автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка имитационной модели технологического процесса допечатного производства малых и средних предприятий

Московский Государственный

;ЧБ ОД - 6 Ш 1^7

Университет печати На правах рукописи УДК 655.254.4:681.3

Федоренко Наталия Михайловна

РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ДОПЕ-ЧАТНОГО ПРОИЗВОДСТВА МАЛЫХ И СРЕДНИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 05.02.15 — "Машины, агрегаты и процессы полиграфического производства"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997

Диссертационный совет ВАК Российской Федерации Д 063.39.01 при Московском государственном университете печати Москва, 127550, ул. Прянишникова, 2а

Работа выполнена в Московском государственном университете печати

Научный руководитель — кандидат технических

наук, профессор А. М. Цыганенко (МГУП)

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Доктор химических наук, Тихонов В. П.

профессор МГУП

Кандидат технических Чабаев В. А.

наук Домодедовский

прозводственный комплекс Роспатента

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ: ВНИИ полиграфии

(АО "ИНПОЛ")

Защита состоится ¿¿/у?- 1997 г. в 11 час. на заседании диссертационного Совета ВАК Д 063.39.01 Московского государственного университета печати.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан ^^1997 г

Ученый секретарь >^/у

диссертационного Совета Д 063.39.01 а^* "у-

доктор хиишческих наук, профессор В\А. Наумов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. В условиях вхождения полиграфической отрасли в рынок изменяется ассортимент выпускаемой печатной продукции. Помимо книг, газет, журналов появляется необходимость в увеличении выпуска рекламной продукции, ценных и деловых бумаг, упаковки и многого другого. Снижение тиражей и увеличение разнообразия печатной продукции приводит к росту потребности в наборных процессах, обработке изобразительной информации. Эти тенденции значительно видоизменяют стиль и методы работы предприятий, делают крайне желательным принятие быстрых и точных решений.

Рыночные условия меняют традиционный подход выстраивания очередей на выполнение заказов, требуют уменьшения сроков выполнения работ.

В настоящее время, несмотря на трудности полиграфической промышленности, наблюдается рост числа малых предприятий, и эта тенденция соответствует мировой практике, когда в развитых странах доля малых и средних предприятий составляет 80-90% от их общего числа в отрасли.

За рубежом считают рациональным для повышения эффективности производства вкладывать инвестиции в систему управления технологическим процессом. Часто результаты достигаются за счет использования системы "контроллинга", от английского слова "to control" — управлять.

Исследования, изложенные в диссертации, раскрывают теоретические проблемы оптимизации технологических процессов набора и обработки изобразительной информации, создание математической модели и построение системы управления технологией в условиях деятельности малых и средних предприятий, ориентированных на допечатные процессы.

Цель и задачи работы. Целью работы является установление принципов создания современной системы управления технологическим процессом допечатного производства, обеспечивающих повышение эффективности функционирования малых и средних предприятий; разработка модели, алгоритмов и программ, позволяющих производить прогнозирование техно-

логических графиков прохождения заказов и осуществлять оперативное управление процессом производства.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

— определить требования к математической модели, вытекающие из особенностей допечатного производства;

— решить вопрос о возможности использовать готовые решения из других отраслей промышленности;

— при необходимости разрабатывать систему, удовлетворяющую специфическим требованиям допечатного производства, выбрать оптимальный метод численного решения;

— для реализации выбранного метода разработать математическую модель производства, выбрать критерии оптимальности, ограничивающие условия и искомые переменные;

— реализовать сформулированную задачу в форме алгоритмов и программ, совмещая прогнозирование загрузки оборудования и персонала с оперативным управлением технологическим процессом;

— внедрить разработанную систему, провести ее апробацию на производстве.

Научная новизна работы. Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в ней получены следующие результаты:

— сформулированы требования к математической модели, вытекающие из особенностей допечатного производства;

— разработана математическая модель производства в форме множеств матриц заказов и рабочих мест;

— предложен критерий оптимальности технологии прохождения заказов в допечатном производстве;

— предложена реализация математической модели средствами имитационного моделирования:

— поиск "жестких" ограничений;

— оптимизация при оперативном управлении по найденным ограничениям.

— разработан, реализованный в программах, алгоритм прогнозирования и планирования технологического процесса.

Реализация результатов работы. Система прошла опытную эксплуатацию в редакции журнала "Работница" и на Домодедовском производственном комплексе Роспатента. Получены акты, положительно оценивающие данную систему. Осуществлено внедрение в учебный процесс Московского государственного университета печати.

