Системне моделювання процесів функціонування та розвитку виробничо-технологічних систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВАТ “Український науково-дослідний інститут авіаційної технології”

ОСАУЛЕНКО ІГОР АНАТОЛІЙОВИЧ

УДК 65.012.23

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

СИСТЕМНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ ФУНКЦІОНУВАННЯ ТА РОЗВИТКУ ВИРОБНИЧО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ СИСТЕМ

Спеціальність 05.13.22 - управління проектами та розвиток виробництва

Київ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України, м. Харків.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Костюк Геннадій Ігорович, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського “ХАІ”, м. Харків, завідуючий кафедрою

Офіційні опоненти:

доктор економічних наук, професор Бик Іван Сергійович, Міністерство промислової політики України, радник міністра;

кандидат технічних наук, доцент Зворикін Костянтин Олегович, Національний технічний університет України “КПІ”, доцент кафедри.

Провідна установа: Національний авіаційний університет Міністерства освіти і науки України, м. Київ, Інститут економіки та менеджменту.

Захист відбудеться “22” травня 2003 р. о 15 ³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26. 839. 01 у ВАТ “Український науково-дослідний інститут авіаційної технології” за адресою 04080, м. Київ, вул. Фрунзе 19/21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ВАТ “Український науково-дослідний інститут авіаційної технології”.

Автореферат розісланий “11” квітня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук Тітов В. А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Ефективність діяльності та наступний розвиток виробничої системи забезпечується завдяки її безперервній адаптації до швидкозмінних зовнішніх умов, що викликає необхідність самостійно приймати рішення стосовно номенклатури і обсягів продукції, що випускається, вибору постачальників, організації збуту, джерел фінансування. Все це вимагає системного розгляду виробничо-технологічних й управлінських процесів, ретельного узгодження матеріальних, інформаційних і фінансових потоків.

Актуальність теми. Забезпечення ефективного функціонування виробничо-технологічної системи повязане перш за все зі своєчасним задоволенням попиту споживачів конкурентоспроможної продукції. Однак недетермінізм ринкового середовища, проявляється, зокрема, в тому, що запити та переваги споживачів постійно змінюються. Тому основна мета розвитку виробничої системи - збереження і розширення можливостей задоволення ринкового попиту, добре сплановане дослідження ринку є передумовою для прийняття ефективних управлінських рішень щодо розвитку системи.

В той же час при управлінні розвитком виробничо-технологічних систем потрібно враховувати, що відокремлений розгляд окремих аспектів і часткових завдань розвитку (розробка нових виробів, вдосконалення виробничої технології, освоєння нових ринків і т. ін.) зменшує ефективність, призводить до неузгодженості, а часто й до нереалізуємості управлінських рішень, що приймаються, знижує гнучкість та мобільність системи. Тому важливо забезпечити цілісність дослідження всіх процесів, що охоплюють аналіз ринкового оточення, формування й оптимізацію варіантів технічного розвитку та фінансово-економічних схем їхньої реалізації, вдосконалення системи управління підприємством. Крім того, процеси розвитку необхідно розглядати у взаємозвязку із заходами, спрямованими на покращення поточної діяльності (підвищення якості продукції, зниження витрат виробництва, вдосконалення оперативно-календарного планування, зменшення запасів незавершеного виробництва та ін.), що дозволить покращити координацію, виявити резерви та зменшити збурення в системі.

Значний внесок до теорії та практики вдосконалення виробничо-технологічних систем машинобудування внесли С.П.Мітрофанов, В.М. Глушков, В.А.Трапезніков, В.А. Богуслаєв, В.І. Костюк, Л. С. Ямпольський, І. Н. Герчикова, Р. А. Фатхутдінов, Б. Хокс, У. Д. Енгельке, І.Ансофф, Б. Твісс, М. Хаммер, Дж. Чампі та інші. Тем не менш, це питання не можна вважати повністю дослідженим. Зокрема, С. П. Мітрофановим розроблені принципи стандартизації та уніфікації технологічних операцій, групової технології, В. А. Богуслаєвим запропонована і реалізована концепція комплексної системи підготовки й організації виробництва на підприємстві авіаційного профілю, В. М. Глушков дослідив кібернетичні принципи управління виробництвом та побудови автоматизованих систем управління, І. Ансофф вперше запропонував концепцію стратегічного управління промисловою фірмою, Б. Хокс і У. Д. Енгельке дослідили питання забезпечення інтеграції в промислових організаціях, Б. Твіссу та Р. А. Фатхутдінову належить ряд результатів у сфері аналізу інноваційної діяльності. В той же час управління функціонуванням та розвитком виробничо-технологічних систем в сучасних умовах потребує не лише врахування вказаних положень, але й певної їх систематизації.

Впровадження інформаційних інтегрованих технологій в управління виробництвом потребує відповідного науково-методичного забезпечення. Проведений аналіз показав, що в даний час відсутні комплексні науково обгрунтовані методики управління процесами розвитку виробничих систем в умовах ринку, що дозволяють переводити систему з існуючого стану до бажаного, що й обумовило вибір теми дослідження. Під системним моделюванням виробничо-технологічної системи будемо розуміти створення комплекса взаємоповязаних моделей, які адекватно відображають процеси, що в ній відбуваються, і можуть бути використані для вдосконалення цих процесів. Вказані положення визначають актуальність обраної теми дослідження, спрямовану на розвязання науково-технічної задачі розробки методик і алгоритмів вдосконалення функціонування та розвитку виробничо-технологічних систем.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до планів науково-дослідних робіт у Національному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”. Автор брав участь у дослідженнях по темі “Разработка научно-методического и программно-алгоритмического обеспечения для оценки реализуемости выполнения Государственной программы развития вооружений и военной техники” (шифр “модель Ф” доп. соглашение №1), а також у проекті 1416 Фонду фундаментальних досліджень Міністерства освіти і науки України “Розробка теоретичних основ інтегрованих технологій іонно-плазмової обробки деталей аерокосмічної техніки” № Д/Р 0100U003432 2000-2002 р.

