Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время большое внимание уделяется проблемам, связанным с проектированием сложных производственных систем. При этом значительный комплекс проектных задач связан не только с созданием новых производственных объектов, но и с необходимостью структурной и параметрической перестройки действующих систем с целью их реформирования и модернизации. Динамично изменяющиеся внешние условия требуют постоянного технического переоснащения производства, обновления номенклатуры выпускаемой продукции, совершенствования технологии ее изготовления и т.д. Это приводит к необходимости разработки математического и программного обеспечения для комплексного решения задач анализа и синтеза сложных производственных систем с учетом иерархичности и перестраиваемой структуры производства.
Процесс структурного и параметрического синтеза перестраиваемых производственных систем осложняется высокой динамичностью, нестабильностью и стохастичностью производства, что затрудняет использование аналитических моделей для принятия проектных решений. Это приводит к необходимости применения алгоритмических оптимизационных моделей, в которых отсутствуют явные аналитические формулировки критериев оптимальности и ограничений, а имеется лишь возможность определения их значений для каждого из вариантов с применением различных моделирующих процедур. Сложность оценки свойств таких моделей на априорном уровне ограничивает возможности использования стандартных оптимизационных процедур, что в конечном итоге снижает эффективность процесса оптимального проектирования. Кроме того, к особенностям задач оптимального проектирования сложных производственных систем можно отнести разнообразие постановок, высокую размерность, множественность технико-экономических требований к основным характеристикам, значительную трудоемкость этапов моделирования и анализа, наличие разнообразных корреляционных связей между параметрами, учесть которые в рамках стандартного математического обеспечения САПР становится затруднительным.
Решение указанной проблемы может быть достигнуто при использовании адаптивного подхода к проектированию производственных систем. Данный подход предполагает построение комплекса алгоритмов оптимизации, обеспечивающих совмещение процесса более полной формализации задачи с ее решением, и их объединение совместно с процедурами многовариантного моделирования в интеллектуальную адаптивную многометодную среду с возможностью ее динамической настройки на различные классы решаемых задач оптимального проектирования. При этом важным требованием к разрабатываемому математическому обеспечению является возможность эффективного решения задач, описываемых сложными алгоритмическими моделями.
Таким образом, актуальность диссертационной работы определяется необходимостью разработки теоретических основ, математического и программно-
го обеспечения для решения задач поиска оптимальных вариантов сложных производственных систем при их реформировании и модернизации с возможностью учета динамических и стохастических аспектов производства.
Работа выполнена в соответствии с научным направлением ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «САПР и системы автоматизации производства», а также ГБ НИР 07.04 «Оптимизация и моделирование сложных систем», ГБ НИР 10.19. «Интеллектуализация принятия решений в автоматизированных системах».
Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является разработка методологических принципов, комплекса методов, моделей и алгоритмов оптимального проектирования перестраиваемых производственных систем и создание на этой основе адаптивной среды поиска рациональных проектных решений в условиях реструктуризации и реформирования промышленного производства.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
провести анализ методов и средств оптимального проектирования сложных производственных систем с перестраиваемой структурой, рассмотреть особенности задач данного класса и определить принципы их алгоритмизации на основе адаптивного подхода;
разработать методику проектирования перестраиваемых производственных систем и процедуры согласования проектных решений с учетом иерархической структуры производства;
сформировать математические модели структурного и параметрического синтеза стохастических производственных систем;
построить комплекс адаптивных алгоритмов поиска оптимальных проектных вариантов с возможностью их использования для решения задач, описываемых сложными алгоритмическими моделями;
реализовать технологию имитационного моделирования производственных систем и построить схемы интегрированного взаимодействия оптимизационных и моделирующих процедур в процессе проектирования;
разработать компонентную структуру алгоритмической базы оптимального проектирования производственных систем и интеллектуальные средства компонентно-модульного синтеза адаптивных схем поиска проектных вариантов в соответствии с особенностями решаемых задач;
построить программное обеспечение поддержки принятия решений при проектировании перестраиваемых производственных систем и провести его апробацию в условиях производства.
Методы исследования. При выполнении работы использованы основные положения и методы системного анализа, теории вероятностей и математической статистики, теории графов и комбинаторики, аппарат вычислительной математики, принципы искусственного интеллекта, методы имитационного моделирования, исследования операций и принятия решений.
Научная новизна результатов исследования. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:
методология и структурно-функциональные схемы оптимального проектирования сложных перестраиваемых производственных систем, основанные на интеграции моделирующих процедур и адаптивной среды рационального выбора проектных вариантов и обеспечивающие согласованное принятие решений на различных уровнях иерархии производства;
комплекс математических моделей структурного и параметрического синтеза производственных систем, отличающихся итеративным использованием имитационного моделирования в контуре принятия решений и позволяющих определять проектные варианты перестройки производства с учетом его динамического и стохастического характера;
вероятностные и детерминированные адаптивные методы параметрической оптимизации производственных систем, позволяющие на основе совмещения процесса более полной формализации задачи с ее решением учесть особенности проектируемого объекта при неполноте его априорного математического описания;
алгоритмы структурного синтеза производственных систем, основанные на сочетании рандомизированных процедур псевдобулевой оптимизации и модифицированных вариантов схемы ветвей и границ, что позволяет формировать стратегии направленного перебора проектных решений в задачах, описываемых сложными алгоритмическими моделями;
адаптивные процедуры трансформации оптимизационных моделей в процессе проектирования, обеспечивающие преобразование решаемых задач, сокращение их размерности и приведение к типовым постановкам на основе анализа априорной и текущей информации;
технология моделирования иерархических производственных систем, основанная на совместном использовании CASE-средств и имитационных процедур и позволяющая рассматривать в комплексе структуру, функции и динамику системы, а также производить ее анализ с различной степенью детализации;
методика формирования многометодной поисковой среды оптимального проектирования производственных систем, отличающаяся выделением инвариантных структурных составляющих алгоритмического обеспечения и наличием интеллектуальных средств их комплексироваиия, что позволяет осуществлять компонентно-модульный синтез адаптивных схем поиска проектных вариантов в соответствии с особенностями решаемых задач;
структура и программное обеспечение системы поддержки принятия проектных решений, позволяющие на основе интеграции средств функционального, имитационного моделирования и оптимального выбора решать труднофор-мализуемые задачи проектирования стохастических производственных систем.