Практическая ценность и апробация работы. Разработанная для улучшения технологического процесса система совмещает прогнозирование и оперативное управление графиками прохождения заказов. В режиме оперативного управления работа системы обеспечивает непрерывный сбор информации и выдачу рекомендаций по управлению технологией производства.

Основное содержание и результаты работы были доложены на 36-ой научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГАП, 1996 г. и на III Международной научной конференции "Информационные технологии в печати", 1996 г., Москва.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из семи глав, общих выводов и приложений. Основное содержание работы изложено на 149 страницах текста, включает 21 рисунок и 6 схем. Список используемой литературы составляет 82 наименования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Требования к математической модели, вытекающие из особенностей допечатного производства.

2. Математическая модель технологического процесса, выраженная в форме множеств матриц заказов и рабочих мест.

3. Критерий оптимальности функционирования допечатного производства.

4. Реализация математической модели средствами имитационного моделирования.

5. Алгоритмы и программы прогнозирования и оперативного управления технологическим процессом.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении рассматриваются изменения, произошедшие в связи с вхождением полиграфической отрасли в рыночные отношения: снижение тиражей, увеличение разнообразия печатной продукции, изменение традиции выстраивания очередей, уменьшение сроков выполнения заказов, увеличение числа малых предприятий.

Новые условия требуют повышения эффективности производства, например, за счет системы "контроллинга" ("to control" — управлять), что достигается путем прогнозирования времени выполнения заказов и оперативного управления технологическим процессом в соответствии с состоянием производства. В первой главе "Исследование особенностей процессов допечатного производства и постановка задачи исследования" рассмотрены особенности допечатного производства:

— последовательно-параллельное выполнение операций и возможность выполнять одну операцию на нескольких рабочих местах;

— многовариантность используемых на полиграфических предприятиях технологий;

— различная срочность выполнения заказов;

— нестабильная величина заявки(заказа);

— невозможность точно определить время обработки заказа на каждом этапе;

— возможность динамической перестройки ресурсов системы.

Рассмотрены изменения, произошедшие в настоящее время в технологии допечатного производства. Анализ технологий допечатного производства показал, что при любой технологии осуществляется подготовка "образа" будущей полосы издания, поэтому рационализация времени подготовки оцифрованного "образа" полосы будет оставаться актуальным и в будущем.

Проанализировав исследования, выполненные в последние годы в области технологий, можно отметить, что требованием сегодняшнего дня является привлечение методов исследования операций для научнообоснованных решений по оптимизации технологии прохождения заказов.

На основе анализа особенностей и тенденций развития допечатного производства формулируется цель работы.

Во второй главе "Анализ математических методов для описания процессов допечатного производства" дается обзор методов вычислений и производится выбор метода решения поставленной задачи.

Формулировка проблемы, включающая определение управляемых, неуправляемых переменных, показателей эффективности технологического процесса и т. д., рассмотрена в третьей главе вместе с математической моделью. Одновременно с проведением работ по построению модели, выбирался численный метод решения задачи.

В диссертационной работе при выборе способа решения поставленной задачи были рассмотрены более десяти методов вычислений и был сделан вывод, что задачу, сформулированную в первой главе, можно решить в полном объеме используя имитационное моделирование.

Были рассмотрены следующие методы: линейное программирование, целочисленное программирование и комбинаторика, теория графов, потоки в сетях, геометрическое программирование, математическое программирование задач большой размерности, оптимальное управление, теория массового обслуживания, теория полезности, теория принятия решений, теория игр и игровое моделирование, теория поиска, динамическое программирование, имитационное моделирование.

В работе дано обоснование выбора языка Си для написания программ, реализующих метод имитационного моделирования.

В третьей главе "Математическая модель допечатного производства":

1. Определены регулируемые параметры в технологическом процессе:

— графики прохождения заказов по операциям;

— перераспределение ресурсов оборудования;

— изменение продолжительности рабочего дня и недели;

— изменение парка технических средств, программных средств и штата исполнителей.

2. Предложен критерий оптимальности функционирования

допечатного производства по времени протекания технологического процесса.

Введена величина — относительное время Т0, характеризующее интенсивность деятельности допечатного производства, которое определяется как:

ъ

То = £ ^ ^ ,

1»1

где Ь — максимальное количество операций, выполненных за рассматриваемый интервал времени, над всеми заказами;

к — коэффициент квалификации исполнителей, который принимается пропорциональным производительности труда;

^ - время выполнения операции.

