Содержание к диссертации
Введение
1. Формулирование проблемы 20
1.1. Описание зерновых и зерноперерабатывающих предприятий и компаний (ЗПК) как объектов управления 20
1.2. Основные производственные и бизнес процессы ЗПК 30
1.3. Анализ процесса и системы управления ЗПК 34
1.4. Анализ проблем, требований и известных решений по управлению производством для предприятий и компаний, действующих на рынках зерна и продуктов его переработки 46
1.5. Формулирование проблемы и постановка задачи управления производством для ЗПК 67
1.6. Заключение : 72
2. Разработка методологии моделирования систем управления производством для ЗПК 80
2.1. Система управления ЗПК как сложная интегрированная система 82
2.2. Анализ существующих методологий исследования и моделирования сложных организационно-технических систем управления 87
2.3. Разработка методологии моделирования систем управления производством (СУП) для ЗПК 102
2.4. Автоматизация концептуального моделирования систем управления на основе разработанной методологии 114
2.5. Заключение 116
3. Концептуальное моделирование подсистем управления зерновой и зерноперерабатьіваіощей компании 120
3.1. Моделирование подсистемы учёта и контроля
движения хлебопродуктов.(УКДХП) в ЗПК 120
3.1.1. Анализ функций первичного учёта и контроля движения хлебопродуктов (х/п) в ЗГЖ 120
3.1.2. Разработка и анализ диаграммы причинно-следственных связей (ДПСС) подсистемы УКДХП 124
3.1.3. Концептуальная модель подсистемы УКДХП 129
3.1.4. Математическая постановка задачи контроля
грузооборота зерна 133
3.1.5. Математическая постановка задачи первичного учёта х/п 135
3.2. Подсистема планирования работы элеваторно-складского
комплекса (ПРЭСК) ЗПК 146
3.2.1. Анализ подсистемы ПРЭСКЗПК 146
3.2.2. Разработка и анализ ДПСС подсистемы 149
3.2.3. Концептуальная модель подсистемы 153
3.3. Подсистема планирования зерновых ресурсов мукомольного производства (ПЗРМП) ЗПК 159
3.3.1. Анализ подсистемы ПЗРМП 160
3.3.2. Разработка и анализ ДПСС подсистемы 165
3.3.3. Концептуальная модель подсистемы 169
3.3.4. Математическая постановка задачи планирования закупок зерна. 171
3.3.5. Математическая постановка задачи планирования рецептов помольных смесей на период 1 3.3.6. Математическая постановка задачи оперативного расчета рецепта помольной смеси 175
3.3.7. Целевые функции подсистемы планирования зерновых ресурсов 177
3.4. Подсистема планирования производства комбикормов (ПИК) 179
3.4.1. Анализ подсистемы ППК 179
3.4.2. Разработка и анализ ДПСС подсистемы 184
3.4.3. Концептуальная модель подсистемы ППК 188
3.5. Заключение 190
4. Разработка банка математических моделей (бм) задач управления для ЗПК .194
4.1. Назначение, структура и принципы организации БМ для СУП ЗПК 194
4.2. Математические модели частных задач планирования производства в ЗПК 196
4.2.1. Модели планирования приёма, обработки и размещения зерна в элеваторно-складском комплексе 197
4.2.2. Модели оперативного расчёта рецептов помольных партий, планирования закупок зерна и производства муки на заданный период 204
4.2.3. Модели планирования рецептов, закупки сырья и загрузки технологических линий комбикормового производства 211
4.3. Формирование банка моделей задач управления для ЗПК 218
4.4. Оценка и идентификация разработанных моделей 226
4.5. Заключение 229
5. Выбор методов и разработка алгоритмов принятия решений в системе управления производством ЗПК 232
5.1. Постановка задачи выбора решений в СУП ЗПК 233
5.2. Оценка задач управления производством в ЗПК
и обоснование выбора методов их решения 235
5.3. Разработка алгоритма принятия решений по планированию производства в ЗПК 246
5.4. Адаптация моделей и алгоритмов принятия решений в соответствии с условиями функционирования ЗПК 253
5.5. Заключение 256
6. Разработка и внедрение корпоративной автоматизированной информационной системы управления для ЗПК 260
6.1. Корпоративная автоматизированная информационная система управления для зерновых и зерноперерабатывающих предприятий и компаний (КАИСУ ЗПК) 260
6.2. Методика проектирования, внедрения и сопровождения
подсистем КАИСУ ЗПК 264
6.3. Подсистемы первичного учёта и контроля грузооборота х/п в ЗПК...267
6.3.1. Автоматизированная система учёта и контроля грузооборота зерна в ЗПК («АСУКГО - зерно») 267
6.3.2. Автоматизированная система первичного учёта х/п 273
6.4. Подсистемы поддержки принятия решений производственно-хозяйственного планирования в ЗПК 278
6.4.1. Подсистема планирования зерновых ресурсов мукомольного производства 278
6.4.2. Подсистема планирования работы элеватора 290
6.4.3. Подсистема планирования производства комбикормов 293
6.4.4. Подсистема планирования операций по торговле зерном
6.5. Архитектура АИС ПР «Оптимум-зернопродукт» 305