Мета і задачі дослідження. Мета - систематизація існуючих підходів і розробка на основі моделювання методик і алгоритмів удосконалення процесів функціонування і розвитку виробничо-технологічних систем. Відповідно до даної мети дослідження були поставлені і вирішені такі задачі:

- розвити принципи системного підходу для дослідження інтегрованих виробничих систем;

- розробити узагальнену системну модель виробничого підприємства з урахуванням зовнішнього середовища з виходом на локальні задачі;

- провести комплексний аналіз інноваційної діяльності як найважливішого чинника розвитку виробничо-технологічної системи і сформулювати практичні рекомендації щодо удосконалення інноваційного процесу;

- розробити модель скорочення термінів підготовки виробництва нових виробів;

-запропонувати алгоритм моделювання сценаріїв розвитку виробничо-технологічних систем;

- розробити методики аналізу і синтезу виробничо-технологічної структури гнучкої виробничої системи (ГВС) механообробки;

- дослідити існуючі методики оперативно-календарного планування в умовах ГВС і виробити підходи до їхнього удосконалення;

- розробити методику управління розвитком виробничої системи, що дозволяє вибрати найкращий цільовий сценарій в умовах конкретної виробничо-господарської ситуації.

Об'єкт дослідження: процеси функціонування та розвитку виробничо-технологічних систем машинобудування.

Предмет дослідження: моделі виробничо-технологічних систем.

Методи дослідження. Складність об'єкта дослідження і широке коло поставлених задач обумовили вибір комплексу методів дослідження: теорія комплексної автоматизації виробництва, системний аналіз, кореляційний аналіз, теорія масового обслуговування, теорія мереж та ін. Запропоновані концептуальні положення не протирічять сучасним підходам в галузі системного аналізу та управління виробництвом. Розглянуті часткові задачі розвитку виробничо-технологічної системи випливають із загальносистемної моделі, достовірність отриманих результатів підтверджена практичним впровадженням досліджених моделей і методик.

Наукова новизна одержаних результатів:

-розвинено принципи системного підходу для дослідження інтегрованих виробничих систем, що дало можливість розглядати й оцінювати різні процеси та елементи з єдиних методологічих позицій;

- розроблена принципово нова узагальнена системна модель виробничого підприємства з урахуванням зовнішнього середовища;

- розроблена модель скорочення термінів підготовки виробництва нових виробів, яка дозволяє врахувати вірогідність невдалого завершення проекту;

- на основі існуючих моделей інформаційних мереж запропонована сітьова стохастична модель виробничо-технологічної структури ГВС механообробки, в рамках якої вирішені часткові задачі аналізу і синтезу ГВС;

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблена узагальнена системна модель може бути узята за основу при реорганізації інформаційної управляючої системи підприємства, що забезпечить поліпшення координації підрозділів і служб у процесі реалізації інноваційних проектів;

- запропонована методика керування розвитком виробничої системи дозволяє оцінити перспективність розробки і випуску нових виробів шляхом узгодження їх із модернізацією виробництва, заходами в галузі маркетингу і фінансового забезпечення;

- досліджена сітьова стохастична модель ГВС дозволяє вирішувати часткові задачі аналізу і синтезу виробничо-технологічної структури, що дає можливість поліпшити показники використання обладнання;

- розроблена модель скорочення термінів підготовки виробництва дозволяє прискорити створення нових виробів в умовах дрібносерійного машинобудування у середньому на 2 місяці;

- результати дослідження впроваджені на ХМЗ ФЕД, отриманий економічний ефект у розмірі 158 тис. грн.

Особистий внесок здобувача. Особисто автору належить розробка системної моделі ГВС і аналіз взаємодії між її елементами [1,2], дослідження задачі раціонального розподілу ресурсів [3,4,13] обгрунтування сітьової моделі функціонування ГВС [5], автором запропоновано шляхи створення методики управління розвитком виробничого підприємства на основі системної моделі та досліджено питання інформаційного забезпечення розвитку [6], проаналізовано сценарій розвитку виробничої системи [7], проведено аналіз причин і умов переоснащення і переорієнтування підприємств [8-10], досліджено шляхи розвитку комбінованих технологій і CAD/CAM систем [11-13].

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати роботи були подані на щорічних міжнародних конференціях “Нові технології в машинобудуванні” (Харків-Рибаче 1995, 1997, 1998, 2001), на міжнародній науково-методичній конференції “Підготовка спеціалістів до роботи в умовах відкритих інформаційних і комп'ютерних інтегрованих технологій” (Харків, ХАІ, 1996), а також використовувалися в навчальному процесі в Національному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” при читанні лекцій з курсів “Інтегровані технології проектування роботизированного виробництва”, “Математичне моделювання й оптимізація автоматизованого виробництва”.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 14 роботах, в тому числі 7 статей у наукових спеціальних виданнях, які затверджено ВАК України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 165 найменувань і додатків. Робота містить 174 сторінки, у тому числі 148 сторінок основного тексту, 12 рисунків, 16 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, наукова новизна, практична цінність отриманих результатів, їхня реалізація в промисловості.

У першому розділі аналізуються закономірності розвитку машинобудівного виробництва й існуючі підходи до питань дослідження й удосконалення виробничих систем. Показано, що створення інтегрованих виробництв - об'єктивний процес, обумовлений, з одного боку, збільшенням складності і різноманітності виникаючих виробничих і технологічних завдань, з іншого боку - появою технічних можливостей інтеграції. Виділено основні особливості інтегрованих виробництв.

Проведений аналіз існуючих у сучасній науці про управління концепцій підприємства (фірми) показав, що вони різним чином пояснюють взаємовідносини учасників виробничої діяльності між собою і з зовнішнім середовищем. У той же час встановлено, що відсутній єдиний підхід до питань удосконалення підприємства. Найбільш перспективними в цьому відношенні можна вважати системні концепції фірми. Зазначені обставини дозволили зробити висновок про необхідність розробки системних методик управління розвитком виробничого підприємства, що й обумовило вибір мети і задач дослідження.

