Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 1
Глава 1. ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ НАЗНАЧЕНИЕ И ПРАКТИКУЕМЫЕ ПОДХОДЫ К
РАЗРАБОТКЕ ПРОГРАММНЫХ АНАЛИЗАТОРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО И
ЛОГИСТИЧЕСКОГО ЦИКЛОВ ПРОИЗВОДСТВА... 9
Актуальность задачи идентификационного синтеза и необходимость в расширении ее постановки в условиях современного производства 11
Состояние процесса производственной автоматизации и позиционирование программных анализаторов в иерархии производственных информационно-управляющих систем 13
программные анализаторы как алгоритмическая основа оперативных систем управления производством 17
Функциональное назначение и типы программных анализаторов 19
Концепция программных анализаторов (идентификационный подход) 22
Алгоритмическая база программных анализаторов 23
Нечеткая логика 24
Нейронные сети 28
Гибридные технологии 34
Генетические алгоритмы 35
Современные методы теории управления 36
Примеры использования ПА 44
ВЫВОДЫ 53
Глава 2. МОДЕЛИ И МЕТОДЫ РАЗРАБОТКИ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ПРОГРАММНЫХ АНАЛИЗАТОРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ЦИКЛА
ПРОИЗВОДСТВА 55
Идентификация при коррелированных во времени входах с независимыми компонентами 58
Идентификация статического объекта при коррелированных компонентах вектора входов 69
Идентификация динамического объекта с коррелированными входами...,71
Идентификация в задачах робастно-оптимального управления 74
Постановка задачи 75
Синтез робастно-оптимальной системы управления в случае возмущений типа «белый шум» 78
Робастно-оптимальный синтез при марковских возмущениях 83
Случай стационарных возмущений 85
ВЫВОДЫ 87
Глава 3. АЛГОРИТМЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПРОГРАММНЫХ АНАЛИЗАТОРОВ
ЛОГИСТИЧЕСКОГО ЦИКЛА ПРОИЗВОДСТВА 88
Применение логистических концепций в стратегическом планировании и текущем управлении. 92
Применение современных методов теории управления в ERP-системах... 93
Робастно-оптимальные контроллеры в задачах управления запасами 95
3.4.Программные анализаторы в системах управления взаимоотношениями с
клиентами 97
3.4.1. Применение программных анализаторов в системах управления
задолженностью компании 100
3.4.2. Программные анализаторы для задач бюджетирования процесса отгрузки
готовой продукции 112
3.5. Программные анализаторы в системах управления ценообразованием...116
3.5.1 .Программные анализаторы прогнозирования спроса 121
3.5.2.Оценка эффективности рекламы 126
3.6. Виртуальные анализаторы эффективности программ стимулирования
сбыта 129
3.6.1.Программа стимулирования сбыта как объект инвестиционных
капиталовложений 129
3.6.2.Применение методики оценки экономической эффективности инвестиционного проекта для исследования эффективности программ
стимулирования сбыта 131
3.6.3. Адаптивные алгоритмы программных анализаторов в системах
стимулирования сбыта 135
ВЫВОДЫ 137
Глава 4. ИНФОРМАЦИОННО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СТРУКТУРА
ПРОГРАММНЫХ АНАЛИЗАТОРОВ 139
4.1. Основные этапы синтеза программных анализаторов 140
4.2. Интерактивное взаимодействие программных анализаторов с
информационно-управляющими комплексами предприятия 145
4.3.Информационно-функциональная структура программных анализаторов.152
4.4. Примеры структур программных анализаторов 154
Структура программного анализатора качества технологических процессов непрерывного и полунепрерывного типа 154
Структура программного анализатора системы управления маркетингом 156
4.4.3. Структура программного анализатора эффективности маршрутов
авиарейсов 161
ВЫВОДЫ : 174
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ПРОГРАММНЫХ НАЛИЗАТОРОВ 176
5.1. программный анализатор содержания Р205 в готовом продукте для
процесса производства гранулированного аммофоса 177
5.1.1 .Оценка достижимой точности прогнозирующей модели 179
5.1.2. Оценка достижимой точности управления 180
5.1.3.Структура программного анализатора содержания Р205 в
аммофосе 181
5.2. Программный анализатор качества дистиллятов установки замедленного
коксования 21-10/ЗМ ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМНЕФТЕОРГСИНТЕЗ» 189
Схема установки замедленного коксования 21-10 и управление блоком фракционирования установки 191
Перечень показателей, характеризующих качество дистиллятов 193
Получение и первичная статистическая обработка данных функционирования технологического процесса 194
Выявление информативных параметров 195
5.2.5.Структура программного анализатора прогноза качества
дистиллятов 196
Результаты моделирования 198
Разработка адаптивной динамической математической модели блока ректификации установки замедленного коксования 21-10/ЗМ 208
Структура программного комплекса системы прогнозирования качества дистиллятов 209
5.3. Программный анализатор прогноза качества синтеза высокодисперсных
магнетитов 211
Характеристика процесса синтеза высокодисперсного магнетита как объекта управления. Общие сведения о свойствах магнетита. Краткое описание процесса синтеза магнетита 212
Применение адаптивных алгоритмов с зоной нечувствительности для
исследования процесса синтеза магнетита 219
ВЫВОДЫ 221
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 223
ЛИТЕРАТУРА 227
ПРИЛОЖЕНИЕ 250
Введение к работе
Аісгуальность темы диссертации. Необходимость разработки методов идентификационного анализа и создания на их базе программных анализаторов в задачах автоматизации технологического и логистического циклов производства обусловлена интенсификацией использования современных информационных технологий в промышленности и сфере услуг. Достижение конкурентного преимущества в условиях современного динамичного рынка для производителей становится невозможным без обеспечения максимально возможной информационной прозрачности и принятия оптимальных управленческих решений.
Существенное продвижение в области создания высокотехнологичных программных и аппаратных средств обусловило реальность оперативного и достоверного информационного обеспечения технологического персонала и лиц, принимающих административно-хозяйственные решения. Значительные успехи достигнуты в области развития средств отображения технологической информации, систем хранения больших массивов технологических данных, систем мониторинга производственной ситуации и поддержки принятия решений на их основе. Значительным и мощным средством оперативного управления явилось создание корпоративных баз знаний, что предоставляет возможность более глубокой проработки текущей технологической информации - как для целей управления, так и для анализа внештатных ситуаций. Наряду с этим для формирования единой информационно-управленческой структуры необходимо обеспечение корректного обмена данными между разнородными приложениями, т.е. создание единого информационного пространства предприятия, гарантирующего мобильную надежную связь всех его подсистем. Существенную проблему представляет также доминирование скорости развития информационных технологий над темпом обновления производственного оборудования. Преодоление этих трудностей ведется по трем основным направлениям: стандартизация, использование связующего программного обеспечения, внедрение глобальных промышленных серверов.
С другой стороны, подведение единого информационного фундамента позволит преодолеть непродуктивность разделения тактических задач оперативного управления технологическими процессами и стратегических
задач управления производством, все еще практикуемого сегодня на предприятиях. Практика подтверждает, что для решения задач управления на всех уровнях (задачи программирования логических контроллеров - PLC (Programmable Logic Controller), АСУТП - автоматизированные системы управления технологическими процессами (в современной терминологии это системы типа SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition) или DCS (Distributed Control Systems), системы оперативного управления производством - MES (Manufacturing Execution Systems), наконец, системы класса ERP (Enterprise Resource Planning) - планирование ресурсов предприятия или MRP, или II (Manufacturing Resource Planning) - планирование ресурсов производства) могут быть использованы одни и те же информационные массивы и применены идентичные алгоритмические средства. Текущая технологическая информация, содержание архива (с возможностью восстановления производственных ситуаций прошедших периодов) и содержание базы знаний предприятия предоставляют возможность построения в режиме реального времени моделей любого звена всей цепочки производства, охватывая как технологический цикл, так и административно-хозяйственный и маркетинговый процессы, относящиеся к логистическому циклу.
Идентификационный анализ представляет собой процесс разработки, адаптивной настройки и использования в реальном времени - с целью управления либо информационной поддержки - моделей производственных процессов в условиях единого корпоративного информационного пространства.
Особенность функционирования программно-алгоритмических
комплексов, называемых программными анализаторами, реализующих подход к построению моделей на базе идентификационного анализа, заключается в том, что они осуществляют построение модели конкретного производственного процесса, используя (помимо текущих и архивных данных) модели на других уровнях производственного управления. При этом существенно, что результаты моделирования различных участков производственного процесса не становятся элементами сложной модели на более высоком уровне, а лишь формируют для нее значения вектора входной информации. По сути, недостаточность априорной информации об
исследуемом процессе компенсируется дополнительными (виртуальными) измерениями. Поэтому программные анализаторы часто называют виртуальными анализаторами.
Основополагающими в концепции программных анализаторов являются два аспекта. Во-первых, независимо от моделей и методов, на основе которых они функционируют, идентификационный анализ реализует адаптивный подход к настройке моделей. При построении таких моделей используется весь спектр опытных данных (оперативных, архивных, ретроспективных - из базы знаний и экспертных заключений, текущих значений параметров моделей на других участках). Во-вторых, в качестве дополнительного источника априорной информации для идентификации исследуемого процесса могут использоваться модели других производственных процессов, и, кроме того - рекомендуемые управляющие воздействия различных регуляторов (которые, возможно, функционируют только в режиме советчика).
По сути, идентификационный анализ представляет собой расширение идентификационного подхода к построению моделей, ставшего возможным в условиях функционирования на предприятиях распределенных информационных систем.
Соответственно, в современных программных анализаторах может быть использован широкий спектр как традиционных алгоритмов и методов анализа данных и теории управления, так и относительно авангардных (нейронные сети, нечеткая логика, генетические алгоритмы). В диссертационной работе наряду с разработкой методов решения задач идентификации, эффективных в рамках определенных технологических условий, представлена методология синтеза на основе этих алгоритмов программных анализаторов для всех уровней производственного управления.
Практика подтверждает, что для решения задач управления на разных уровнях производства могут быть использованы одни и те же информационные массивы и применены идентичные алгоритмические средства. В случае если точность и эффективность идентификационного анализа оказываются удовлетворительными в соответствии с выбранным критерием, модели,
полученные с помощью программных анализаторов, могут быть использованы в реальных системах управления.
Вышеперечисленные факторы определяют актуальность выполненных в диссертации исследований по построению теоретических основ идентификационного анализа, методологии программных анализаторов и их внедрению.
Целью диссертационной работы является создание концепции идентификационного анализа, методологии разработки и методов функционирования программных анализаторов технологического и логистического циклов производства, а также анализ возможности использования разработанных методов для широкого круга производственных задач. Полученные в работе результаты направлены на теоретическое обоснование и решение важной практической задачи: создание интеллектуальной основы интегрированных информационно-управляющих структур на производстве.
Методы исследования базируются на использовании математического
аппарата теории идентификации, адаптивного управления, методов
статистической обработки данных и статистического моделирования для
анализа и оптимизации систем.
Научная новизна работы состоит в следующем:
На основе теоретического анализа и комплекса практических исследований предложена методика сбалансированного решения в режиме реального времени задач производственного управления разных уровней, основанная на использовании виртуальных измерений в условиях- единого информационного пространства, что расширяет объем априорной информации об объекте и способствует повышению точности модели.
На содержательном и структурном уровне выявлено функциональное назначение идентификационного анализа как интеллектуальной основы интегрированной информационно-управляющей структуры производства на базе современных информационных технологий, что определяет
новую методологию синтеза структуры корпоративных систем управления.
В результате исследований функциональных возможностей программных анализаторов создана концепция идентификационного анализа как реализации идентификационного подхода в интегрированных системах управления производством, позволяющая наиболее эффективно осуществлять разработку и настройку моделей производственных процессов.
Разработаны модели для программных анализаторов параметров технологических процессов, основанные на идентификации объекта с коррелированными во времени входами, но с независимыми компонентами. Предложены рекуррентные одношаговые алгоритмы идентификации с зоной нечувствительности с характеристикой, модифицированной посредством введения специальной рандомизированной матрицы.
Предложены модели программных анализаторов параметров технологических процессов, основанные на идентификации статических и динамических объектов при коррелированных компонентах вектора входов посредством рекуррентных одношаговых алгоритмов с зоной нечувствительности, обладающих хорошей помехоустойчивостью и высоким быстродействием.
Теоретически обосновано, что в условиях ограниченной неопределенности описания технологического процесса как объекта управления для разработки программных анализаторов концепция робастно-оптимального управления является наиболее актуальной.
Разработаны алгоритмы синтеза оптимальной робастной системы управления при возмущениях типа белого шума, марковской последовательности, стационарных процессов на основе идентификационного подхода к построению внутренних моделей внешнего возмущения.
Разработаны алгоритмы синтеза программных анализаторов для систем управления текущим коммерческим бюджетированием предприятий с использованием методов управления запасами.
Теоретически обоснована и практически апробирована возможность применения алгоритмов управления запасами для синтеза программных анализаторов систем управления ценообразованием продукции.
Предложен метод разработки программ стимулирования сбыта с применением моделей и алгоритмов оптимального планирования инвестиционных проектов.
Разработана типовая структура программных анализаторов.
Проведен анализ практического использования программных анализаторов непосредственно на технологических установках и в организационно-управляющих комплексах отечественных предприятий химической и нефтепереабатывающей промышленности и производства минеральных удобрений.
Практическая ценность , и реализация , результатов. Решение проанализированных в диссертации проблем позволяет проводить разработку и осуществлять практическое внедрение систем управления нового поколения для разных уровней интегрированных информационно-управляющих структур на производстве. Информационно-управляющие комплексы на базе программных анализаторов оперируют архивной, ретроспективной и текущей информацией на самом современном уровне, что позволяет наиболее эффективно осуществлять управление самыми разнообразными производственными процессами. Применение программных анализаторов качества параметров технологических процессов целесообразно для широкого класса процессов химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, пищевой промышленности, производств минеральных удобрений, строительных материалов и других отраслей.
Программные анализаторы процессов логистического цикла производства применимы как для промышленных предприятий, так и для предприятий производства услуг, торговых и транспортных компаний, предприятий финансовой сферы, авиакомпаний и т.д.
Практическая ценность полученных результатов подтверждается их использованием на предприятиях нефтеперерабатывающей промышленности
(«ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез») и производства минеральных удобрений (ОАО «Воскресенские минеральные удобрения»). Применение разработанного автором информационного, математического и программного обеспечения позволили достичь существенного экономического эффекта благодаря снижению запаса по качеству и сокращению выпуска некондиционной продукции. Для определения стратегии автоматизации технологических процессов целесообразным оказалось предварительно оценить ожидаемый технический эффект по данным о работе технологической установки в режиме нормальной эксплуатации, на базе которого может быть оценен и ожидаемый экономический эффект. Только на основе этого принимаются обоснованные решения о разработке конкретного программного анализатора технологического процесса и, на его основе - о возможной дальнейшей разработке систем управления различных уровней в режиме реального функционирования.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на: Всесоюзном совещании по проблемам управления (Алма-Ата, 1986 г.), 10-м симпозиуме IFAC «SYSID'94», (Копенгаген, Дания, 1994 г.), 4-й Международной конференции «Проблемы управления в чрезвычайных ситуациях» (Москва, 1997 г.), Международной научно-практической конференции «Управление большими системами» (Москва, 1997 г.), IV-m Международном семинаре «Комплексные исследования перехода России и других стран к устойчивому развитию с использованием математического моделирования» (Москва, 1998 г.), Международной конференции IFAC "Controi'98" (Суонси, Великобритания, 1998 г), Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления» (Москва, 2000 г.), Международных конференциях по проблемам управления. (Москва, 1999, 2003 г.г.), Международном симпозиуме IFAC по экономическому управлению (Клагенфурт, Австрия, 2001 г.), Международной конференции «Системный анализ и управление» (Евпатория, Украина, 2004 г.), IV Международном конгрессе «Машиностроительные технологи и'04» (Варна, Болгария, 2004 г.), Всероссийской научно-практической конференции Главных метрологов (Воскресенск, 2003, 2004 г.г.), Научно-техническом совете ОАО «Воскресенские минеральные удобрения» (Воскресенск, 2004 г.), Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления (SICPRO'04)» (Москва, 2004 г.),
Международной конференции «Проблемы управления и энергетики» (Тбилиси,
Грузия, 2004 г.), на пятой Всероссийской научно-практической конференции
«Информационные технологии в России» (Москва, 2004 г.,) на семинарах и
совещаниях Института проблем управления РАН.
Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 32
печатных работах.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, 12
приложений, содержит 249 стр. основного текста, 30 рис., 2 табл., список
литературы из названий.