При этом относительную стоимость работ по выполнению заказов за определенный интервал времени можно представить как относительное время Т0 умноженное на коэффициенты:

Р = ш и а Т0 , где т — коэффициент материальных затрат, и — коэффициент сложности работы, а — коэффициент режима исполнения работы.

Коэффициент материальных затрат отражает расходы на приобретение и эксплуатацию оборудования, расходные материалы, зарплату управленческого и вспомогательного состава и др. отнесенные к объему всей продукции. В критерий оптимальности для оценки технологического процесса этот коэффициент вводить нецелесообразно. Он принимается постоянной величиной.

Коэффициент сложности работ (группа набора, композиция, верстка и др.), характеризующий технологические параметры, влияет на стоимость заказа. Он, однако, является в большей мере технологическим коэффициентом, т. к. зависит от применения программного продукта, квалификации исполнителей и др. Коэффициент сложности выше у предприятий, специализирующихся на определенных видах работ, выполнении оригинальных разработок заказчиков.

Коэффициентом режима исполнения можно считать отношение стоимости заказа, выполняемого в режиме "молния", к стоимости выполнения заказа в нормальном режиме работы. Однако он характеризует технологическую сторону режима исполнения.

Таким образом, целевой функцией или критерием оптимальности протекания технологического процесса в течение определенного интервала времени можно считать максимальное значение эффективного времени Тэ, которое определяется как:

р 1 Тэ - Е Uj3j £ tiki , i • i i -1

где P — количество заказов, у которых выполняются операции в рассматриваемый интервал времени.

1 — количество операций, выполненных над j заказом за рассматриваемый интервал времени.

Эффективное время технологического процесса допечатно-го производства по размерности является временем, умноженным на коэффициент, показывающий квалификацию исполнителей, и коэффициент, отражающий удовлетворение запросов заказчика.

3. Определены ограничения, вводимые в математическую модель. Их можно разделить на три группы:

а)порядок выполнения операций:

— при линейной схеме (последовательности);

— при параллельных ветвях;

— при различных приоритетах.

б)ресурс времени:

EU + (ТщЛ« (Тк)!

j -1 р"

+ (тпр),< (тк),

j -1 р

£tN + ( Тпр )n< (Тк) N

.i - 1

где Р — количество заказов, у которых выполняются операции;

N — позиции обработки заказа (операции); (Тк X — календарное время работы на операции ¡; (Тпр), — время простоя оборудования на операции.

в)сроки выполнения заказов:

(Тз)х > (Т#>!

(Т3), > (ТД , . (Тз)р > (Т,)р

где (Т,— фактический интервал времени выполнения заказа ];

(Т3)] — интервал времени выполнения '} заказа, установлен--ный при его оформлении.

4. Описана математическая модель технологического процесса в форме множеств матриц, характеризующих заказы и рабочие места. Математическая модель выполнения операций над заказами учитывает:

— универсальность технологии допечатных процессов, полноту охвата модификаций для конкретных производств;

— возможность корректировки, особенно при перенастройке, изменении режимов;

— приоритеты заказов;

— сроки выполнения заказов;

— максимальное использование квалификации исполнителей;

— регламент рабочей недели, календарь годового периода;

— введение индивидуальных графиков работы исполнителей;

— возможность корректировать процессы, исходя из реального времени выполнения операций, отличного от заданного;

— специализацию и универсализацию труда исполнителей при реализации технологического процесса.

Описание параметров заказов и рабочих мест представлены

как два класса объектов, взаимодействие между которыми является основой модели технологического процесса.

Основное содержание элемента множества заказов Z представляет матрица Z (И, К). Число столбцов матрицы — это максимальное число операций на стадии допечатного производства.

Z =

Зц а12 a¡i a¡2

am акг

a¡¡

a¡t

a ¡j ... a¡k aNj ... aNk

Строки матрицы Z (N, К) представляют характеристики операции:

— идентификатор операции;

— теоретическое время выполнения операции;

— число рабочих мест, на которых может выполняться операция;

— логические переменные, показывающие, что операция может быть начата, выполняется или закончена;

— объемы заданий в часах (минутах), уже распределенные между исполнителями;

— объемы заданий в часах (минутах), уже выполненные исполнителями.

Таким образом, матрицы в множестве Z содержит шесть строк.

Второй составляющей математической модели является множество рабочих мест R.

Каждый элемент множества R представлен в виде трех матриц.