Встановлено основні принципи створення комплексної моделі виробничої системи: модель повинна дозволити поліпшити керування досліджуваним об'єктом; необхідно забезпечити урахування великого числа чинників, що мають різноманітну природу; при побудові моделі доцільно використовувати модульну структуру.

Другий розділ присвячений обгрунтуванню і розробці узагальненої системної моделі виробничого підприємства (фірми). Виробничі системи належать до класу складних систем, тобто систем, здатних управляти своєю поведінкою. Критерії, закладені при проектуванні виробничо-технологічних структур, не завжди забезпечують ефективність функціонування в умовах, що змінюються, тому необхідна безупинна адаптація системи відповідно до встановлених цільових функцій.

Для дослідження виробничої системи запропонований структурно-функціональний підхід, що дозволяє описати динаміку роботи системи з урахуванням її внутрішньої побудови і принципів функціонування і дає можливість формулювати часткові задачі системного аналізу виробничих процесів і структур за допомогою їхнього зв'язку між собою в критеріях ефективності. У рамках даного підходу виконуються такі процедури: 1)декомпозиція, тобто виділення підсистем, елементів і функцій, що представляють інтерес; 2)параметризація, тобто виділення істотних характеристик досліджуваних об'єктів і процесів; 3)встановлення критеріїв ефективності й обмежень; 4)оцінка поточного стану системи; 5)постановка цілей. виробничий технологічний інноваційний механообробка

Запропонований підхід є універсальним і дозволяє розглядати систему в цілому або будь-яку з її підсистем із необхідним ступенем деталізації. Зокрема, на основі сформульованих принципів проведений аналіз ГВС механообробки як виробничо-технологічної підсистеми підприємства.

Введемо такі позначення:

A - множина інформаційних потоків і алгоритмів обробки інформації в ГВС;

B - множина підсистем і пристроїв апаратури системи керування (СК);

C - множина реалізованих технологічних процесів (ТП);

D- множина досліджуваних виробничо-технологічних об'єктів (ВТО), що реалізують ТП.

Для оцінки і виміру характеристик вводяться вектори Z(C), U(D), X(A), Y(B), де Z- структурні характеристики ТП; U - технологічні (функціональні) характеристики ВТО; X - функціональні характеристики СК; Y - структурні характеристики СК.

Виділення пар (C,D), (A,B), де один елемент являє собою структуру системи, а другий - його функцію, дозволяє говорити про структурно-функціональне узгодження в системному підході.

Оцінка ефективності такого узгодження може бути зроблена за допомогою критеріїв F(Z, U), F(X, Y), звідки випливає, що оптимізація ВТО є раціональне сполучення C і D, а оптимізація архітектури СК ГВС - раціональне сполучення A і B. Складність задачі оптимізації полягає в знаходженні цільових критеріальних функцій F(Z,U), F(X, Y). Тому для розвязання даної задачі потрібно вдатися до декомпозиції функцій F(Z), F(U), F(X), F(Y) за частковими властивостями. Відповідно до цього бажання одержати оптимальну структуру ГВС можна представити як знаходження екстремума критерію виду F(Z, U, X, Y).

Вектор U характеризує не тільки основне технологічне обладнання, але і підсистему інструментального забезпечення, транспортну і складську підсистеми, а також топологію системи. При проектуванні ГВС виникає задача узгодження набору обладнання з передбаченою структурою реалізованих технологічних процесів Z. У даному випадку задача зводиться до знаходження оптимальної структури ГВС (вектор U) при достатньо стійкій множині реалізованих процесів Z. Тоді вибір оптимального варіанта зводиться до знаходження екстремума функції F(U) при Z=const.

Інший тип задач може виникнути при аналізі функціонування існуючої ГВС, коли для забезпечення ефективності потрібно підібрати набір техпроцесів, оптимальний з технологічної й економічної точок зору. Пошук оптимального варіанта здійснюється як знаходження екстремума функції F(Z) при U=const.

Існуюча в даний час тенденція до більш частої зміни продукції, що випускається, і підвищенню вимог до її якості викликає необхідність упровадження нових прогресивних технологічних процесів і розширення функціональних можливостей ВТО. У цьому випадку може виникнути задача двохкритеріальної оптимізації функцій F(Z,U) або ж F(Z',U')-F(Z,U) з урахуванням витрат на впровадження (технічне переозброєння, модернізацію).

Слід також відзначити, що як забезпечення достатньої функціональної гнучкості ВТО, так і, тим більше, впровадження нових прогресивних ТП веде до підвищення вимог до системи керування і контролю та її ускладнення. Крім того, на пару (A, B) покладається задача забезпечення інтеграції із системою верхнього рівня (метасистемою), а також горизонтальних зв'язків. Отже, найбільш точна оцінка ефективності буде отримана при урахуванні всіх чотирьох критеріїв F(X, Y, Z, U).

Рис. 1 Узагальнена системна модель виробничої системи

На основі структурно-функціонального підходу розроблена узагальнена системна модель виробничого підприємства з урахуванням зовнішнього середовища (рис. 1). Декомпозиція виробничої системи розглядається за трьома складовими: а)керована і керуюча частини; б)структурна (предметна) і функціональна (процесна) частини; в)підготовка виробництва і виробництво. Дана модель дозволяє розглядати проект створення нового виробу як деякий метаобєкт, що проходить на різних етапах життєвого циклу через різноманітні елементи виробничої системи і переходить під їхнім впливом з одного стану в інший. При цьому можливий і зворотній вплив, тобто реалізація проекту потребує певних змін усередині виробничої системи.

