систем» (В.Н.Бурков, В.В. Кондратьев, Д.А. Новиков и др.). В работах по теории активных систем было предложено понятие механизма управления организационной системы, включающее понятия процедуры планирования и системы стимулирования, даны постановки задач оптимального синтеза, рассмотрены методы решения различных классов задач, разработки и исследован ряд моделей организационных и экономических систем. К одному из основных результатов теории активных систем относится теоретическое исследование и обоснование принципа согласованного управления в организационных системах.

В настоящее время актуальной задачей явлйется описание и исследование конкрчных механизмов управления различными подсистемами народного хозяйства, а также разработка имитационных

(деловых) игр для игрового имитационного моделирования конкретных организационных механизмов и предложение на этой основе рекомендаций по их совершенствованию.

Подробный обзор работ по исследованию механизмов управления организационных систем в целом ряде отраслей имеются в других источниках.

Первые работы по теме диссертации были получены в 1977 году в лаборатории «Активные системы» Института проблем управления РАН в плане исследований по теории активных систем.

Цель работы. Целью диссертационной работы являются:

1. Описание и исследование моделей производственно-транспортных систем, характерной особенностью которых являются наличие «потоков» продуктов или грузов в системе, требующих разработки новых механизмов управления.

2. Разработка общего подхода к решению задачи критериального управления.

3. Определение оптимальных механизмов управления для описанных моделей производственно-транспортных, систем на основе разработанного подхода.

4. Разработка методологии конструирования и применения автоматизированных имитационных игр в учебных целях.

5. Разработка имитационного эксперимента и комплекса имитационных игр с использованием ЭВМ • в режиме диалога, имитирующего функционирование систем при различных механизмах управления с целью проверки теоретических результатов, а также в учебных целях.

6. Разработка на основе полученных результатов рекомендаций по совершенствованию механизмов управления конкретных подсистем народного хозяйства.

Методы исследования. Проведенные теоретические и прикладные исследования базируются на использовании аппарата теории управления, организационными системами, теории активных систем, системного анализа и исследования операций, имитационного моделирования, а также на реализации имитационных игр на ЭВМ.

Научная новизна. Разработка общего подхода к решению задачи критериального управления, исследование правомерности гипотез слабого влияния для линейных' моделей и синтез стохастических моделей стимулирования для систем с последовательно функционирующими элементами (по нескольким параметрам), являются обобщением и развитием ранее полученных результатов по теории активных систем (В.Н. Бурков, В.И. Опойцев, В.В. Кондратьев, A.A. Ашимов, Б.А. Джапаров, К.С. Сагынгалиев A.B. Щепкин и др.). Синтез оптимальных механизмов функционирования для производственно-транспортных систем при наличии «потока» в системе, исследование законов управления системой «поставщик - потребители» с учетом динамики поставок и разработка имитационных игр и игровых комплексов с использованием. ЭВМ в режиме диалога являются ' продвижениями в новых направлениях.

Практическая ценность. Проведенные в работе исследования и полученные результаты составляют основу построения принципов управления при разработке ' и совершенствовании механизмов функционирования активных систем. Разработанные принципы, модели и методы направлены на решение важной народнохозяйственной задачи -повышение эффективности управления организационными системами. Представленные в работе результаты развивают методы теории активных систем по описанию и исследованию конкретных механизмов функционирования различных подсистем народного хозяйства.

Разработаны игровые комплексы для моделирования организационных механизмов в производственно-транспортных системах.

Внедрение. Результаты теоретических и прикладных исследований, проведенных в диссертации, внедрены при решении важных практических

задач.

Разработанные модели и.методы использованы:

- при разработке АРМ руководителя автотранспортного предприятия;

- при разработке автоматизированной имитационной модели механизма управления дробильным участком обогатительной фабрики и свинцово-цинкового комбината.

- при разработке автоматизированной подсистемы управления внутризаводским транспортом горно-обогатительного комбината и производственного объединения «Химпром».

Кроме этого, разработанные имитационные игры были внедрены в учебный процесс Московского института стали и сплавов, Всесоюзного заочного института инженеров транспорта и Казахского национального технического университета.

Соответствующие акты о внедрении результатов диссертационной • работы представлены в приложений.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на семинарах Института проблем управления и Казахского национального технического университета, на XXII конференции молодых ученых Института проблем управления (Москва 1976); IV и V Всесоюзных совещаниях-семинарах по управлению большими системами (Алма-Ата, 1977 и 1978 гг.), III Всесоюзной конференции по исследованию операций (Горький, 1978), VI Международном симпозиуме по прикладным проблемам управления большими системами (Болгария, Приморско, 1977), IV семинаре социалистических стран по проблеме имитационных игр (Варшава, 1977), конференции молодых ученых «Оптимизация процессов управления» (Алма-Ата, 1979), VIII Всесоюзном семинаре-совещании «Управление большими системами» (Алма-Ата, 1983), III- Всесоюзном семинаре «Методы решения

задач оперативного управления в межведомственном уровне» (Москва, 1984), XVI - Международном семинаре ИФАКУИСАГА (Алма-Ата, 1985), X-Всесоюзном совещании-семинаре «Управление иерархическими активными системами» (Тбилиси, 1986), Межвузовской конференции «Приложение инженерных имитационных игр для моделирования деятельности коллектива» (Москва, 1990), ' Международной научно-практической конференции «Рынок и высшее образование» (Алматы, 1993) и Международной научно-практической конференции «Управление большими системами» (Москва, 1997).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 277 стр. текста, включая 57 рисунков, 31 таблицу. Список используемой литературы включает 104 наименования.

Содержание работы.

Во введении рассматриваются проблемы, возникающие при разработке и анализе организационных механизмов и дается краткий обзор результатов и направлений исследований в данной области.

Для исследования организационных механизмов в диссертации разрабатываются методы критериального управления. С этой целью предложен общий подход к решению задачи критериального управления и определены абсолютно оптимальные механизмы управления для моделей производственно-транспортных систем. Определена цель работы, обоснована ее актуальность и охарактеризованы используемые в работе методы исследований.

Разработана методология конструирования автоматизированных имитационных игр и разработан игровой комплекс и имитационный

эксперимент для моделирования управленческих решений в производственно-транспортных системах.

Описаны общие методологические подходы, положенные в основу проведенных исследований, структура диссертационной работы, взаимосвязь и краткое содержание ее разделов. Приведены основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе рассматривается активная система производственно-транспортного типа и постановка задачи управления, активной производственно-транспортной системой. Дается общее описание модели, описание механизма управления. Приводится краткий обзор результатов по теории активных систем, близких к теме и основные задачи диссертационной работы.

Рассматривается производственная система на примере промышленного предприятия, состоящего из п основных цехов и выпускающее т видов продукции, где цех № 1- заготовительный цех , цеха №№ (2т(п-1))- промежуточные (механические), цех № п - сборочный.-Обозначим уу количество продукции .¡-го вида 1 -го цеха, ^ -

трудоемкость обработки продукции ] -го вида в ! -ом цехе, Т( - реальный фонд времени 1 -го цеха в течение планируемого периода. Тогда ограничения на возможные выпуски продукции в цехе I имеют вид

ш

Е'цУи^Т,, ¡=1 + п. (1)

]=1

Чтобы отразить производственные связи между цехами обозначим у \ '

количество продукции к -го цеха, необходимое для выпуска 1 -ым цехом единицы продукции j -го вида, - множество цехов, снабжающих 1 -ый

цех промежуточной продукцией ]-го вида. Тогда для выпуска уу единиц

продукции ,|-го вида цеху 1 необходимо —т-у^ продукции ¿-го вида к-го

Ры

цеха. Следовательно,

Уи^РиСУч+Уч). ке(*Г (2)

где уц - запас продукции ¿-го вида в к-ом цехе в начале периода. Другими словами, при заданных у^ и у^ максимально возможный выпуск продукции ]-го вида ¡-го цеха равен

У, = тшр'ы(Уц + Уч),- ] = (3)

к

Поскольку цех п является конечным и выпускает готовую продукцию, то количество и^ готовой продукции ]-го вида равно = Важной

характеристикой работы цеха являются затраты г^ на выпуск продукции. Будем считать известным параметрический вид зависимости Ф|(У|,г{) затрат от вектор-выпуска у^ где г- - параметры, которые будем называть коэффициентами затрат.