R j bn bi2 ... ble I 1 | b2i b22 ... b2e |

Первая матрица состоит всего из 2-х строк, из которых первая — номер операции, которую может выполнять исполнитель, вторая — его производительность на эгой операции.

Номера операций в первой строке размещаются в порядке уменьшения приоритета операций, исходя из потребностей производства и специализации исполнителей.

Ъц Ь21

I ьл

Вторая матрица представляет всего один столбец, в котором две первые строки соответствуют двум первым строкам одного из столбцов ранее описанной матрицы. Эта матрица содержит сведения об операции, выполняемой в текущий момент времени на рабочем месте. Строки этой матрицы, начиная с третьей содержат:

— время начала операции;

— время на выполнение работы, порученной исполнителю, если бы его производительность была равна средней или соответствовала норме;

— время, на которое исполнитель задействован на определенной работе с учетом его квалификации;

— время окончания операции;

— номер заказа, над которым работает исполнитель;

— номер столбца в матрице заказа.

Третьей матрицей элемента множества R является матрица размера (3, Д), где Д — число дат изменения режима работы исполнителя. Матрица состоит из трех строк:

— дата;

— число рабочих дней в неделе, не содержащих каких-либо нерабочих дней;

— условный номер смены.

Си с 12 ... Сю R3 = С 21 С 22 ... С 2D С 31 С 32 ... С зо

Для описанной математической модели началу и концу операции соответствует обмен информацией между столбцами

матриц в множествах X и К. Оптимизация и прогнозирование связаны с определением последовательности и временем выполнения операций, т. е. обменом числами и логическими константами.

5. Определены связи, которые должен обеспечивать интерфейс: человек — моделирующая система:

— настройка системы на конкретное производство;

— ввод заказов, их корректировка и удаление;

— регистрация события в режиме оперативного управления;

— прогнозирование протекания технологического процесса на предприятии;

— получение сведений о состоянии выполнения заказов в данный момент;

— разрешение критической ситуации;

— облегчение пользователю освоение системы.

В четвертой главе "Информационное обеспечение функционирования системы допечатного производства" рассматриваются составные части информационного обеспечения и требования к ним.

Необходимым условием разработки оптимизирующих алгоритмов является наличие определенным образом структизи-рованной информации, так называемого информационного обеспечения системы. Информационное обеспечение может быть представлено в виде трех основных частей:

— текстовые фрагменты сообщений и меню системы;

— текстовые описания элементов производства;

— описание обрабатываемых и обрабатывающих объектов.

Описание элементов производства содержит перечень операций над заказами и данные по персоналу.

Операции и данные по персоналу, представляют файлы идентичной структуры. Файл, содержащий данные по персоналу, содержит табельные номера, фамилии, имена и отчества сотрудников. Файл, содержащий список операций, номера операций и их наименования.

Третьей составной частью являются описания обрабатываемых и обрабатывающих объектов. Матрицы состояния заказа или рабочего места представлены в виде массивов структур.

Классификаци

1 2

Рис.1

файлов системы

ционные

Обрабаты васмыс

3.1 3.2

Заказы Рабочие

места

2.3

мощь Информация о состоянии производства

2.2.2 2.3.1 '2.3.2

Сообщения График Предыдущий

о вводе по выполнения график

шаблону заказов выполнения

ТЕ8Т1.НЬР GRAFIK.TXT заказов

ОКАРПС.ВАК

2.3.3 2.3.4

Состояние Перспективы

заказа выполнения заказа

2.3.5 2.3.6

Очереди Загрузка

заказов ZAGRUZ.TXT сотрудников PROSTOI.TXT

Создан табель-календарь, содержащий сведения о рабочих и выходных днях на несколько лет, позволяющий вносить в него коррективы, а также осуществлять контроль.

В пятой главе "Оптимизирующие алгоритмы процессов допечатного производства" установлено, что выбор оптимальной операции должен происходить в три этапа:

— в анализе участвуют только внеочередные заказы ("молния");

— в анализе участвуют только срочные заказы;

— в анализе участвуют все остальные заказы.

В этом случае при нескольких операциях с одинаковыми приоритетами должна выбираться операция для заказа с наиболее близким сроком окончания работ.

Сформулированы требования к алгоритму выполнения незаданных операций в последовательно-параллельной технологической схеме.

Предложено использовать формальный аргумент, называемый условным временем, позволяющий уменьшить записи информации в памяти, а также упростить расчеты.

Разработан интерфейс для взаимодействия оператора с системой.

В шестой главе "Программные средства" рассматриваются разработанные программы и созданные файлы, необходимые для решения производственных программ малых и средних полиграфических предприятий.