Третій розділ присвячений дослідженню інноваційної діяльності підприємства. Виділено два основних напрямки НТП у промисловій організації: технологічні і продуктові інновації. Якщо перші спрямовані на довгострокове забезпечення потреб у продукції високої якості й істотне зниження витрат виробництва, то другі пов'язані з безпосереднім задоволенням ринкового попиту.

Процес управління інноваціями підрозділяється на 5 етапів: 1)діагноз виниклої проблеми; 2)формування обмежень і критеріїв; 3)виявлення набору альтернативних рішень проблеми оновлення продукції; 4)оцінка виявлених альтернатив; 5)затвердження рішень по управлінню процесом оновлення продукції.

Встановлено, що ефективність інноваційної діяльності визначається рядом чинників: збалансованістю портфеля замовлень, термінами створення нових виробів, повнотою вивчення ринку, налагодженістю контактів із споживачами. Дослідження зазначених обставин дозволило сформулювати ряд рекомендацій: необхідно уникати збігу життєвих циклів основних видів продукції, що випускається; портфель замовлень повинний поєднувати значні і дрібні проекти; поліпшення координації розробників і виготовлювачів продукції може бути досягнуте за рахунок зустрічної передачі персоналу або створення спеціальних проблемних груп; у ряді випадків доцільно залучати споживачів продукції до участі в її розробці.

Прискорення створення нових виробів можливе за рахунок часткового суміщення в часі послідовних етапів підготовки виробництва. Наприклад, до остаточного затвердження конструкції вузлів і агрегатів починається розробка технології виготовлення окремих деталей. Проте в зв'язку з властивою інноваційному процесу невизначеністю в цей момент ще не можна гарантувати успішне завершення проекту в цілому, тому існує ризик, що заздалегідь вкладені в проект кошти знеціняться.

Розмір періоду суміщення може змінюватися від нуля, коли наступний етап починається після завершення попереднього, до максимуму t_max, коли наступний етап починається відразу після появи матеріально-технічних передумов. Дострокове завершення розробки дозволяє прискорити вихід нового виробу на ринок і одержати за рахунок цього додатковий ефект (прибуток), що можна визначити по формулі: Э = Э P t₀ , де Э- очікуваний середньорічний ефект від даної розробки, P- вірогідність успіху, t₀ - період суміщення (приймаємо рівним періоду дострокового одержання ефекту t_э). Щоб обгрунтувати доцільність завчасного початку наступного етапу необхідно довести наявність ефекту від суміщення, що дорівнює: Э_с = Э - S, де S-достроково вкладені в підготовку виробництва витрати.

Вірогідність успіху дорівнює 1, що коли попередній етап завершений і зменшується зі збільшенням періоду суміщення. Розмір же витрат, а тим самим і можливі втрати, із подовженням періоду суміщення зростають. Припустимо, що дані величини можна описати лінійними залежностями P(t) = 1- K_p t, S(t) = S1 K_s t, де K_p, K_s - коефіцієнти регресії; S1 - витрати при t = 1. З урахуванням цього вирішена оптимизаційна задача знаходження оптимального часу суміщення етапів підготовки виробництва:

Э_с(t) = Э (1- K_p t) t - S1 K_s t max, звідки

t₀ = Э-S1K_s/2 Э K_p.

Розглянемо сказане на прикладі. Нехай можливі варіанти прискорення виготовлення дослідного зразка нового виробу характеризуються умовно такими (табл. 1) показниками (очікуваний середньорічний ефект Э нового виробу приймаємо рівним 200000 грн.). Перевага, як випливає з зіставлення значень ефекту, повинна бути віддана варіанту 2.

Таблиця 1 Можливі варіанти суміщення етапів підготовки виробництва

Номер варіанта	Зміст варіанта	Необхідні витрати, грн.	Вірогідність успіху P	Тривалість періоду дострокового освоєння t, роки	Розмір ефекту, грн.
1	Дострокова розробка технологіч- ного процесу виготовлення	2000	0,95	0,083	13800
2	Те ж плюс проектування оснастки і спецобладнания	10000	0,9	0,167	20000
3	Те ж плюс виготовлення оснастки	60000	0,8	0,5	20000
4	Те ж плюс виготовлення спецобладнания і транспортних засобів	240000	0,7	0,75	-135000

Ефективне керування розвитком виробничої системи неможливе без ретельного узгодження цілей розвитку, спрямованих на їхнє досягнення заходів і необхідних ресурсів. Для рішення даної задачі запропоновано використовувати процесно-ресурсно-обєктні графи (прографи). Перевага даного методу в тому, що немає необхідності описувати усю виконавчу структуру. У модель включаються тільки ті елементи, що змінюються в ході реалізації цільового сценарію.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2 Процесно-ресурсно-обєктний граф

Коротко прокоментуємо програф, зображений на рис.2. Об'єктам у ньому відповідають вершини P6, P10, P13, P15, що зображують послідовні стани виробничого замовлення, що проходить через систему (технічне завдання, конструкторсько-технологічний проект, характеристики результатів виробництва і збуту продукції). Іншими прикладами об'єктів є вершини P8 і P12, що відповідають проекту реінжинірінга системи управління і результатам останнього, а також вершини P16, P17, P20, що відповідають процесу модернізації виробничої ділянки. Інші круглі вершини прографа зображують ресурси. Об'єкти в нього не надходять ззовні, а формуються усередині прографа. Операція f1 на основі інформаційних ресурсів P1, P2, що містять знання про кон'юнктуру ринку і потенціал виробничої компанії, і фінансового ресурсу P3 формує об'єкт P6 - завдання на виробниче замовлення. У результаті виконання операції f1 кількість ресурсів P1, P2 не змінюється, а ресурсу P3 зменшується на витрачену суму. Операція f3 перетворює P6 в об'єкт P10- конструкторсько-технологічний проект замовлення, використовуючи при цьому фінансовий ресурс P7 і інформаційні P1, P12 - характеристику кон'юнктури ринку і знання про поточний стан системи керування компанією. При виконанні операції f3 об'єкт забирається з вершини (позиції) P6 і перетвориться в об'єкт, що поміщається в позицію P10 і т.ін.

У четвертому розділі досліджуються питання оптимізації функціонування ГВС на прикладі ділянки (цеху) механічної обробки. Функціонування ГВС можна розглядати як процес обробки (обслуговування) виробничих замовлень, що дає підстави використовувати для його формалізації апарат теорії масового обслуговування.

Для моделювання виробничих систем, що складаються з декількох груп взаємозамінного обладнання, використовуються сітьові стохастичні моделі. Сітьова модель дозволяє крім характеристик груп обладнання одержати дві інтегральних характеристики ГВС: середній обсяг незавершеного виробництва і середній час виробничого циклу. Крім того, на основі апарата теорії мереж розроблена методика синтезу виробничо-технологічної структури гнучкої виробничої ділянки, де під синтезом розуміється визначення оптимального складу основного технологічного обладнання (кількісного і якісного), а також вибір поопераційних маршрутів для кожного типу деталей, оптимальних для всієї ділянки в цілому.

Дана задача вирішена з використанням сітьової багатоканальної моделі масового обслуговування, у якій під каналами розуміються групи взаємозамінного обладнання, а вузли інтерпретуються як технологічні операції. Як критерій оптимальності прийнята середня тривалість виробничого циклу, як обмеження - вартість обладнання (капітальні вкладення) і виробнича площа.

Для розв'язання поставленої задачі ГВC описується за допомогою сітьової моделі масового обслуговування що має M каналів і N вузлів. У запропонованій моделі число вузлів мережі N дорівнює кількості різноманітних реалізованих на всій множині обладнання, що входить до складу ГВС, технологічних операцій (ТО) плюс 1. Кожний вузол мережі, крім першого й останнього, являє собою подію, пов'язану з закінченням (j-1)-ї ТО. Перший і останній вузли позначають початок першої і закінчення останньої ТО відповідно. Канали в запропонованій моделі інтерпретуються як групи однотипного обладнання, число груп верстатів позначимо M_l.

Пропускну спроможність i-го каналу _i визначимо у такий спосіб:

_i= m_i C_i, i =1,M_l;

_i= , i = M_l+j,

де C_i - пропускна спроможність одиниці обладнання i-го типу; m_i- число одиниць основного технологічного обладнання i-го типу, що входять до складу ГВС, M_l+j- канал, по якому проходять деталі, над якими не виконується j-а ТО.

Очевидно, що оскільки різні класи деталей можуть оброблятися на тому самому типі обладнання за різний час, то і пропускна спроможність i-го каналу для різноманітних класів заявок неоднакова і дорівнює:

У сітьовій моделі пропускну спроможність C_i можна інтерпретувати як довжину ребра l_i. Тому пропускну спроможність i-го каналу C_i визначимо як:

Введемо вагові коефіцієнти b_ir такі, що:

.

Повну інтенсивність надходження в мережу заявок визначимо у такий спосіб:

,

де _r- інтенсивність надходження в мережу заявок r-го класу, визначається рівністю: , T_зr- період запуску деталей r-го типу.

Далі, використовуючи формулу Літтла, запишемо формулу для середнього часу затримки заявок у мережі, що відповідає середній тривалості виробничого циклу:

,

де _i-інтенсивність надходження деталей, T_i-середній час затримки заявок у i-том каналі.

Аналогічно: , де T_ir - середній час затримки заявок r-го класу в i-му каналі.

Кожний канал аналізованої мережі являє собою одноканальну систему масового обслуговування (СМО) з об'єднаною чергою й об'єднаною інтенсивністю обслуговування, що має експоненційний закон розподілу. Інтенсивність вхідного потоку також розподілена за експоненційним законом. Аналізовані СМО призначені для обслуговування R різноманітних класів заявок з інтенсивностями обслуговування . Підставивши дану величину у формулу для визначення завантаження i-го каналу і виконавши ряд перетворень, одержимо:

,

де .

Далі розглянемо задачу кількісного визначення складу обладнання ГВС.

Очевидно, що ціна i-го каналу (сумарна ціна усіх верстатів i-го типу) має лінійну залежність від кількості одиниць основного технологічного обладнання i-го типу:

,

де d_i - вартість верстата i-го типу.

З урахуванням того, що в запропонованій моделі пропускна спроможність i-го каналу дорівнює m_il_i, формула для середньої затримки заявок у мережі прийме вид:

.

Таким чином, для вибору оптимальних значень m_i необхідно вирішити наступну оптимізаційну задачу:

при обмеженнях

Для мінімізації T складемо функцію Лагранжа . Очевидно, що якщо знайти мінімальне значення G при варіації кількості обладнання {m_i}, то тим самим буде отримане оптимальне рішення задачі визначення кількісного складу обладнання ГВС, тому що аргумент в квадратних дужках тотожно дорівнює нулю. Використовуючи метод невизначених множників Лагранжа, одержимо таке рішення:

,

де . Отримані значення {m_i} прийнятні лише у випадку, якщо не задане обмеження на корисну виробничу площу S. Для урахування обмеження на корисну виробничу площу розвязуємо задачу, аналогічну описаній вище, і одержуємо:

.

Для визначення кількісного складу обладнання i-го типу порівнюємо значення, розраховані по формулах (3) і (4), вибираємо мінімальне й округляємо в меншу сторону.

Далі розглянемо задачу вибору поопераційних маршрутів. Сутність запропонованого алгоритму розвязання задачі пов'язана з зіставленням i-го ребра з довжиною l_ir, розмір якої залежить від типу заявок, що обслуговуються i-тим каналом:

Ясно, що це лінійна швидкість зростання T_i при нескінченно малому збільшенні потоку заявок r-го типу в i-му каналі. Ідея алгоритму полягає в тому, що чим більшу довжину l_ir має i-й канал, тим менший потік заявок r-го типу направляється по цьому ребру. Для кожного типу заявок r на кожній j-й ТО визначається найбільш завантажене заявками r-го типу ребро (l_i1r = max {l_ir}) і найменш завантажене ребро (l_i2r = min {l_ir}). Потім проводиться перерозподіл потоку _i1r між каналами i1 і i2.

З використанням розроблених алгоритмів вирішена така задача: необхідно спроектувати гнучку виробничу ділянку, призначену для випуску деталей 3-х типів у кількості N1=11045, N2=7527, N3=18818 за період Ф=3136год., число деталей кожного найменування в партії запуску P=12.

Таблиця 2 Трудомісткості обробки деталей

деталь верстат	1 ti1(хвил.)	2 ti2(хвил.)	3 ti3(хвил.)	ціна верстата тис. грн.
16К20Ф3	20		25	150
КТ141	16,7		20	160
2Р118Ф2		21,7	10	100
2Р135Ф2		16,7	3	140
ИР300ПМФ4		4,5	2,6	290

Технологічні процеси обробки містять операції: Q1-{токарна}; Q2-{свердлильна, фрезерна}; Q3-{токарна, свердлильна, фрезерна}. Токарна операція може виконуватися на верстатах моделей 16К20Ф3, КТ141, свердлильна - на верстатах моделей 2Р118Ф2, 2Р135Ф2, фрезерна операція виконується на верстаті ИР300ПМФ4. Час обробки r-тої деталі (r=1,3) на i-му верстаті (i=1,5), а також вартість i-го верстата наведені в таблиці 2. Для придбання верстатів виділяють грошові ресурси D=2000 тис. грн., обмеження на корисну виробничу площу не задане.

Отримане таке рішення задачі синтезу:

Склад обладнання: 4 верстати моделі 16К20Ф3; 4 верстати моделі КТ141;

3 верстати моделі 2Р118Ф2; 1 верстат моделі 2Р135Ф2; 2 верстати моделі ИР320ПМФ4.

Середній час виробничого циклу при цьому складе T=2,57 год.

Розглянута сітьова модель не враховує черговості запуску виробів у виробництво. Дане питання потребує урахування динаміки роботи ГВС і є предметом теорії розкладів. Важливість задачі календарного планування визначається не тільки прагненням оптимально використовувати виробничі потужності, але і необхідністю встановлення конкретних термінів виготовлення деталей із метою узгодження випуску продукції на всіх технологічних етапах.

Для гнучкого виробництва характерні часта зміна виробів, що випускаються, і високий ступінь непевності щодо майбутніх замовлень, що потребує урахування великого числа чинників при складанні розкладів і частого внесення змін. У цих умовах існуючі методи оперативно-календарного планування не завжди забезпечують прийнятні результати. З метою подолання зазначених труднощів запропоновано використовувати експертну систему для генерації розкладів роботи ГВС і сформульовані принципи її створення.

П'ятий розділ присвячений обгрунтуванню і розробці методики управління розвитком виробничої системи. Методика грунтується на виділенні в діяльності підприємства трьох функціональних областей (виробництво, маркетинг, фінанси), для кожної з яких встановлюється цільовий критерій (організаційно-технічний рівень, конкурентноздатність і фінансова сталість відповідно). Початковий стан виробничої системи оцінюється шляхом визначення значень вказаних параметрів і порівняння їх із нормативними.

Зокрема, коефіцієнт організаційно-технічного рівня виробництва може бути розрахований по формулі:

,

Де К_т - узагальнений показник технічного рівня, частки одиниці; К_тр- інтегральний коефіцієнт використання трудових ресурсів, частки одиниці; К_ф- коефіцієнт використання основних виробничих фондів, частки одиниці; К_о- коефіцієнт використання нормованих оборотних коштів, частки одиниці; К_тек- коефіцієнт плинності кадрів на підприємстві, частки одиниці; К_кооп- коефіцієнт кооперації (відношення кількості комплектуючих, одержуваних по кооперованих поставках, до загального обсягу виробництва), частки одиниці.

Конкурентноздатність організації визначається з урахуванням вагомості товарів і ринків, на яких вони реалізуються:

де a_ij - питома вага i-го товару організації, що реалізується на j-му ринку, в обсязі продажів за аналізований період, частки одиниці, ,; b_j - показник значущості ринку, на якому поданий товар організації. Для промислово розвинених країн значущість ринку рекомендується приймати рівній 1,0 , для інших країн - 0,7 , для внутрішнього ринку - 0,5; K_ij- конкурентноздатність i-го товару на j-му ринку.

Фінансову сталість підприємства рекомендується визначати по формулі:

де Х1- показник ефективності робочого капіталу; Х2- показник ефективності накопиченого капіталу; Х3- рентабельність виробництва; Х4- показник заборгованості; Х5- показник ефективності активів.

Далі встановлюються цілі і провадиться їхня декомпозиція. Цілі самого нижнього рівня являють собою заходи, що безпосередньо виконуються, із яких компонуються можливі цільові сценарії. Моделювання можливих варіантів розвитку здійснюється за допомогою процесно-ресурсно-обєктних графів. Вибирається той сценарій, у результаті реалізації якого цільові критерії приймають найкращі значення.

Дана методика може застосовуватися при рішенні як тактичних, так і стратегічних задач. У першому випадку мова йде про досягнення хоча б незначного поліпшення стану виробничої системи в короткостроковому періоді, у другому можна говорити про вибір траєкторії розвитку.

У додатках приводяться акт упровадження результатів досліджень і програмна реалізація методики керування розвитком підприємства.

ВИСНОВКИ

1. У дисертації вирішена важлива науково-практична задача удосконалення процесів функціонування і розвитку виробничо-технологічних систем машинобудування на основі системного підходу.

2. Запропоновано структурно-функціональний підхід для дослідження виробничої системи, що дозволяє описати динаміку роботи системи з урахуванням її внутрішньої побудови і принципів функціонування і намітити цілі розвитку виробничої системи.

3. Розроблено узагальнену системну модель виробничого підприємства з урахуванням зовнішнього середовища, у рамках якої розглядається декомпозиція виробничої системи за трьома складовими: керована і керуючої частини; структурна (предметна) і функціональна (процесна) частини; підготовка виробництва і виробництво. Дана модель дозволяє розглядати проект створення нового виробу як деякий метаобєкт, що проходить на різних етапах життєвого циклу через різні елементи виробничої системи і переходить під їхнім впливом з одного стану до іншого і, у свою чергу, викликає певні зміни усередині виробничої системи.

4. Досліджувана системна модель може бути покладена в основу при створенні інтегрованої інформаційної системи управління розвитком виробничого підприємства (фірми), що охоплює різні рівні ієрархії й горизонти планування.

5. Проведено комплексний аналіз інноваційної діяльності як найважливішого чинника розвитку виробничо-технологічних систем, що дозволило сформулювати ряд практичних рекомендацій по формуванню асортиментної політики підприємства, поліпшенню координації підрозділів і служб і зв'язків із споживачами.

6. Розроблено модель скорочення термінів підготовки виробництва, яка дозволила скоротити термін створення виробу ГА57/1У на 2 місяці.

7. Для формалізації сценаріїв розвитку виробничих систем запропоновано використовувати апарат процесно-ресурсно-обєктних графів, що забезпечує ефективне ув'язування цілей розвитку, виробничих операцій і ресурсів.

8. Розроблена сітьова стохастична модель виробничої структури ГВС, що дозволяє вирішувати такі задачі: визначення середньої тривалості виробничого циклу; розрахунок середнього обсягу незавершеного виробництва; визначення кількісного складу обладнання; вибір оптимальних поопераційних маршрутів.

9. Встановлено, що існуючі методи календарного планування в умовах ГВС не завжди ефективні, тому для складання розкладів роботи ГВС запропоновано використовувати експертні системи.

10. Запропоновано методику управління розвитком виробничої системи, що грунтується на трьох показниках: організаційно-технічному рівні підприємства, його конкурентноздатності і фінансової сталості і допомагає вибрати найкращий цільовий сценарій в умовах конкретної виробничо-господарської ситуації.

11. Основні положення дисертаційної роботи використовувалися в навчальному процесі в Національному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” при читанні навчальних курсів “Інтегровані технології проектування роботизированного виробництва”, “Математичне моделювання й оптимізація автоматизованого виробництва”.

12. На ХМЗ ФЕД отриманий економічний ефект у розмірі 158 тис. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Публікації в наукових спеціальних виданнях:

1. Попов В. А., Осауленко И. А. Системная модель гибкой производственной системы (ГПС) // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии / Сб. науч. тр. Государственного аэрокосмического университета им. Н. Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”. - Вып. 2. - Харьков, 1998. - С.30-35.

2. Костюк Г. И., Попов В. А., Осауленко И. А. Слабоформализованная модель РТК // Авиационно-космическая техника и технология / Тр. Харьковского авиационного института им. Н. Е. Жуковского. - Т. 7. - Харьков, 1998. - С.330-336.

3. Попов В. А., Осауленко И. А. Модель равномерного распределения ресурсов // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии / Сб. науч. тр. Государственного аэрокосмического университета им. Н. Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт” - Вып. 4. - Харьков, 1999. - С.119-126.

4. Попов В., Осауленко І. Підсистема економіко-математичних моделей у системі управління якістю // Стандартизація, сертифікація, якість. - 1999. - №1(4). - С.62-63.

5. Попов В. А., Осауленко И. А. Анализ технологической подготовки производства на основе системной модели // Авиационно-космическая техника и технология / Тр. Национального аэрокосмического университета им. Н. Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”. - Вып. 25. - Харьков, 2001. - С.77-83.

6. Попов В. А., Осауленко И. А. Принципы построения подсистемы управления развитием предприятия // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии / Сб. науч. тр. Национального аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”. - Вып. 11. - Харьков, 2002. - С.137-143.

7. Попов В. А., Осауленко И. А. Подход к оптимизации производственных систем // Вестник НТУ “ХПИ”. Сб. науч. тр. Тематический вып. “Системный анализ, управление и информационные технологии”. - Харьков: НТУ “ХПИ”. - 2002. - №13 - С.99-106.

Додаткові публікації:

8. Костюк Г. И., Осауленко И. А. Научно-технические основы переоснащения и переориентации производства на выпуск конкурентоспособной продукции // Материалы шестой междунар. конф. “Новые технологии в машиностроении”. - Рыбачье, 1997. - С.95-98.

9. Костюк Г. И., Осауленко И. А. Основные принципы создания компьютеризованных интегрированных систем для оценки перспективности выпуска новых изделий // Подготовка специалистов к работе в условиях открытых информационных и компьютерных интегрированных технологий / Тр. междунар. научно-методической конф. - Харьков: ХАИ, 1996. - С.101-103.

10. Костюк Г. И., Попов В. А., Осауленко И. А. Принятие решений при динамическом моделировании предприятия // Авиационно-космическая техника и технология / Тр. Харьковского авиационного института им. Н. Е. Жуковского. - Т. 7. - Харьков, 1998. - С.216-219.

11. Костюк Г. И., Осауленко И. А. Пути создания рациональных технологий упрочнения деталей машиностроительного комплекса // Материалы шестой междунар. конф. “Новые технологии в машиностроении”. - Рыбачье, 1997. - С.95-98.

12. Костюк Г. И., Кривов Г. А., Романенко Е. И., Рыжов Э. В., Степаненко В. Л., Осауленко И. А., Тавалбех А. Концепции создания систем управления плазменно-ионными, ионно-лучевыми, электронно-лучевыми, светолучевыми и комбинированными технологическими установками // Материалы четвертой междунар. конф. “Новые технологии в машиностроении”. - Харьков-Рыбачье, 1995. - С.79-81.

13. Костюк Г. И., Осауленко И. А. Технологическая подготовка производства в системе UNIGRAPHICS // Подготовка специалистов к работе в условиях открытых информационных и компьютерных интегрированных технологий / Тр. междунар. научно-методической конф. - Харьков: ХАИ, 1996. - С.103-105.

14. Осауленко И. А. Нормативно-технологическое обеспечение НИОКР // “Разработка научно-методического обеспечения, системных моделей и методик системной оценки Государственной программы развития вооружений и военной техники с учетом отраслевых программ и программ кооперации предприятий производителей новых образцов вооружения и военной техники, оценки реализуемости выполнения опытно-конструкторских работ” (промежуточный, этап №2) / Отчет Национального аэрокосмического университета им. Н. Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”. Харьков, 1999. - 164с. - С.58-83.

АНОТАЦІЯ

Осауленко І. А. Системне моделювання процесів функціонування та розвитку виробничо-технологічних систем. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.22 - управління проектами та розвиток виробництва, - Український науково-дослідний інститут авіаційної технології, Київ, 2003р.

В дисертації вирішене важливе науково-практичне завдання вдосконалення процесів функціонування та розвитку виробничо-технологічних систем на основі системного підходу. Розроблена узагальнена системна модель виробничого підприємства з урахуванням зовнішнього середовища, яка може бути покладена в основу при реорганізації інформаційно-управляючої системи підприємства.

Проведено комплексний аналіз інноваційної діяльності, що дозволило сформулювати ряд практичних рекомендацій щодо формування асортиментної політики підприємства, покращення координації підрозділів і служб та звязків зі споживачами. Розроблена модель скорочення термінів підготовки виробництва на 2 місяці.

Розроблена сітьова стохастична модель виробничої структури гнучкої виробничої системи (ГВС). Запропоновано використання експертних систем для покращення календарного планування роботи ГВС.

Запропонована методика управління розвитком виробничої системи, яка базується на трьох показниках: організаційно-технічному рівні підприємства, його конкурентоспроможності і фінансовій сталості і дозволяє обрати найкращий цільовий в умовах конкретної виробничо-господарської ситуації.

Ключові слова: інтегроване виробництво, виробничий процес, теорія фірми, системний аналіз, гнучкі виробничі системи, інновації, розвиток виробництва, процесно-ресурсно-обєктні графи, стохастичні сітки, експертні системи.

АННОТАЦИЯ

Осауленко И. А. Системное моделирование процессов функционирования и развития производственно-технологических систем. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.22 - управление проектами и развитие производства, - Украинский научно-исследовательский институт авиационной технологии, Киев, 2003 г.

В диссертации решена важная научно-практическая задача совершенствования процессов функционирования и развития производственно-технологических систем машиностроения на основе системного подхода. Предложен структурно-функциональный подход, который позволяет описать динамику работы системы с учетом ее внутреннего строения и принципов функционирования и дает возможность формулировать частные задачи системного анализа производственных процессов и структур посредством их связи между собой в критериях эффективности, а также наметить цели развития системы.

Разработана обобщенная системная модель производственного предприятия с учетом внешней среды. Предложена декомпозиция производственной системы по трем признакам: управляющая и управляемая части; структурная (вещественная) и функциональная (процессная) части; подготовка производства и производство. Проект создания нового изделия рассматривается как некоторый метаобъект, проходящий на разных этапах жизненного цикла через различные элементы производственной системы и переходящий под их воздействием из одного состояния в другое. При этом возможно и обратное воздействие, т. е. реализация проекта требует определенных изменений внутри производстенной системы. Данная модель может быть положена в основу при реорганизации информационной управляющей системы предприятия.

Проведен комплексный анализ инновационной деятельности как важнейшего фактора развития производственно-технологических систем, что позволило сформулировать ряд практических рекомендаций по формированию ассортиментной политики предприятия, улучшению координации подразделений и служб и связей с потребителями: следует избегать совпадения жизненных циклов основных видов выпускаемой продукции; портфель заказов должен сочетать крупные и мелкие проекты; возможна встречная передача персонала между конструкторскими и производственными подразделениями или создание специальных проблемных групп; в ряде случаев целесообразно привлекать потребителей продукции к участию в ее разработке.

Разработана модель сокращения сроков подготовки производства, которая позволяет уменьшить срок создания нового изделия в условиях мелкосерийного машиностроения в среднем на 2 месяца. Для формализации инновационных процессов предложено использовать аппарат процессо-ресурсно-объектных графов, который обеспечивает эффективную увязку целей развития, производственных операций и ресурсов.

Разработана сетевая стохастическая модель производственной структуры гибкой производственной системы (ГПС), которая позволяет решеть следующие задачи: определение средней длительности производственного цикла; расчет среднего объема незавершенного производства; определение количественного состава оборудования; выбор оптимальных пооперационных маршрутов

Установлено, что существующие методы календарного планирования в условиях высокой степени неопределенности относительно будущих заказов, характерных для ГПС, не всегда эффективны, поэтому для составления расписаний работы ГПС предложено использовать экспертные системы.

Предложена методика управления развитием производственной системы, которая основывается на трех показателях: организационно-техническом уровне предприятия. Его конкурентоспособности и финансовой устойчивости. Путем декомпозиции целей, направленных на улучшение каждого из указанных критериев, выделяются непосредственно исполняемые мероприятия, из которых компонуются возможные варианты развития, что позволяет выбрать наилучший целевой сценарий в условиях конкретной производственно-хозяйственной ситуации.

Промышленное опробование результатов работы проведено на ХМЗ ФЕД, г.Харьков. Экономический эффект составил 158000 грн.

Ключевые слова: интегрированное производство, производственный процесс, теория фирмы, системный анализ, гибкие производственные системы, инновации, развитие производства, процессно-ресурсно-объектные графы, стохастические сети, экспертные системы.

ABSTRACT

Osaulenko I. A. Functioning and development of the manufacturing and technology systems processes system modeling. - Manuscript.

...