В линейных моделях

. Ъ =Ф|(У|.г,)= £гиуи . (4)

Основные показатели работы цеха: объем реализации

прибыль

1=1

П| =Р,-Ф,(У,.!•,). (6)

Для определения целевой функции производственной системы в целом обозначим с| цену готовой продукции .¡-го вида. Тогда

т

(7)

объем реализации системы, а

П = Р-ЕФ!(У|»Г1) (8)

1=1

прибыль системы.

Описанная модель является достаточно общей моделью производственно-транспортных систем. В работе показано, что транспортные процессы также могут быть описаны этой моделью. В качестве целевых функций системы могут также выступать суммарное или максимальное время перевозки в транспортных системах или длительность производственного цикла в производственных системах

В работе описывается также система «поставщик - потребители» для случая однопродуктовой модели (например, топливно-энергетический комплекс, система водораспределения и др.). Обозначим Ь, - количество

готовой продукции, выпускаемое поставщиком в интервале 1(4= 1, Т, где Т - число планируемых интервалов). Для данного поставщика определены потребители и количество продукции (2рТ, отгружаемое потребителю р за

весь планируемый период (р = 1, т, где т - число потребителей). При этом

ш т

р=1 »=1

Поставщик должен составить график отгрузки готовой продукции на

основе заявок потребителей с учетом своих производственных мощностей.

Потребитель р сообщает поставщику заказ в форме интегрального графика отгрузки |Ор4|, где <2р, определяет количество продукции, отгружаемое

потребителю р за первые t интервалов. Потребитель может также сообщать информацию о «срочности» поставок, например, в виде коэффициентов потерь от недопоставки продукции |рр4| или затрат на ее хранение |ар,|. Естественно допустить, что для каждого потребителя существует наиболее предпочтительный график отгрузки |. При отклонении реального

графика отгрузки |ур, = Ххрт| от |Кр,| потребитель несет потери (в

случае Ур, > Кр, это могут быть затраты на хранение избытка продукции, а

при Ур, < Кр, - потери от нехватки сырья). Будем рассматривать

простейший случай кусочно-линейной зависимости потерь от величины дефицита Ар, = 11р, - Ур,, а именно

П =|"аР'АР' ' если <* 1Рр«Др. ,еслиДр1>0,

где а р, и Рр, - коэффициенты потерь.

ш т

Суммарные потери XX Пр, примем за критерий эффективности р=И=1

функционирования системы .«поставщик - потребители». Рассмотрим следующую систему взаимоотношений между поставщиком и потребителями. Потребитель оплачивает продукцию по цене с,, если отгрузка произведена в интервале t Практически интересным является случай, когда суммарный заказ потребителей в любом интервале I < Т превышает выпущенное к этому времени количество продукции, т.е.

т I

Х0Р( ^ ХЬТ = В,. В этом случае с, > с2 ст, т.е. чем раньше 12

ш Т р = Н=1

(9)

производится отгрузка, тем выше цена. Цена ст может соответствовать оптовой цене продукции, а разность = с, - ст определяет надбавку за срочность. Поставщик, в свою очередь, штрафуется за срыв сроков поставки продукции. Эти штрафы могут частично или полностью пойти на компенсацию потерь потребителей. Принимая кусочно-линейный вид функции штрафов, запишем целевую функцию поставщика в виде

где у Р1, Цр( - коэффициенты штрафов.

Замечание. В (9) не включены составляющие целевой функции предприятия, не зависящие от графика отгрузки продукции, а также не учитывается время документооборота, соответствующее разрыву во времени между реализацией готовой продукции и ее отгрузкой.

Целевая функция потребителя включает плату за продукцию и потери при отклонении реального графика отгрузки от желаемого

К.

Здесь не учитываются затраты потребителей на накладные расходы и на перевозку продукции, так как они слабо зависят от динамики поставок.

Наконец, выпишем ограничения, определяющие допустимые графики отгрузки: хр4 > 0, р = 1, т, t = 1, Т.

т »=1

,р = 1,ш. (10)

Р=1

(И)

УрТ = дрТ, р = 1,т. (12)

На примере распределения водных ресурсов рассматривается система водораспределения для случая одномерного ресурса (воды), состоящая из водохранилища и ш потребителей. Для данного водохранилища определены

потребители и Предварительные объемы воды Ыр,, требуемые потребителю

р за весь планируемый период Т(р = 1, т). Обозначим ВТ - объем воды в водохранилище за планируемый период Т. При этом, возможно

т

£ ИрТ £ Вт. Предположим, что в свою очередь потребитель р р=1

сообщает водохранилищу - заявку на требуемый объем воды на каждый

период времени ^ так как отсутствует хранение воды (1 = 1, Т, за < можно

т

принимать сутки, недели, декады' и т.д., £ цр{ = (¿рт ). Водохранилище

1=1

распределяет воду в объеме хр(, на основе заявки р-го потребителя в каждый

период 1 с учетом своей мощности. Естественно допустить, что для каждого

потребителя р существует реально потребляемый объем воды гр, в периоде

При гр1 > хр, потребитель р в периоде 1 несет потери от дефицита воды, а

при qpt < хр, - затраты от хранения избытка воды.

Будем рассматривать простейший случай кусочно-линейной ' зависимости потерь от величины дефицита

а именно

П = {а?'Лр" если Ар'>0 р* [УрА>о если ДР.<0"

Рассмотрим следующую систему взаимоотношений между водохранилищем и потребителями. Каждый потребитель покупает воду по основной цене с, а водохранилище в свою очередь штрафуется за срыв объемов и сроков распределения воды. Принимая кусочно-линейный вид функции штрафов, запишем целевую функцию водохранилища в виде

р=И=I

( = |Рр1(Чр.-Хр,), если qptzxpt Р' ( йрч(хр1 ~ если ЧР» < V'

где РрИ цр4 - коэффициенты штрафов.

Целевая функция потребителя включает плату за воду и потери при отклонении реально-потребляемого объема от распределяемого на весь период Т:

Рр = 1(«р, + Пр1). (14)

1=1

Рассмотренные выше модели имеют общие черты. Основное, что их объединяет, это наличие «потока^ продуктов или грузов в системе. Наличие потока является принципиальной особенностью, определяющей в ряде случаев необходимость разработки новых механизмов функционирования. Эта особенность и послужила основанием для выделения производственно-транспортных систем в отдельный объект исследования теории активных систем. Сравнивая описание моделей производственных и транспортных систем можно заметить, что модель транспортной системы является частным случаем производственной, если перевозкам груза по дугам в транспортной системе поставить в соответствие выпуски продукции элементами производственной системы.

Для описания функционирования производственно-транспортных систем вводятся ряд общих обозначений: Y1(qi) - множество возможных состояний ¡-го элемента, где - параметры модели элемента. Множество возможных состояний системы у = (у,,у2,...,уп) будем обозначать У(я) ,

п

где я = Очевидно = Угл п Д где Угл -

глобальные ограничения, отражающие зависимость состояний элементов системы.

Рассматривается функционирование производственно-транспортной системы с позиций теории активных систем. Функционирование системы включает три этапа: формирование данных, планирование и реализация плана.

На этапе формирования данных каждый элемент (цех в производственной системе, вид транспорта, потребители или производители в транспортной системе) сообщает в центр оценки 5, = | неизвестных центру параметров модели qi (это могут быть оценки трудоемкостей ^ или коэффициентов затрат Гу в производственной системе, соответственно пропускных способностей Ту или коэффициентов затрат в транспортной). Такой способ формирования данных называется встречным.

На этапе планирования центр определяет план х(в) = (в)| системы и управление

На этапе реализации каждый элемент выбирает реальное состояние у, = |уу| из множества возможных состояний У^^.

Как правило, предполагается, что элемент выбирает у, из условия максимума целевой функции = на множестве

Совокупность целевых функций \У = {\У,| и управления X называется

системой стимулирования.

Таким образом, при встречном способе формирования данных механизм управления 2 определяется заданием системы стимулирования А,) и процедуры планирования я = {х(в) , т.е. (\У,А.,7с).

Важным требованием к механизму управления является требование обеспечить достоверность информации, сообщаемой элементами. Этому

требованию удовлетворяют механизмы открытого управления (честной игры). Обозначим

Ф,(Х,х,,ч,)= max fj^xpy,) (15)

У|еМЧ|)

а F (х, q) - целевую функцию системы.

В работе рассматриваются механизмы открытого управления, в которых управление X и план х определяются центром в результате решения следующей задачи:

maxF(x,s)

xeX(s), Xsl (16)

9i(^»Xi»Si)= max z, s,)

Обозначим ее решение (Xoy(s), x0),(s)). При этом предполагается, что управление X(s) слабо зависит от Sj (гипотеза слабого влияния), так что активные элементы не учитывают этой зависимости при сообщении информации. Важной особенностью механизмов открытого управления (16) является совпадение выбираемого элементами состояния с планом.

Пусть задано множество G возможных целевых функций W = {ф[}. Выбирая W е G и решая задачу (16) мы определяем некоторый механизм управления. , .

Задача критериального управления. Определить W е G так, чтобы

Kw=mmEliZMs]

Fm(q)

было максимальным, где Q - множество возможных значений q, Fra(q) -значение целевой функции в решении задачи оптимального планирования maxF(x,q), xeX(q). (17)

Если K(W) = 1, то механизм управления называется абсолютно оптимальным (100%-оптимальным).

Задача критериального управления является частным случаем задачи стимулирования. Последняя исследовалась в работе В.Н. Буркова и Д.А. Новикова, где было показано, что в многоэлементных активных системах задача стимулирования является весьма сложной в общем случае. Следует отметить, что хотя задача критериального управления была сформулирована еще в 70-х годах, ее решение было получено только для ряда простых моделей (работы В.Н. Буркова, И.А. Горгидзе, В.В. Кондратьева). Поэтому актуальной является разработка и исследование методов решения задачи критериального управления, а также обоснование гипотезы слабого влияния.

Для экспериментальной проверки теоретических результатов используется метод деловых или имитационных игр.

Изучение опыта проведения учебных игр показывает, что с помощью метода игровой имитации успешно решаются не только проблемы обучения, что учебные имитационные игры служат прекрасным методом в процессах принятия решений, организационного проектирования и исследования. Однако существуют различные точки зрения по вопросам теории имитационных' или деловых игр. Отсутствие общей методологии обуславливает необходимость разработки методики конструирования и проведения имитационных игр по конкретному назначению или направлению.

К настоящему времени большинство работ по имитационным или деловым играм посвящены методам их описания, организации или проведения.

Существующие работы, описывающие методы разработки учебных имитационных игр, представляются, в основном, в виде замечаний или рекомендаций, .за исключением нескольких работ, где вопросы конструирования игры рассматриваются довольно содержательно.

Далее приводится краткий обзор состояния проблемы оптимального синтеза организационных механизмов. Анализируется задачи, близкие к

теме диссертации, рассмотренные более или менее детально в других работах. В свете изложенного перечислены основные задачи диссертационной работы, связанные с построением оптимальных механизмов управления для производственНо-транспортных систем.

Во второй главе проводится исследование методов критериального управления производственно-транспортных систем. Рассматривается описание методов решения задачи критериального управления. На основе этих методов проводятся исследования моделей производственных и транспортных систем и синтез оптимальных механизмов управления.

Рассмотрим случай, когда ограничений на выбор целевых функций элементов нет. Идея предлагаемого подхода к решению задачи критериального управления состоит в следующем. Пусть получено оптимальное решение задачи (17),

х,=8,(Ч), ¡ = , (18)

Введем управляющие переменные = {^¡(я)} так, чтобы (18) можно было представить в виде

Х1 =8|(^(ч)>4|)» ¡ = (19)

и Л.|(ч) слабо зависит от ф. Проще всего взять

ЫФ= (Чи Ч1> •••»Чн> Чн-ь ••• > Чв) = 4(0-

Возьмем теперь в качестве ср^Х, Х|, Я|) любую функцию, необходимые условия максимума которой по Х| совпадают с (19), например

= (20)

В работе показано, что полученный механизм открытого управления является абсолютно оптимальным. Для практического применения данного подхода необходимо иметь метод решения задачи оптимального планирования и восстанавливать фактические значения параметра я после реализации плана.

В ряде случаев удается получить необходимые условия оптимальности задачи (17) непосредственно в виде (19).

Приводятся примеры решения задачи критериального управления на основе описацного подхода для следующих случаев:

a) Получена аналитическая зависимость х°(ц) оптимального решения задачи от параметров q (необходимые и достаточные условия).

b) Получены необходимые условия оптимальности в виде соотношений дополняющей нежесткости в теории линейного программирования.

c) . Получены необходимые условия оптимальности с использованием

метода множителей Лагранжа.

Далее исследуются модели производственных и транспортных систем, описанных в главе I, включая анализ ситуаций равновесия и гарантирующих стратегий при гипотезах слабого влияния. На основе описанного выше подхода к решению задачи критериального управления определены абсолютно оптимальные механизмы для производственных и транспортных систем.

Для исследования функционирования производственной системы рассмотрены следующие задачи.

Пусть х = | - план производственной системы. В этом случае выпуск готовой продукции .¡-го вида равен = тша^Хц, где

количество продукции ]-го ¡вида ¡-го цеха, необходимое для выпуска

единицы готовой продукции .¡-го вида. Величины а у легко вычисляются при

известных и технологической структуре предприятия. Далее выпишем задачу оптимального планирования для случая целевой функции (8)

ш п ш

]=1 1=и=1 х

при условиях Ху £ 0, 1 = 1, п, ] = 1, т 1

а у

и4 ^0, ¡ = 1, п, | = 1» т

.1=1,п

Также исследуется задача с линейной многопродуктовой моделью, где п параллельно функционирующих активных элементов выпускают ш видов полуфабрикатов в количестве хч, 1 = 1, п, ] = 1, т, которые поступают в сборочный элемент (сборочный цех), откуда в количестве У)=тшХу,

1 = 1, п, ] = 1, т, выходят как годовая продукция (у = ). Задача центра имеет следующий вид

т

Ф(с,у) = 2>1У1 тах

при ограничениях:

т _

Е<уХу^Т1,| = 1.П, 1=1

У}~ХЧ ^= п, ¿ = 1,ш где с j - цена единицы ¿-го вида годовой продукции ( с = |);

" трудоемкость работы ¡-го активного элемента для производства ¿-го вида полуфабриката; Т, - реальный фонд времени 1-го активного элемента.

Аналогично рассмотрена задача с однопродуктовой моделью. Исследование функционирования транспортной системы проводится для случая, когда перевозка груза производится сначала одним видом транспорта, а затем другим. Предположим, что целевая функция

рассматриваемой системы определяется как суммарные затраты от перевозки грузов по всей транспортной сети

+ (21) р=1]=1 1=1ч=1

Задача оптимального планирования перевозок заключается в минимизации (21) при следующих условиях

• к ' _

5>р,*Тр, р = 1,т,

Ч =

1-1

т I -

Р-1 Ч-'

Исследование модели транспортной сети, представляющей собой совокупность путей сообщения всех видов транспорта и транспортных узлов, представим в виде задачи описывающей перевозку однородного груза п видами транспорта.

л т

Х2>Ц Ху-ЯШП, 1-1

ш ш

2>и-2>л = Н

где N - множество дуг (путей сообщения); Ху - количество груза, которое должно бьггь перевезено от ¡-го пункта в д-й пункт по дуге ((¡, ¡) е ^ и,( -пропускная способности пути сообщения (¡, ]) е N. а( - количество груза, которое должно быть вывезено (завезено) из 1-го пункта; Сц - затраты на

1 = 8,

0, 1

перевозку единицы груза по дуге (¡, Л е N ; х= /(«,]) £N1 - план

перевозок; g и t начальная (источник) и конечная (сток) вершины транспортной сети.

Представим целевую функцию р-го вида транспорта как

(М)еМр

где ^ - множество путей сообщения для р-го вида транспорта, Я. у - доход от перевозки единицы груза по (¡,]) е 1Чр; р = 1, п.

Для всех рассмотренных задач получены решения задачи критериального управления.

Проводится исследование для случая последовательной системы. Построение оптимальных механизмов для систем с последовательными элементами является более сложной задачей, чем для систем с независимыми элементами. На простых примерах анализируется природа возникающих трудностей и дается решение задачи оптимального синтеза.

Далее на основе известных результатов для простого активного элемента исследуются стохастические модели стимулирования.

В случаях, когда есть ограничения на множество возможных целевых функций, задача критериального управления становится существенно более сложной. В работе рассматриваются методы решения для случая, когда целевые функции заданы в параметрическом виде ср^Я., х^ q|), где X - вектор-параметр, к 6 Ь - множество его возможных значений. Предполагается, что имеет место гипотеза слабого влияния, что позволяет выбирать параметр X после сообщения информации, одновременно с выбором плана х, решая задачу (16).

В работе показано, что для рассматриваемого класса производственно-транспортных систем (16) является многоэкстремальной задачей. Рассмотрим два подхода к ее решению.

Метод локальной оптимизации. Если F(x, q) и cpi(A,, Xj, qi) - вогнутые функции Х|, a X(q) и Yj(qi) - выпуклые множества, то при фиксированном X мы получаем задачу выпуклого программирования, которую можно решать известными методами. Обозначим v|/(X) ее решение. Теперь можно рассматривать задачу максимизации цл(Л.) при условии X е L. Эту задачу предлагается решать методом локальной оптимизации. Определяется окрестность z(X) и производится оптимизация по Я. е е(Х) и т.д. до получения локально-оптимального решения. В работе описан метод локальной оптимизации для линейных моделей производственно-транспортных систем.

Метод ветвей и границ. В этом методе сначала решается задача (17) и определяется оптимальный план х°. Затем решаем задачу определения управления X е L, удовлетворяющего условиям согласования в задаче (16). В работе описан метод решения этой задачи для линейных моделей. Если такого X не существует, то производится разбиение множества планов на два подмножества на основе - соотношений дополняющей нежесткости. Для каждого подмножества решается задача (17), что дает оценку сверху целевой функции центра. Выбирается подмножество с наибольшей оценкой и т.д.

В ряде частных случаев задачу согласованного управления удается свести к задаче выпуклого программирования. В работе рассмотрены целевые функции вида

где ф1 - выпуклые функции. В этом случае показано, что ХЧ = = «ВД, 1 = 1,п, ¿ = 1, т.

. *

Если отображение X ц переводит множество Ь в выпуклов»множество М, то мы получаем задачу выпуклого программирования в переменных ц. В работе приведены примеры производственно-транспортных задач такого

вида.

В третьей главе проводится исследование методов критериального управления системой «поставщик - потребители». Рассматривается функционирование системы «поставщик - потребители» при законах жесткой централизации и открытого управления. Исследуется правомерность гипотез слабого влияния. Проводится теоретико-игровой анализ функционирования системы «поставщик - потребители».

Будем считать, что потери потребителей от недопоставок продукции существенно превышают затраты на хранение избытка продукции. Пренебрегая последними, запишем целевую функцию потребителя р в виде

Рр = I {с,!р, + Pp,(Rp, - Vp,)l[Rpt - Vpt]},

где lf 9] = 1 при 9 > О и Ц9] = 0 при 9 < 1.

Примем, что поставщик не производит отгрузку продукции сверх заказанного количества Qpt, т.е. V t < Qpt для всех р, t. Далее можно

ш Т m

отбросить составляющую £ £ cTxpt = с, QpT целевой функции

p=it=i p=i

поставщика как независящую от плана отгрузки готовой продукции. Поэтому поставщик определяет план отгрузки продукции из условия минимизации штрафов за срыв поставок или из эквивалентного условия максимума величины

F=II>ptVpt. (22)

р=И=1

Функционирование системы происходит следующим образом. На этапе формирования данных каждый потребитель сообщает поставщику интегральный график отгрузки продукции Qpt (заказ) и возможно оценку

коэффициента потерь (5pt. Примем, что коэффициент штрафа цр1 равен (или

прямо пропорционален) этой оценке. На этапе планирования поставщик определяет график отгрузки продукции V = (Vp). На этом же этапе

определяются (или корректируются) цены с = (с,). Возможны различные процедуры формирования планов отгрузки и цен. В работе исследуются два закона управления - закон жесткой централизации и закон открытого управления. В законе жесткой централизации цены {с4] фиксированы, а

план отгрузки определяется как оптимальное решение задачи максимизации (22) при условиях (11), (12) и

Ур,<<2р(, » = 1,Т-1,р = Пт.

При законе жесткой централизации доказано, что если потребителей можно упорядочить по величине потерь от недопоставки продукции (Рр1^Рр+111 для всех М, р = 1, т-1), то стратегия <2р = (сообщение

достоверных величин потребностей) является абсолютно оптимальной (теорема 3.1). При отсутствии указанного упорядочения гарантирующими и равновесными стратегиями, потребителей является сообщение завышенных величин потребностей, что приводит к низкой эффективности функционирования.

В законе открытого управления отгрузки и цены определяются в результате решения одной задачи оптимального согласованного планирования, которая отличается от задачи при жесткой централизации дополнительными условиями совершенного согласования. Эти условия отражают интересы потребителей при составлении планов отгрузки. В силу условий совершенного согласования каждый потребитель получает согласованный план отгрузки, т.е. план, обеспечивающий минимум функции предпочтения потребителя.

% = ¿{«ихр, + МОр, - Ур,)1[с>р« - V,,]},

на множестве возможных планов.

Проводится теоретико-игровой анализ функционирования системы при законе открытого управления.

Доказано, что любой ситуации равновесия при гипотезе слабого влияния соответствует оптимальный план отгрузки продукции (теорема З.2.). Кроме того, сообщение достоверных величин потребностей и коэффициентов потерь является равновесной и гарантирующей стратегией каждого потребителя (теорема 3.3) (при соответствующих гипотезах слабого влияния).

Исследуется правомерность гипотезы слабого влияния для системы «поставщик - потребители». Получена оценка изменения управления ДА. при изменении стратегии потребителя в зависимости от числа потребителей. Доказана правомерность гипотезы слабого влияния при достаточно большом числе потребителей (11 > 5). Этот факт экспериментально подтвержден путем проведения деловых игр.

Далее исследуются частные нелинейные и дискретные модели системы «поставщик - потребители» и модели системы водораспределения с учетом динамики распределения ограниченного ресурса. Проводится сравнительный анализ принципов жесткой централизации, открытого управления и принципа обратных приоритетов на примере моделей системы водораспределения. •

В четвертой главе предложена методология конструирования автоматизированных имитационных игр и реализация их на ЭВМ.

В настоящее время существуют различные точки зрения по вопросам теории имитационных игр. Существующие расхождения во взглядах на природу и теорию имитационных игр создают определенные трудности для окончательного формирования метода игрового имитационного моделирования и препятствуют созданию единой методологии разработки и проведения имитационных игр. Отсутствие общей методологии обуславливает необходимость разработки методики конструирования и

проведения имитационных игр по конкретному назначению или направлению.

В данной работе предлагается методология конструирования автоматизированной имитационной игры, разработанная с учетом опыта работы ведущих ученых в этом направлении.

По предлагаемой методологии, в основе конструирования игры лежит формирование цели игры и, исходя из цели, конструирование компонентов и разработка обеспечивающей части игры.

Цель игры должна обеспечить конструирование и создание таких базовых имитационных игр и игровых комплексов, на основе которых можно было бы оптимальным образом использовать метод игрового имитационного моделирования.

Базовой имитационной игрой будем называть имитационную игру, имеющую минимальный набор простейших блоков компонентов игры, позволяющих достигнуть цели игры. Усложняя имеющиеся блоки и подключая дополнительные можно усложнять игру, учитывая более сложные и более тонкие процессы функционирования организационной системы, которые не были отражены базовой имитационной игрой.

При исследовании конкретной организационно-экономической системы возможны рассмотрения различных задач. Например, задача изучения результатов механизма функционирования системы, задача анализа существующего организационного механизма или задача синтеза организационных механизмов. Каждая из этих задач исследования имеет свои отличительные особенности, которые необходимо учитывать при решении этих задач путем проведения экспериментов с помощью метода игрового имитационного моделирования.

На основе предлагаемой концепции к компонентам базовой имитационной игры относятся: организационная структура и участники игры, модели и правила игры.

Рис. 1

Процесс разработки автоматизированной имитационной игры состоит из следующих последовательных этапов:

- формирование цели игры;

- конструирование компонентов игры;

- разработка обеспечивающей части игры;

- составление программы отладки и испытания игры;

- оформление инструкции по эксплуатации игры.

Любая имитационная игра может быть реализована на ЭВМ.(Рис.2) Автоматизация имитационных игр расширяет их возможности, позволяет моделировать сложные игровые ситуации, повышает эффективность процессов принятия решений,. обработки информации и совершенствует профессиональную подготовку специалистов.

Автоматизированными имитационными играми будем называть имитационные игры, сконструированные с использованием технических средств на основе программно-языкового и информационного обеспечения.

В главе 5 на основе вышеизложенной методологии разработан комплекс имитационных или деловых игр.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ПРОВЕДЕНИЯ ИГРЫ НА ЭВМ

Рис.2

Деловая игра «Сбыт» предназначается для моделирования взаимоотношений между предприятием - поставщиком и предприятиями -потребителями в процессе сбыта готовой продукции. В деловой игре рассматривается случай дефицита продукции, когда суммарный объем заказов на досрочную поставку превышает производственные возможности поставщика.

Вследствие неполной информационности поставщика возникает игровая ситуация, поскольку каждый потребитель старается минимизировать только свои потери от покупки дефицитного ресурса.

Интерес к исследованию именно этой ситуации вызван тем, что при нехватке сырья потребители несут большие убытки по сравнению с потерями от хранения избытков сырья.

Для анализа процесса управления сбытом готовой продукции сравниваются законы управления: закон жесткой централизации без штрафования, закон согласованного управления без штрафования и те же законы управления со штрафами. Этот случай отражает реальную ситуацию, когда потребители и поставщики согласно договорам-контрактам могут наладить контроль за потерями от недопоставки продукции.

Игра реализована в режиме диалога с ЭВМ. Игру можно проводить и в режиме «игры с автоматами». Проводится сравнение поведения людей со стратегиями автоматов. Результаты экспериментальных данных подтвердили принятые гипотезы о поведении человека в системе.

Деловые игры «Распределение грузопотоков по видам транспорта» и «Распределение грузопотоков. по направлениям» построены на базе линейных и нелинейных моделей, описывающих традиционные транспортные и распределительные задачи. Они дают возможность быстро и наглядно анализировать действия различных принципов и законов управления в транспортных системах.

Рассмотрим транспортную систему, где перевозка груза может осуществляться различными видами транспорта (например, железнодорожным, речным, морским, автомобильным и т.д.). Задача заключается в определении объемов перевозок, выполненных каждым видом транспорта так, чтобы общие (совокупные) затраты в транспортной системе были минимальными. Примем, что координационный центр решает задачу распределения грузопотоков между различными видами транспорта. Механизм функционирования координационного центра проводится следующим образом:

- каждая транспортная подсистема сообщает в координационный центр информацию о затратах на перевозку грузов;

- координационный центр решает задачу определения грузопотоков, а также определяет (и корректирует) тарифы на перевозку.

Очевидно, что каждая транспортная подсистема, сообщая информацию о затратах, преследует свои хозяйственные интересы. При «плохом» согласовании интересов транспортнйб подсистем и координационнШ центра в системе могут возникнуть отрицательные тенденции завышения оценок затрат на перевозку грузов. Проблема состоит в создании такого хозяйственного механизма, который обеспечивает решение задачи оптимального планирования грузопотоков в координационный центр на основе достоверной информации о затратах на перевозку.

Анализируются результаты функционирования каждого вида транспорта и координационного центра в целом.

Анализ игры при жестком централизованном управлении показывает, что транспортные подсистемы искажают сообщаемую координационному центру информацию о своих возможностях с целью повышения выигрыша. Транспортные подсистемы не имеют конкретной стратегии игры. Значение целевой функции координационного центра далеко от оптимального.

При согласованном управлении со штрафом обеспечивается оптимальное состояние всей транспортной системы, одновременно доставляя гарантированно высокие выигрыши отдельными транспортными подсистемами (так как все транспортные подсистемы сообщают свои достоверные значения = ^ = 1,т).

Таким образом, транспортные подсистемы придерживаются конкретной стратегии игры = ^ при гипотезе слабого влияния (где транспортные подсистемы не учитывают влияния сообщаемых оценок на величину А.).

Деловая игра «Распределение ресурсов в режиме «автоматов», которая позволяет сравнивать правила поведения людей со стратегиями «автоматов» заложенными на ЭВМ. Стратегии «автоматов» определены следующим образом.

1 .Стратегия автомата «плюс-минус» шаг. Самой простой на наш взгляд выглядит итерационная процедура вида

81к+1=з!'±у!\ У?* О

к к

где в! - стратегия 1-го игрока на к -м шаге, у ( - величина шага.

В начальных партиях игры автомат по этой стратегии может и проигрывать, но ее достоинством является то, что она наглядно демонстрирует ход движения к цели. При игре с игроками, не достаточно понимающими природу игры, автомат по этой стратегии обычно выигрывает.

2.Стратегия автомата «шаг по градиенту». По данной стратегии автомат делает шаг согласно итерационной процедуре.

VI,к: $|<'+,=8|'+У|'5!8п8,(8к),

Ь л L - I/+1 Ьч Г U. \ ^Yl V*/

где у, ¿0 означает длину шага УГ — (si ~ si) > а gi(s ) = —- -

9s,

функция-индикатор. Функцией-индикатором для конкретной игры может служить

аЮ-Й^-цЬ Л.

as, dx, ös, ös,

где для нашей модели -

gi(s ) =

2Vx,

Данная игра предназначена для участников с более высокой степенью подготовки. Здесь применяется, автомат с выбором стратегии s|c+1,

9<р,

ориентирующиися на знак градиента - -. Если значение градиента

5s,

положительно, то автомат делает шаг у}1 в этом направлении, если значение градиента отрицательно, то автомат делает шаг у f в обратном направлении, т.е. в сторону уменьшения величины заявок sf.

В этом случае автомат тоже не идеален, где его медлительность в достижении точки Нэша тоже оставляет желать лучшего.

3.Стратегия автомата «ориентация на оптимальную». Автомат выбирает стратегию по итерационной процедуре.

Vi, k: srW+Y^i-Si], УИ°4

где sf - точка на,сегменте [d|,D,], которую i-й элемент (игрок) выбирает в

k-м периоде. В данном случае положение цели s* - это точка, обеспечивающая максимальное значение выигрыша i-ro игрока в к-ой партии игры, то есть

S; = Arg max Ф,я«,«,,si+,,•••,»![),

при этом у* е [0;1].

В данной игре автомат способен играть и с самыми способными игроками и ни в чем им не уступать.

В шестой главе предложен имитационный эксперимент на основе игры «Шихтоподготовка», который предназначен для исследования механизма функционирования активной производственной системы непрерывного вида при различных принципах планирования и системах стимулирования. Используется как активный метод обучения производственного персонала для принятия рациональных управленческих решений..

Рассматривается дробилыю-шихтовочное отделение, где выполняется начальный технологический процесс производства агломерата шихтоподготовка. Под процессом шихтоподготовки будем понимать штабельный способ приготовления сырой шихты из свинцовых концентратов. Характерной особенностью данного механизма шихтоподготовки является функционирование в каждой смене только одной бригады и существование горизонтальной взаимозависимости между бригадами.

Игровая ситуация возникает из-за того, что каждая бригада стремится получить для себя выгодные работы (сменное задание), которые зависят в первую очередь от стратегий других бригад, а также от решения предыдущих задач.

В свою очередь стратегии бригад и решение задач тесно связаны, кроме производственных возможностей дробильно-шихтовочного отделения и наличие сырья, с тем какие принципы планирования и системы стимулирования используются при управлении процессом шихтоподготовки.

Поведение каждой бригады определяется ее экономическими критериями, представляющими собой функцию от сменного задания и его практического выполнения.

гв

Заметим, что дробильно-шихтовочное отделение можно представить в виде двухуровневой активной производственной системы, в которой в качестве Центра выступает руководство цеха и отделения, а активными производственными элементами является бригада шихтовщиков. Элемент «внешняя среда» учитывает связи дробильно-шихтовочного отделения с другими процессами (поставкой сырьевых компонентов, разгрузкой штабеля и т.д.). - .

В ходе эксперимента можно проводить сравнительный анализ различных систем стимулирования механизма функционирования отделения шихтоподготовки при заданных принципов планирования. С помощью имитационной игры «Шихтоподготовка» можно идентифицировать целевые функции участников игры, а также их модели ограничений, которые определены с точностью до параметров. Каждый период функционирования имитационной игры состоит из последовательности трех этапов.

На этапе формирования данных ведущий осуществляет сбор информации с внешней среды о наличие сырьевых компонентов и о состоянии штабеля (номер отсека штабеля, вместимость шихтарника, разгрузка штабеля, данные по оборотному материалу, данные о составе шихты и шлака из химической лаборатории).

На этапе планирования он устанавливает сменное задание: по массе загружаемой шихты, по оптимальному составу, по загрузке сырьевых компонентов х, = и сообщает его очередному участнику игры

(бригаде).

На этапе реализации и подведения промежуточного итогов участник игры выбирает состояние у,, по которому подсчитываются значение целевой функции бригады и значение целевой функции системы.

Для более 'точной оценки деятельности бригады при изменяющихся условиях внешней среды могут использоваться и «гибкие» системы

стимулирования. Окончательный «выигрыш» участников определяется в зависимости от качества полученного штабеля.

Имитационный эксперимент разработан на примере моделей механизма ■ функционирования дробильно-шихтовочного отделения свинцово-цинкового комбината.

Основные результаты и выводы.

В диссертационной работе, на основе выполненных автором исследований, разработаны теоретические методы критериального управления активными системами. Проведено исследование моделей и методов критериального управления активной системой производственно-транспортного типа.

Предложенные в работе методы решения задачи критериального управления дают конструктивный подход к построению оптимальных механизмов функционирования производственно-транспортных систем.

Разработаны методология конструирования имитационных игр и игровой комплекс, который используется в учебном процессе для активного формирования квалифицированных характеристик кадров, для принятия управленческих решений, а также для исследования особенностей хозяйственного механизма.

Решенные в диссертации научные и практические проблемы имеют как теоретическое, так и прикладное значение при создании средств математического и экспериментального обеспечения систем поддержки управленческих решений.

Основные научные и практические результаты, полученные в диссертационной работе, состоят в следующем:

1. Разработан общий подход к решению задачи критериального управления активной системы производственно-транспортного типа.

2. Определены абсолютно оптимальные механизмы управления для моделей производственно-транспортных систем.

3. Предложен метод локальной оптимизации и метод ветвей и границ для решения параметрических задач критериального управления.

4. Проведено исследование предложенных механизмов при гипотезах слабого влияния.

5. Рассмотрены простые стохастические модели производственно-транспортных систем, для которых предложены оптимальные механизмы стимулирования.

6. Проведен сравнительный анализ механизмов управления системой «поставщик - потребитель» с учетом динамики поставок готовой продукции.

7. Проведено исследование и обоснование гипотез слабого влияния для линейных моделей.

8. Разработана методология конструирования автоматизированных учебных имитационных игр.

9. Разработан комплекс имитационных или деловых игр «Сбыт», «Распределение грузопотоков по видам транспорта», «Распределение грузопотоков по направлениям», «Распределение ресурсов в режиме «автоматов», для игрового моделирования организационных механизмов производственно-транспортных систем.

10. Разработан игровой эксперимент «Шихтоподготовка» на примере дробильно-шихтовочного отделения свинцово-цинкового комбината.

11. Разработанные модели и методы использованы:

- при разработке АРМ руководителя автотранспортного предприятия;

- при разработке автоматизированной имитационной модели механизма функционирования дробильного участка обогатительной фабрики и свинцово-цинкового комбината.

- при разработке автоматизированной подсистемы управления внутризаводским транспортом горно-обогатительного комбината и производственного объединения «Химпром».

- при разработке деловых игр для использования их в учебном процессе как метод активного обучения.

Публикации по теме диссертации.

1.Ашимов A.A., Бурков В.Н., Кулжабаев Н., Лю Б.Н., Сагынгалиев К.С. Алгоритмы решения задач календарного планирования сбыта готовой продукции одного вида. В кн.: Автоматика и кибернетика, вып. 1, г. Алма-Ата, КазПТИ, 1973.

2. Ашимов A.A., Кулжабаев Н. Принципы управления активными системами с последовательными связями. Кн.: Сб. резюме VI Международный симпозиум по прикладным проблемам управления большими системами, Болгария, Изд. Института технической, кибернетики, Болгария, Приморско, 1977.

3. Бурков В.Н., Кулжабаев Н., Сагынгалиев К.С. Деловая игра «Сбыт готовой продукции». В кн.: Кибернетика и автоматика, вып. IV, г. Алма-Ата, КазПТИ, 1977. ,

4. Бурков В.Н., Кулжабаев Н., Ловецкий С.Е. Игровое моделирование управленческих решений в транспортной системе. Материалы IV семинара социалистических стран по проблеме имитационных игр. 4.1. , Варшава, изд. Института организации управления и повышения квалификации руководящих кадров, 1977.

5. Кулжабаев Н. Управление последовательными активными системами. Труды IV Всесоюзного совещания по управлению большими системами. Ч.1., г. Алма-Ата, КазПТИ, 1977.

6. Бурков В.Н. Кулжабаев Н. Исследование механизма функционирования производственной системы. Сб. кибернетика и автоматика, КазПТИ, VII, г. Алма-Ата, 1978.

7. Бурков В.Н., Кулжабаев Н., Торочкова М.В., Исследование системы стимулирования промышленного предприятия. Сб. кибернетика и автоматика, КазПТИ, VII, г. Алма-Ата, 1978.

8. Ашимов A.A., Бурков В.Н., Кулжабаев Н. Исследование законов управления системой «поставщик - потребители». Автоматика и телемеханика, 1978, № 4.

9. Берлин A.A., Кулжабаев Н., Формирование информации в АСУТП с позиции теории активных систем. Изв. ВУЗов Черная металлургия, № 12, 1978.

10. Кулжабаев Н. Об одном подходе к решению задачи критериального управления. Автоматика и телемеханика, 1978, № 7.

11. Кулжабаев Н. Задача внутризаводского стимулирования. В кн.: Механизмы стимулирования в системе «исследование - производство», г. Москва, Институт проблем управления, 1978.

12. Кулжабаев Н. Игровой анализ некоторых моделей системы «поставщик -потребитель^.'В кн.: Моделирование и управление в развивающих системах, г. Москва, Наука, 1978.

13. Кулжабаев Н. Принцип согласованного управления системами производственно-транспортного типа. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, г. Москва, 1978.

14. Бурков В.Н. Кулжабаев Н. Исследование функционирования транспортной системы. Сб. Вопросы технической кибернетики, КазПТИ, г. Алма-Ата, 1979.

15. Кулжабаев Н. Задача критериального управления в теории активных систем. Труды конференции молодых ученых «Оптимизация процессов управления», г. Алма-Ата, 1979.

16. Кулжабаев Н. Исследование транспортной модели с позиции теории активных систем. Труды конференции молодых ученых «Оптимизация процессов управления», г. Алма-Ата, 1979.

17. Кулжабаев Н., Ловецкий С.Е.. Резер С.М. Распределение грузопотоков по видам транспорта и направлениям (методические указания к проведению деловых игр), г. Москва, ВЗИИТ, 1979.

18. Кулжабаев Н., Никонов А.В; Деловая игра «Сбыт готовой продукции». Деловые игры в принятия управленческих решений. Учебное пособие, Ч.Ш, г. Москва, МИС vi С, 1980.

19. Джунисбаев К., Кулжабаев Н. Исследование принципов управления системы водораспределения. Сб. Вопросы создания АСУП и ТП, КазПТИ, вып.1,г. Алма-Ата, 1980.

20. Кулжабаев Н. Комплекс деловых игр для исследования механизмов функционирования производственной системы. Материалы VIII-Всесоюзного семинара-совещания: Управление большими системами, г. Алма-Ата, 1983.

21. Аратцев А.Е. Кулжабаев Н.. Садыкбекова A.A. Реализация деловой игры на ЭВМ в режиме «автоматов». Материалы VIII-Всесоюзного семинара-совещания: Управление большими системами, г. Алма-Ата, 1983.

22. Кулжабаев Н., Уандыков Б.К. Оперативное согласованное планирование в производственной системе с зависимыми элементами. Сборник материалов .. III Всесоюзного, семинара ' «Методы решения задач оперативного управления в межведом.уровней», г. Москва, 1984.

23. Кулжабаев Н., Нарибаев К.Н. Концепция конструирования учебных автоматизированных имитационных игр. Деловые игры и имитационные моделирование. Тезисы докладов. XVI -ИФАГ7ИСАГА, г. Москва, ИЛУ 1985.

24. Кулжабаев Н. Игровое моделирование механизмов функционирования активной производственной системы. Работизация, автоматизация,

!

управление. Тезисы докладов X Всесоюзного совещания-семинара «Управление иерархическими активными системами», г. Тбилиси, 1986.

25. Кулжабаев Н. Конструирование деловых игр. Методическое руководство для разработки учебных деловых игр, г. Алма-Ата, КазПТИ, 1988.

26. Кулжабаев Н., Салыкбаев Б.Г. Исследование транспортной задачи с позиции теории активных систем. Межвузовский сборник научных трудов «Модели, методы и . системы автоматизации производственно-технологических процессов», г. Алма-Ата, 1990.

27. Кулжабаев Н., Салыкбаев Б.Г. Учебные имитационные игры на примере транспортных моделей. Тезисы докладов. Применение инженер, имитационных игр для моделирования деятельности коллектива. Вып.832. г. Москва, МИИТ, 1990.

28. Кулжабаев Н., Салыкбаев Б.Г., Токбергенов Д.Б. Моделирование организационных механизмов транспортных процессов. Межвузовский сборник научных трудов «Модели, методы и программные средства управления организационно-технологическими системами», г. Алма-Ата, 1992. '

29. Кулжабаев Н.. Салыкбаев Б.Г. Комплекс деловых игр для моделирования управленческих решений в производственно-транспортной системе. Проблемы информационной технологии. Межвузовский сборник научных трудов, г. Алма-Ата, 1992.

30. Кулжабаев Н. О концепциях конструирования деловых игр. Межвузовский, сборник научных трудов «Деловые игры, имитация производства и управление», г. Алматы, 1993.

31. Кулжабаев Н., Чернова Л.В. Формирование управленческого мышления при подготовке менеджеров. Сборник научных трудов «Концептуальные вопросы, роль технического образования и вузовской науки в реализации политики Республики Казахстан» , г. Алматы, 1994.

32. Кулжабаев Н: Описание моделей механизмов функционирования транспортных процессов. Межвузовский сборник научных трудов «Управление, экономика, рынок», г. Алматы, 1995.

33. Кулжабаев Н. Описание моделей механизмов функционирования транспортных систем. Научный журнал «Вестник КазНТУ» №1, г. Алматы, 1996.

34. Кулжабаев Н.М. Методология разработки учебных деловых игр. Материалы республиканской научно- методической конференции «Новые технологии обучения и контроля знаний студентов», г. Алматы, 1997.

35. Кулжабаев Н. Описание и исследование организационных механизмов транспортных систем. Материалы межвузовской научно- практической конференции «Управление большими системами», г. Москва, 1997.

36. Кулжабаев. Н., Муханова Г.С. Организационные механизмы транспортных систем. Межвузовский сборник научных трудов «Управление, экономика, рынок», г. Алматы, 1997.

37. Кулжабаев Н., Муханова Г.С., Уатаев К.Ш. Разработка автоматизированной имитационной игры. Материалы межвузовской научно-практической конференции «Управление большими системами», г. Москва, 1997.

38. Кулжабаев Н. М., Муханова Г.С., Уатаев- К.Ш. Деловые игры для принятия управленческих решений. Материалы межвузовской научно-методической конференции «Новые технологии обучения и контроля знаний студентов», г. Алматы, 1997.

Л* ЮЬГТир. М,И/Ш

/У. С1>

КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КУЛЖАБАЕВ Насанбадрядден Мубаракович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ КРИТЕРИАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ АКТИВНОЙ СИСТЕМЫ ПРОИЗВОДСТВЕННО-

ТРАНСПОРТНОГО ТИПА

<г%

Президиум ВАК

I (решение 06 №

присудил ученую степень ДОКТОР/...

_______ наук

Начальник " Управление в социальных и

экономических системах.

Диссертация на соискание ученой степенй доктора технических наук

Научный консультант -д.т.н., проф. Бурков В.Н.

Ал маты -1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.....................................................................................................................4

Глава I. Описание активной системы производственно-транспортного типа и постановка задачи ...................................................................................12

1.1. Производственная система...................................................................12

1.2. Транспортная система...........................................................................16

1.3. Система «поставщик - потребители»..................................................20

1.4. Система водораспределения................................................................23

1.5. Обсуждение моделей............................................................................25

1.6. Описание механизма функционирования активной производственно-транспортной системы..........................................................................27

1.7. Краткий обзор состояния проблемы оптимального синтеза организационных механизмов и постановка задачи.........................30

Краткие выводы.............................................................................................34

Глава II. Исследование методов критериального управления производственно-транспортных систем...........................................................36

2.1. Задача критериального управления....................................................36

2.2. Исследование функционирования производственной системы......44

2.3. Исследование функционирования транспортной системы..............55

2.4. Исследование систем с последовательными элементами.................63

2.5. Синтез механизмов функционирования в стохастическом случае..69

2.6. Параметрические задачи критериального управления.....................73

Краткие выводы.............................................................................................82

Глава III. Исследование методов критериального управления системой «поставщик - потребители».................................................................................83

3.1. Функционирование системы................................................................83

3.2. Анализ законов жесткой централизации............................................85

3.3. Анализ законов открытого управления..............................................89

3.4. Исследование гипотезы слабого влияния...........................................93

3.5. Исследование частных моделей

системы «поставщик-потребитель»....................................................96

3.6. Исследование принципов управления

системой водораспределения.............................................................107

Краткие выводы........................................................................................... 118

Глава IV. Методология конструирования автоматизированных имитационных игр..............................................................................................119

4.1. О существующих концепциях разработки имитационной игры... 119

4.2. Методология разработки имитационных игр..................................126

4.3. Реализация игры на ЭВМ...................................................................133

Краткие выводы...........................................................................................134

Глава V. Комплекс имитационных или деловых игр..................................136

5.1. Деловая игра «Сбыт»..........................................................................136

5.2. Деловая игра «Распределение грузопотоков

по видам транспорта».........................................................................162

5.3. Деловая игра «Распределение грузопотоков по направлениям»... 180

5.4. Деловая игра «Распределение ресурсов

в режиме «автоматов»».......................................................................194

Краткие выводы...........................................................................................223

Глава VI. Имитационный эксперимент «Шихтоподготовка»...................224

6.1. Описание моделируемой ситуации имитационный игры «Шихтоподготовка»............................................................................224

6.2. Описание моделей и задач игры........................................................227

6.3. Блоки планирования и стимулирования...........................................233

6.4. Организация и проведение игры.......................................................239

6.5. Обсуждение игры и краткие выводы................................................240

Заключение...........................................................................................................245

Литература............................................................................................................247

Приложения..........................................................................................................257

ВВЕДЕНИЕ

Совершенствование хозяйственного механизма в условиях рыночной экономики - одна из центральных задач сегодняшнего дня. В новых условиях хозяйствования перевод экономики от централизованного управления на рыночные условия ведения хозяйства стимулирует поиск наиболее эффективных механизмов решения социальных, экономических и экологических задач. Естественно, что успешное решение подобных проблем возможно только в том случае, когда проведен детальный анализ задач, возникающих при перестройке хозяйственного механизма и при наличии хорошо отработанных методов управления хозяйственной деятельностью. Кроме этого, необходимо располагать соответствующими методами, позволяющими провести объективный анализ и синтез экономических механизмов и иметь соответствующие средства обучения аппарата управления предлагаемым нововведениям.

Важное место в решении этой задачи занимает проблема согласования общественных, коллективных и личных интересов. Так как необходимо разработать эффективный метод управления не техническим объектом, а организационной системой, основным звеном которой является человек или коллектив людей.

Для исследования механизмов функционирования организационных систем в диссертации разрабатываются и исследуются методы критериального управления. С этой целью рассматриваются общий подход к решению задачи критериального управления и определяются оптимальные механизмы функционирования для моделей производственно-транспортных систем.

Предлагается методология конструирования автоматизированных имитационных игр и разрабатывается игровой комплекс для моделирования управленческих решений.

Актуальность темы. В условиях перехода экономики народного хозяйства на рыночные отношения при формировании новых хозяйственных

отношений возрастают требования к повышению эффективности управления экономикой. В ряду проблем повышения эффективности управления хозяйственной деятельностью важную роль играют проблемы разработки и исследования организационных механизмов социальных и экономических систем.

В связи с этим на современном этапе работы по анализу и синтезу организационных механизмов функционирования являются важнейшим направлением теории и практики управления.

Проблемы теории управления в организационных системах разрабатываются в тех или иных аспектах в работах целого ряда школ и направлений. Крупный вклад в развитие теории и практики управления системами указанного типа внесли труды многих ученых. В их числе: JI.B. Канторович, И.П. Федоренко,' В.А. Трапезников, C.B. Емельянов, H.H. Моисеев, Г.С. Поспелов, А.К. Агангебян, К.А. Багриновский, В.Н. Бурков, B.JI. Волкович, В.А. Ириков, В.В. Кульба, А.Д. Цвиркун, A.B. Щепкин, A.A. Ашимов, Б.А. Джапаров, К.С. Сагынгалиев и другие. Здесь можно назвать работы по оптимальному планированию, начатые академиком JI.B. Канторовичем, развитие этого направления до системы территориально-отраслевых моделей народного хозяйства (А.Г. Аганбегян, К.А. Багриновский, А.Г. Гранберг и др.), работы по оптимальному функционированию экономики, ведующимися под руководством академика Н.П. Федоренко, работы, связанные с применением методов декомпозиции и итеративных методов планирования и управления (В.М. Полтетерович, Т.Н. Первозванская, A.A. Первозванский, В.А. Волконский, В.З. Беленький, Н. Корнай, Т. Липтак и др.), работы, посвященные проблемам программно-целевого планирования и управления в многоуровневых иерархических системах ( Г.С. Поспелов, И.Ф. Шахнов, В.А. Ириков и др.), по теории координации в иерахических системах (М.Месарович, Д.Мако, И. Такахара), по функционированию децентрализованной экономики (К.Дж. Эрроу, Г.Дебре, Л.У. Мак-Кензи, С.

Карлин, X. Никайдо, К. Ланкастер, М. Интриллигатор, JIM. Макаров, Э.М. Браверман, М.И. Левин и др.). Получили развитие работы по оптимальному управлению в динамических моделях экономических систем (Ю.П. Иванилов, A.A. Петров, А.И. Дюкалов, Ю.П. Иванов, В.В. Токарев и др.) и по динамике коллективного поведения (Ю.Д. Тенисберг, A.B. Малишевский, В.И. Опойцев). Игровые методы исследования организационных систем получили свое развитие в работах по информационной теории иерархических систем (H.H. Моисеев) и по теории игр с непротивоположными интересами (Ю.Б. Гейрмейер, И.А. Ватель, Ф.И. Ерешко, А.Ф. Кононенко и др.).

Одним из направлений работ по теории управления в организационных системах является разрабатываемое с 1969 года в Институте проблем управления направление, получившее название «теория активных систем» (В.Н. Бурков, В.В. Кондратьев, Д.А. Новиков и др.). В работах по теории активных систем было предложено понятие механизма функционирования организационной системы, включающее понятия закона управления и системы стимулирования, даны постановки задач оптимального синтеза, рассмотрены методы решения различных классов задач, разработки и исследован ряд моделей организационных и экономических систем. К одному из основных результатов теории активных систем относится теоретическое исследование и обоснование принципа согласованного управления в организационных системах.

В настоящее время актуальной задачей является описание и исследование конкретных механизмов функционирования различных подсистем народного хозяйства.

Разработка имитационных игр для игрового имитационного моделирования конкретных организационных механизмов и предложение на этой основе рекомендаций по их совершенствованию.

Подробный обзор работ по исследованию механизмов функционирования организационных систем в целом ряде отраслей имеются в других источниках [5, 6, 25, 26, 27, 81].

Первые работы по теме диссертации были получены в 1977 году в лаборатории «Активные системы» Института проблем управления РАН в плане исследований по теории активных систем.

Цель работы. Целью диссертационной работы являются:

1. Описание и исследование моделей производственно-транспортных систем, характерной особенностью которых являются наличие «потоки» продуктов или грузов в системе, требующих разработки новых механизмов функционирования.

2. Разработка общего подхода к решению задачи критериального управления.

3. Определение абсолютно оптимальных механизмов функционирования для описанных моделей производственно-транспортных систем на основе разработанного подхода.

4. Разработка методов решения параметрических задач критериального управления.

5. Разработка методологии конструирования автоматизированных имитационных игр.

6. Разработка имитационного эксперимента и комплекса деловых игр с использованием ЭВМ в режиме диалога, имитирующего функционирование систем при различных законах управления с целью проверки теоретических результатов, а также в учебных целях.

7. Разработка на основе полученных результатов рекомендаций по совершенствованию законов управления и хозяйственного механизмов конкретных подсистем народного хозяйства.

Методы исследования. Проведенные теоретические и прикладные исследования базируются на использовании аппарата теории управления

организационными системами, теории активных систем, системного анализа и исследования операций, имитационного моделирования, а также на реализации имитационных игр на ЭВМ.

Научная новизна. Разработка общего подхода к решению задачи критериального управления, исследование правомерности гипотез слабого влияния для линейных моделей и синтез стохастических моделей стимулирования для систем с последовательно функционирующими элементами (по нескольким параметрам), являются обобщением и развитием ранее полученных результатов по теории активных систем (В.Н. Бурков, В.И. Опойцев, В.В. Кондратьев, A.A. Ашимов, Б.А. Джапаров, К.С. Сагынгалиев A.B. Щепкин и др.). Синтез оптимальных механизмов функционирования для производственно-транспортных систем при наличии «потока» в системе, исследование законов управления системой «поставщик-потребители» с учетом динамики поставок и разработка методологии конструирования имитационных игр и игровых комплексов с использованием ЭВМ в режиме диалога являются продвижениями в новых направлениях.

Практическая ценность. Проведенные в работе исследования и полученные результаты составляют основу построения принципов управления при разработке и совершенствовании механизмов функционирования активных систем. Разработанные принципы, модели и методы направлены на решение важной народнохозяйственной задачи - повышение эффективности управления организационными системами. Представленные в работе результаты развивают методы теории активных систем по описанию и исследованию конкретных механизмов функционирования различных подсистем народного хозяйства.

Разработан методологический подход по конструированию имитационных игр, позволяющий создавать игровые комплексы для моделирования организационных механизмов.

Внедрение. Результаты теоретических и прикладных исследований, проведенных в диссертации, внедрены при решении важных практических задач.

Разработанные модели и методы использованы:

- при разработке АРМ руководителя автотранспортного предприятия;

- при разработке автоматизированной имитационной модели механизма функционирования дробильного участка обогатительной фабрики и свинцово-цинкового комбината.

- при разработке автоматизированной подсистемы управления внутризаводским транспортом горно-обогатительного комбината и производственного объединения «Химпром».

Кроме этого, разработанные имитационные игры были внедрены в учебный процесс Московского института стали и сплавов Всесоюзного заочного института инженеров транспорта и Казахского национального технического университета.

Соответствующие акты о внедрении результатов диссертационной работы представлены в приложений.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на семинарах Института проблем управления и Казахского национального технического университета, на XXII конференции молодых ученых Института проблем управления (Москва 1976 ) ; IV и V Всесоюзных совещаниях-семинарах по управлению большими системами (Алма-Ата, 1977 и 1978 гг.),III Всесоюзной конференции по исследованию операций (Горький, 1978), VI Международном симпозиуме по прикладным проблемам управления большими системами (Болгария, Приморско, 1977), IV семинаре социалистических стран по проблеме имитационных игр (Варшава, 1977), конференции молодых ученых «Оптимизация процессов управления» (Алма-ата, 1979), VIII Всесоюзном семинаре-совещании «Управление большими системами» (Алма-ата, 1983), III- Всесоюзном семинаре «Методы решения

задач оперативного управления'в межведомственном уровне» (Москва, 1984), XVI - Международном семинаре ИФАК/ИСАГА (Алма-ата, 1985), X-Всесоюзном совещании-семинаре «Управление иерархическими активными системами» (Тбилиси, 1986), Межвузовской конференции «Приложение инженерных имитационных игр для моделирования деятельности коллектива» (Москва, 1990), Международной научно-практической конференции «Рынок и высшее образование» (Алматы, 1993) и Международной научно-практической конференции «Управление большими системами» (Москва, 1997).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 41 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 260 стр. текста, включая рисунков, таблиц. Список используемой литературы включает наименования.

Содержание работы. В работе принята следующая система индексации. Формулы нумеруются тройным номером (номер главы, номер параграфа и номер формулы).

Теоремы и рисунки индексируются двумя числами - номер главы и номер теоремы или рисунка.

В первой главе рассмотрены примеры систем производственно-транспортного типа (промышленное предприятие, транспортная система, система «поставщик - потребители», система водораспределения), дается описание общей модели, описание механизма функционирования системы и рассматривается постановка задачи оптимального синтеза. Затем приводится обзор результатов по теории активных систем, близких к теме работы и постановка задачи исследования.

Во второй главе предлагается подход к решению задачи оптимального синтеза, основанный на выборе целевых функций элементов при применении закона открытого управления. На основе этого подхода проводится исследование моделей производственной и транспортной систем и системы ,

состоящей из последовательной цепочки элементов. Та