С позиции пользователя, программы системы представляют единый программно-информационный комплекс. Управление всем программным комплексом производится с помощью главного меню, подменю 1-го и 2-го уровня, а также информационных и предупреждающих сообщений.

Файловая структура системы, иллюстрирующая структуру программного комплекса, представлена на рис.1.

В самом укрупненном виде файлы системы делятся на программы (1), файлы информационного обеспечения функционирования системы (2.1) и ознакомления пользователя с результатами вычислений (2.3), а также файлы, содержащие объекты обработки (3).

Информационные файлы различаются по расширениям в зависимости от метода их создания и назначения.

В седьмой главе "Методика оценки работоспособности программных средств и результаты внедрения" рассмотрены основные положения их применения на малых и средних полиграфических предприятиях.

Проверка работы системы осуществляется:

— в некоторых интервалах времени и при граничных условиях;

— по продолжительности выполнения операций;

— последовательности выполнения операций и прерывания операций.

Рассмотрено использование системы путем игрового моделирования в учебном процессе. Описаны функциональные возможности системы.

Приведены данные апробации на конкретных предприятиях полиграфии.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Сформулированы требования к математической модели, вытекающие из особенностей допечатного производства:

— последовательно-параллельное выполнение операций и возможность выполнять одну операцию на нескольких рабочих местах;

— многовариантность используемых на предприятии технологий;

— различная срочность выполнения заказов;

— нестабильная величина заявки(заказа);

— неодинаковая сложность заказов;

— возможность динамической перестройки ресурсов си-;темы.

I. Предложен критерий оптимальности для системы управления технологическим процессом допечатного производства, нредставляющий сумму произведений времени выполнения операций на коэффициенты сложности и режима исполнения. 5. Проведен анализ методов исследования операций и на основе

требований к математической модели и критерия оптимальности выбран математический аппарат имитационного моделирования.

4. Разработана математическая модель допечатного производства в форме соответствующих множеств матриц заказов -— рабочих мест.

5. Для реализации процесса оптимизации производства на малых и средних полиграфических предприятиях с помощьк предложенной математической модели выбран и разработан набор функций, для каждой из которых определены требования по обработке внешних переменных, передаваемые параметры л возращаемые значения.

6. Разработанные функции обеспечивают системе прогнозирование и оперативное управление технологическим процессом на основании постоянно собираемой информации о состоянии производства.

7. Для предприятий, со строго заданными сроками выполнения заказов, разработанные функции обеспечивают оптимальный вариант технологического процесса, путем определения ограничений по времени, а затем последовательности операций, обеспечивающих выполнение этого ограничения.

8. Использование в работе, так называемого системного времени, позволило проводить оптимизационные расчеты только для значений времени, при которых в системе произойдут или могут произойти какие-либо события.

9. Структура информационного обеспечения позволяет без компиляции исходных модулей использовать систему для любого технологического процесса и естественного языка на базе кириллического или латинского алфавита.

10. На основании анализа современного состояния операционных систем, компиляторов с языков программирования, некоторых особенностей внедрения разрабатываемой системы, разработаны программы на языке системного программирования СИ.

11. Реализован удобный интерфейс.

12. Система имеет возможность производить игровое моделирование, позволяющее улучшить теоретическую и практическую подготовку персонала.

Основные результаты работы опубликованы в следующих печатных работах:

1. Федоренко Н. М. Математические методы проектирования и расчета допечатного производства. Учебное пособие М., МГАП, "Мир книги" 1996.

2. Федоренко Н. М. Программа управления технологическим процессом на полиграфическом предприятии (прогнозирование работ и завершение заказов — ПРИЗЗ). Материалы 36-ой научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. М., ИПЦ МГАП, 1996.

3. Цыганенко А. М., Федоренко Н. М. Система управления технологическим процессом на полиграфическом предприятии (прогноз работ и завершение заказов — ПРИЗЗ). Материалы III Международной научной конференции "Информационные технологии в печати" М., ИПЦ МГАП, 1996.

4. Ць1ганенко А. М., Федоренко Н. М. Математическая модель обработки заказов в полиграфическом производстве. "Межведомственный сборник научных трудов. Теория и практика полиграфии и издательского дела.", М., МГАП "Мир книги", 1996.

5. Федоренко Н. М. Исследование особенностей допечатного производства. Межведомственный сборник научных трудов "Теория и практика полиграфии и издательского дела" М., МГАП "Мир книги", 1996.

Соискатель: