Программные продукты и системы

Значительная часть предприятий геофизического приборостроения (ГФП) в связи со спецификой изделий занята выпуском своих разработок, отличающихся высокой наукоемкостью и успешно конкурирующих с зарубежными аналогами. Однако эти предприятия оказались в стороне от совершенствования систем управления выпуском изделий, как и другие предприятия единичного и мелкосерийного производства. Для ГФП характерны формирование (накопление) договоров в течение календарного года, малые сроки выполнения договорных обязательств, широкая номенклатура изделий. В этих условиях отсутствие эффективных систем планирования и управления работой производственных систем (ПС) является сдерживающим фактором развития отрасли. Попытка решить проблему с помощью имеющихся на рынке программных продуктов и систем не увенчалась успехом по следующим причинам.

Методология построения АСУ технологическими процессами (ТП) и систем управления и планирования предприятиями разного уровня (ERP (Enterprise Resourse Planning)-системы, MRP-2, Scada  и др.) направлена на обслуживание нужд серийного и крупносерийного производства, а ГФП относится к единичному и мелкосерийному; ERP-системы к тому же ориентированы на североамериканский (отчасти западноевропейский) способ организации технологий.

ERP- и MRP-2-системы позволяют разрабатывать в автоматизированном режиме объемные планы. Разработка точных календарных и оперативных планов невозможна из-за отсутствия средств для расчета циклов изготовления изделий, автоматизированная корректировка планов по результатам диспетчирования (Scada) не предусматривается.

АСУ ТП позволяют отслеживать выполнение календарных планов-графиков (КПГ), но не имеют формальных процедур для их расчетов и принятия решений на основе результатов диспетчирования.

Эти факты обусловливают следующие основные противоречия в производственных системах ГФП:

-    большие временные затраты на разработку и корректировку постоянно обновляемых в течение года объемных и календарных планов затрудняют точное определение объемов и сроков выполнения договоров, заставляют фирмы иметь запасы узлов и приборов, которые могут быть не востребованы потребителями и увеличивают незавершенное производство;

-    способы управления технологическими процессами изготовления приборов не отвечают условию своевременной штучной поставки приборов по большому числу контрактов, приводят к срыву договорных обязательств и значительному объему сверхурочной работы.

Противоречия позволили осуществить постановку проблемы, актуальной для ГФП, – повышение эффективности функционирования производственных систем путем сокращения сроков и совершенствования планово-организационного со­провождения процессов производства изделий [1].

Эффективность разработки планов всех уровней и управления в производственных системах ГФП удалось повысить путем разработки ав- томатизированной системы сопровождения производства (АССП) изделий. С учетом фундаментальных закономерностей планирования и управления машино- и приборостроительным производством были выявлены и сформулированы принципы создания АССП в условиях ГФП (системное единство и взаимосвязь, соответствие иерархии планов в АССП планам организации, непрерывность и оперативность, обеспечение резервов, участие человека, комплексность и информационная интеграция с САПР ТП) [1, 2].

Определены функции АССП: синтез и корректировка (сопровождение планирования производства) объемных, оперативных планов-графиков и КПГ для технологических подразделений, диспетчирование и выработка управленческих решений (сопровождение производства) на основе анализа результатов диспетчирования. Таким образом, сопровождение выполняется при планировании производства и при выпуске изделий. Исходными данными для работы АССП являются планы по реализации продукции, составленные согласно заключенным договорам, и данные от САПР технологических процессов по трудоемкостям и станкоемкостям приборов [2].

Разработана и исследована теоретико-мно­жественная модель АССП. Анализ связей в ней позволил формализовать с помощью продукционных моделей процедуры принятия решений при синтезе объемных и календарных планов, КПГ и при диспетчировании работы технологических подразделений [2]. В АССП реализованы три вида обратных связей: по объемному плану, по КПГ и диспетчированию технологического процесса. АССП имеет обратную связь с САПР ТП и осуществляет общую обратную связь с системой управления организации.

На основе распознавания ситуации при синтезе планов предложены формальные процедуры их разработки, определены условия перехода к следующему уровню планов и возврата на предыдущий уровень при выполняемых итерациях с постоянно уменьшающимся шагом (в станкоемкостях перераспределяемых работ). Условия определяются путем анализа соотношений длительности циклов и сроков выполнения заказов, станкоемкостей работ по типам и (или) группам оборудования и фондов времени работы металлорежущего оборудования. Общее управление работой подсистем объемного, календарного и оперативного планирования (расчет КПГ прохождения деталей по рабочим местам) и принятие решений осуществляются управляющей системой с элементами искусственного интеллекта [3].

В настоящей работе излагаются основные результаты исследований по интеллектуальному управлению и диспетчированию технологических процессов на основе КПГ и нечеткого управления.

Для синтеза КПГ (оперативные планы) предложено использовать приоритетные схемы. Выявлены принципы формирования систем приоритетов: иерархичность; целевая направленность – соответствие целям функционирования организации и иерархии организации; ситуативность – учет параметров состояния технологического процесса при выборе приоритетных схем; постоянство действия важнейших приоритетов, отражающих смысл функционирования ПС; вариабельность – наложение вариативных приоритетов на постоянные.

Обоснованы и сформированы одиннадцать систем иерархических приоритетных схем, выбираемых продукционными моделями знаний на основе формального распознавания и анализа ситуации в технологических подразделениях (загрузки оборудования по ходу основного деталепотока, длительности и числа операций в маршрутах запускаемых деталей, времени поступления деталей, наличия свободного оборудования, длительности первой последующей операции, длительностей частей маршрута). Каждая приоритетная схема имеет иерархию приоритетов: глобальный (разряды работ), внутренний (группы работ в пределах разряда), частный (виды работ в пределах группы).

Глобальный приоритет определяется сроками окончания работ согласно договорным обязательствам (работы из текущего контракта приоритетнее работ из следующего по времени); внутренний приоритет – исходя из назначения работ в пределах разряда (работа текущего интервала оперативного планирования, работы по исправлению брака, допущенного в предыдущем, изготовление оснастки для работ следующего интервала оперативного планирования и т.д., всего семь); частный приоритет (виды работ в пределах группы) – исходя из ситуации в технологических подразде- лениях. Разработаны правила переназначения приоритетов при переходе в следующие интервалы оперативного планирования. Следует отметить, что назначение внутренних приоритетов во многом определяется способом деления работ в конкретных производственных условиях.

Обоснован критерий, определяющий выбор КПГ. Стратегией ГФП является работа по принципу «точно вовремя», что означает выпуск изделий в точно указанные сроки и с минимумом заделов. Учитывая, что структура и численность оборудования технологических подразделений должны быть сбалансированы по объемам работ (это является важнейшей предпосылкой эффективного управления), комплексным критерием должен явиться минимальный общий цикл изготовления всех запущенных в производство партий деталей. Выбор данного критерия обеспечивает: непрерывную загрузку рабочих мест (отсеивает варианты с длительными ожиданиями); равномерную загрузку оборудования (известно, что наиболее короткие циклы имеют участки с равномерной загрузкой из-за меньших средних периодов ожидания операций); минимизацию общего срока изготовления деталей; минимизацию незавершенного производства, пропорционального длительности цикла.

Для использования приоритетных схем уточнена постановка конвейерной задачи [4] составления КПГ применительно к ГФП путем введения четвертого дополнительного ограничения (первые три – ненарушаемость маршрута, непрерывность операции, число рабочих мест): из находящихся в очереди на обработку на операции Olqi (где индексы l – номер партии деталей Дl, q – тип (номер) операции, i – номер (индекс) группы станков, на которых выполняется операция) l-х партий деталей первой на станок (время начало операции  более раннее) поступает имеющая более высокий (символ выше – ²››²) приоритет Пl: " Дl (l=1, 2, …, v, …, w, …, l)[(Пv››Пw)®(<)].

Требуется построить календарный план  с учетом четырех ограничений, удовлетворяющий целевой функции , где  – время окончания обработки l-й партии деталей на q-й операции на i-й группе станков (то есть время окончания обработки последней партии деталей), отсчитываемое от начала интервала оперативного планирования.

Для последующего синтеза КПГ и сравнения вариантов оставляются 2–3 схемы. Для расчета КПГ плановый период разбивается на пятидневные интервалы оперативного планирования. В технологических подразделениях реализуется схема с минимумом . Решение возможно на основе использования известного метода ветвей и границ, но при использовании приоритетных схем, исключающих неоднозначность, в этом практически нет необходимости.

Диспетчирование строится на отслеживании фактического времени начала операций и сравнения его значений с расчетными (в плановом КПГ) по каждой обрабатываемой партии деталей Дl. Анализируются состояние технологических подразделений по выполнению КПГ на начало данного интервала оперативного планирования, фактические и допустимые величины отставания (опережения) КПГ за предшествующий (t-1)-й и данный t-й интервал (состояния , ), фактические (Фt) и плановые (Фn) фонды времени работы оборудования по типам и (или) группам за данный интервал оперативного планирования. На основе распознавания ситуации формально определяются причины рассогласования КПГ (несоответствие фондов времени работы, некорректные нормативы, организационные причины и пр.). Продукциями ({ПРi}k) на основе подусловий ({ПУ}i) выявляются управленческие решения (УРk) по введению технологических подразделений в плановый режим (дополнительные смены и рабочие места, пересмотр планов и т.п.):

где  – фактический и плановый КПГ в t-м интервале оперативного планирования.

В противоречивых ситуациях предусмотрено вмешательство оператора. Схема работы АССП приведена на рисунке.

Исходными данными для работы программного комплекса АССП служат карты времени операций технологических процессов изготовления изделия (заказа). На этапах объемного и календарного планирования выдаются соответствующие карты – задания для технологических подразделений и мастеров. Для системы управления организацией даются сводные данные по работе технологических подразделений за любой период по форме.

На этапе диспетчирования используется карта с указанием планового и фактического времени выполнения операций по деталям, а не трудо- емкостей, как в карте времени операций. Если определение и учет большого числа параметров затруднены, при числе рабочих мест в технологических подразделениях менее 25–30 (возможны оценка отставаний и выявление причин рассогласования КПГ мастерами) предложено применение диспетчирования на основе аппарата нечетких множеств.

Объект управления – КПГ. Управление ведется по входам: 1) относительное объемное отставание (опережение) плана по типу и (или) группе станков с начала диспетчирования; 2) относительное среднее объемное отставание (опережение) плана по типу и (или) группе станков за один интервал оперативного планирования с начала диспетчирования; 3) увеличение (уменьшение) отставания (опережения) объемного плана за последний интервал оперативного планирования по сравнению со средним по типу и (или) группе станков.

Выходные параметры: относительное увеличение (уменьшение) фондов времени работы по типу и (или) группе станков за следующий интервал оперативного планирования. Относительные величины определяются в частях от соответствующих фактических фондов времени работы оборудования. Алгоритм управления состоит из 17 нечетких правил. Для фазилогической конъюнкции подусловий применяется правило минимума, для нахождения функций совместной принадлежности – правило нечеткой импликации Мамдани, для дефазификации управляющего воздействия – центроидный метод. Реализация методики выполнена в среде MATLAB [5].

Разработанные программные средства прошли опытную проверку в ООО «Нефтегазгеофизика» (г. Тверь). Можно констатировать, что срывы сроков выполнения договоров сократились с 7,75 % до 0,5 %, сверхурочная работа с 5,2 % до 0,2 %, приостановка выполнения заказов с 9,3 % до 0,3 % (от соответствующих общих объемов).

Литература

1. Палюх Б.В., Бурдо Г.Б. Повышение эффективности управления технологическими подразделениями в условиях единичного и мелкосерийного производства // Вестн. ДонГТУ. 2009. Т. 9. № 4 (43). С. 659–666.

2. Бурдо Г.Б. Принципы построения автоматизированной системы управления технологическими процессами в многономенклатурных производствах // Вестн. СаратовГТУ. 2010. № 3 (48). С. 113–118.

3. Бурдо Г.Б. Интеллектуальное управление технологическими подразделениями геофизического приборостроения // Каротажник. 2011. № 4 (202). С. 94–99.

4. Прилуцкий М.Х., Власов В.С. Метод ветвей и границ с эвристическими оценками для конвейерной задачи теории расписаний // Вестн. Нижегор. ун-та им. Н.И. Лобачевского. 2008. № 3. С. 143–157.

5. Дьяков В., Круглов В. Математические пакеты расширения MATLAB: спец. справочник. СПб: Питер, 2001. 480 с.