Практическая значимость и результаты внедрения. В диссертации разработаны основы построения математического и программного обеспечения САПР при проектировании сложных производственных объектов с перестраи-
ваемой структурой на основе интегрированной адаптивной среды многовариантного моделирования и поиска оптимальных проектных решений.
Реализованный при разработке алгоритмического обеспечения компонентно-модульный подход позволил сформировать библиотеку модулей оптимального проектирования производственных систем с возможностью построения на их основе процедур структурного и параметрического синтеза различного предметного назначения. При этом расширение функциональности системы обеспечивается не за счет наращивания алгоритмической базы, а на основе новых способов агрегирования и комплексирования инвариантных структурных компонентов.
Разработанные модели и алгоритмы реализованы в программном комплексе поддержки принятия решений, ориентированном на поиск оптимальных вариантов структуры и параметров производственных систем в условиях модернизации и реструктуризации производства. Программный комплекс позволяет решать задачи моделирования, анализа и структурно-параметрической оптимизации как на уровне производственных участков, так и на уровне производственной системы в целом. Использование разработанного программного обеспечения в рамках САПР позволяет улучшить технико-экономические характеристики производственных систем, уменьшить вычислительные затраты для получения оптимального варианта, сократить сроки формирования оптимальных проектных решений и повысить их качество.
Результаты работы внедрены на следующих промышленных предприятиях: ФГУП «Воронежский механический завод» - филиал ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева», ЗАО «УГМК - Рудгормаш» (г. Воронеж), ОАО «Рефлектор» (г. Саратов), ОАО «Прибор» ОКБ «Авиаавтоматика» (г. Курск), ОАО «Корпорация НПО РИФ» (г. Воронеж). Результаты исследования используются также в учебном процессе кафедры систем автоматизированного проектирования и информационных систем ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» и кафедры информационных систем и технологий АНОО ВПО «Воронежский институт высоких технологий» при обучении студентов специальностей 230104 «Системы автоматизированного проектирования» и 230201 «Информационные системы и технологии».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном совещании-семинаре "Разработка и оптимизация САПР и ГАП изделий электронной техники на базе высокопроизводительных мини- и микро- ЭВМ" (Воронеж, 1989); IX Всесоюзном симпозиуме "Эффективность, качество и надежность систем "Человек-техника"" (Воронеж, 1990); Международной конференции молодых ученых и специалистов "САПР-92. Новые технологии в науке, образовании и бизнесе" (Воронеж, 1992); Российском совещании-семинаре "Оптимальное проектирование технических устройств и автоматизированных систем" (Воронеж, 1992); Всероссийском совещании-семинаре "Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине" (Воронеж, 1994,1997); Всероссийском со-
вещании-семинаре "Высокие технологии в региональной информатике" (Воронеж, 1998), Международной научно-практической конференции "Социально-экономическое развитие современного общества в условиях реформ" (Саратов, 2007); Всероссийском совещании-семинаре "Интеллектуальные информационные системы" (Воронеж, 2008-2010); Всероссийской конференции "Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах" (Воронеж, 2008-2010); VI Международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" (Санкт-Петербург, 2008); Международных конференциях "Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в управлении инновационными проектами" (Москва-Воронеж-Сочи, 2008, 2009); XVI Всероссийской научно-технической конференции "Материалы и упрочняющие технологии" (Курск, 2009); X Всероссийской научно-технической конференции "Научные исследования в области транспортных, авиационных и космических систем" (Воронеж, 2009); XXII Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях: ММТТ-22" (Псков, 2009): научно-методических семинарах кафедры систем автоматизированного проектирования и информационных систем ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (2005-2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 научных работ, в том числе 13 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 2 монографии.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: иерархические схемы оптимального проектирования производственных систем [1,2,27,29,39,41,42]; оптимизационные модели и процедуры параметрического и структурного синтеза производственных систем [4,11,14,15,18,28,31,32,36,37,40,43,44,45,47,48,54]; технология моделирования производственной системы [21,52]; библиотека модулей оптимального проектирования [12,46]; многометодные стратегии и интеллектуальные процедуры поиска проектных решений [7,9,38,51,53]; схемы интегрированного взаимодействия оптимизационных и имитационных процедур при проектировании производственных систем [6,34]; структура и программное обеспечение подсистемы оптимального проектирования [16,17,19,20,23,25,55].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложений и списка литературы из 219 наименований. Основная часть работы изложена на 272 страницах и содержит 49 рисунков и 5 таблиц.