6.6. Оценка эффективности КАИСУ ЗПК на основе разработанных методов, моделей и подсистем управления
6.6.1. Расчет помольных партий на основе методики и алгоритма принятия решений по планированию производства в ЗПК 311
6.6.2. Расчёт отгрузочных партий зерна на элеваторе 320
6.6.3. Расчёт операций по торговле зерном 321
6.6.4. Оценка экономической эффективности системы 325
6.7. Заключение 331
Заключение 334
Список литературы
- Основные производственные и бизнес процессы ЗПК
- Разработка методологии моделирования систем управления производством (СУП) для ЗПК
- Разработка и анализ диаграммы причинно-следственных связей (ДПСС) подсистемы УКДХП
- Модели планирования рецептов, закупки сырья и загрузки технологических линий комбикормового производства
Введение к работе
Актуальность исследования. На современном этапе развития научно-технического прогресса в области агропромышленного комплекса (АПК) фундаментальной проблемой является недостаточно эффективное управление его важнейшим – зерновым сектором, являющимся одним из основных рыночных и стратегических ресурсов, необходимых для сохранения и обеспечения нормального развития государства и нации.
В России, как и во многих других странах, зерно и продукты его переработки, традиционно называемые хлебопродуктами (х/п), составляют основу агропромышленного производства и продовольственной безопасности страны. Зерновой и зерноперерабатывающий секторы составляют около трети АПК России. При этом качество зерна, выращиваемого в России, сильно различается из-за большого диапазона климатических условий в зернопроизводящих регионах, а расстояния между производителями и потребителями хлебопродуктов очень велики. Это влияет на себестоимость и соответственно на цены х/п.
В России и ближнем зарубежье исторически сложилась ситуация избытка производственных мощностей по переработке зерна при их неравномерном распределении по территориям стран. С учётом давления внешнего рынка внутри России возникла жёсткая конкуренция между производителями как на сырьевых рынках, так и особенно на рынках муки, комбикормов и др. Причём рентабельность подавляющего большинства производств крайне низкая (от 0 до 5-7%), несмотря на высокие показатели интеграции производственных и торговых предприятий в отраслевые и межотраслевые холдинги с достаточно квалифицированным уровнем топ-менеджмента.
Это позволяет утверждать, что основными инструментами, которые могут обеспечить успешное функционирование и развитие российских зерновых и зерноперерабатывающих предприятий и компаний (далее ЗПК) в условиях высокой конкуренции на внутренних и перспективных внешних рынках, являются более совершенные системы управления производством (СУП). И чем больший цикл функций управления они охватывают, чем выше их техническо-экономические показатели и ниже доля в себестоимости продукции, тем выше инвестиционная привлекательность ЗПК и их шансы на эффективную работу на традиционных продовольственных рынках и освоение новых.
Основным направлением повышения качества СУП для ЗПК является их комплексная автоматизация, интеллектуализация, интеграция, приближённость к клиентам, гибкость и постоянная адаптация к изменяющимся условиям рынка на основе учёта большого числа необходимых формализуемых и слабоформализуемых факторов с применением системного подхода, интегрирующего цикл функций управления: сбор информации, контроль, учёт, регулирование, планирование, организация, целевое управление и координация.
Важнейшими функциями СУП для ЗПК являются учёт, контроль и планирование зерновых ресурсов, обеспечивающие их рациональное использование и снижение себестоимости х/п.
Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные системы и вычислительная техника» (АС и ВТ) ГОУВПО МГУПП. В диссертации обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в период с 1988 г. по 2010 г. лично автором или при его непосредственном участии в качестве ответственного исполнителя в рамках хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ. Под научным руководством автора защищена кандидатская диссертация.
Целью работы является повышение эффективности функционирования зерновых и зерноперерабатывающих предприятий и компаний на основе современных информационных технологий управления сложными производственными системами и бизнес-процессами по циклу функций учёта, контроля и поддержки принятия решений по планированию производства.
Объектом исследования являются зерновые и зерноперерабатывающие предприятия и компании, которые осуществляют закупку, приём, хранение, реализацию и отгрузку зерна, его переработку в муку, комбикорма и др. виды хлебопродуктов и представляют большой класс типовых объектов автоматизации в самом крупном рыночном секторе АПК РФ.
Предметом исследования являются методы моделирования организационно-технических систем управления производством, модели задач учёта, контроля и планирования для класса объектов – зерновых и зерноперерабатывающих предприятий и компаний.
Основными задачами исследования, которые необходимо решить для достижения поставленной цели, являются следующие.
1. Анализ производственных бизнес-процессов, стратегий, функций, проблем и существующих решений по управлению на ЗПК, методов исследования и моделирования сложных организационно-технических систем.
2. Формулирование проблемы и общая постановка задачи управления производством на ЗПК.
3. Разработка методологии моделирования систем управления для ЗПК как специфического класса сложных производственных систем с характерными особенностями и соответствующей программной нотации.
4. Концептуальное моделирование подсистем и математическая постановка задач управления производством для ЗПК на основе разработки структур целей, причинно-следственных граф-моделей и теоретико-множественных представлений.
5. Разработка математических моделей процессов производственного планирования для ЗПК: приёма, обработки, размещения, реализации и отгрузки зерна на элеваторе, закупки зерна, формирования зерновых смесей и загрузки производственных линий для мукомольного и комбикормового производств и построение на их основе банка математических моделей СУП ЗПК.
6. Разработка алгоритмов принятия решений по планированию производства на основе постановки общей задачи выбора решений по управлению в ЗПК
7. Разработка методов адаптации моделей и алгоритмов принятия решений в соответствии с условиями функционирования ЗПК.
8. Разработка методики проектирования, внедрения и сопровождения и архитектуры программного обеспечения системы поддержки принятия решений (СППР) корпоративной автоматизированной информационной системы управления (КАИСУ) ЗПК.
9. Разработка типовых подсистем управления КАИСУ ЗПК на основе разработанных методов и моделей.
10. Внедрение и оценка эффективности разработанных моделей, методов, алгоритмов и типовых подсистем управления для ЗПК России.
Методы исследования. Для решения основных задач исследования в работе использованы следующие теории и методы: теория систем и системный анализ, теория управления, теория автоматического управления, теория больших систем, теория иерархических многоуровневых систем, теория множеств, векторная алгебра, теория информации, теория графов, когнитивные технологии моделирования, структурно-функциональное и информационное моделирование, методы исследования операций, методы производственного менеджмента, методы планирования, методы целевого управления, методы процессного управления, линейное и линейное целочисленное программирование, методы постепенной формализации моделей, методы принятия решений.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.
1. Впервые на основе системного подхода в многомерном пространстве бизнес-процессов разработана общая структурно-функциональная модель системы и математическая постановка задачи управления производством для ЗПК в теоретико-множественном представлении (ТМП), включающая множества целей, критериев, возмущений, управлений и состояний системы на различных временных горизонтах управления.
2. Разработана методология моделирования сложных систем управления применительно к ЗПК на основе интеграции системного, причинно-следственного, кибернетического, процессного и функционального подходов, когнитивных технологий, концептуального моделирования в ТМП и методов математического программирования, которая, в отличие от известных методологий, наряду с интеграцией подходов, позволяет автоматизировать процесс формирования концептуальных моделей и математических постановок задач для сложных систем управления производством для класса предприятий.
3. Разработаны концептуальные причинно-следственные и теоретико-множественные модели подсистем и постановки задач учёта, контроля и планирования производства от приёма зерна до реализации хлебопродуктов на элеваторах, мукомольных и комбикормовых предприятиях, что позволило создать систему типовых взаимосвязанных моделей актуальных задач управления для ЗПК.
4. Разработаны математические модели процессов: планирования приёма, обработки и размещения зерна; оперативного расчёта рецептов и планирования помольных и отгрузочных партий зерна, планирования закупки зерна для производства муки; планирования рецептов, закупки сырья и загрузки технологических линий комбикормового производства в выражениях векторной алгебры.
5. Впервые предложена идея создания и использования методов адаптивного оптимального управления на основе банка математических моделей как специального структурированного множества типовых модельных компонентов (ТМК) для ЗПК, формирования из них модельных агрегатов (МА) и синтеза СУ в соответствии с принципами подобия и аналогий. Разработан комплекс ТМК для задач оптимального планирования производства и алгоритм наполнения БМ.
6. Разработана постановка задачи многокритериального выбора и алгоритм принятия решений по планированию производства в ЗПК, использующий методы: декомпозиции и агрегирования, смешанного целочисленного линейного программирования, диалогового итерационного поиска и координации критериев и решений и реализующий адаптивное управление предприятием.
7. Разработан метод адаптации моделей и алгоритмов принятия решений по планированию производства в ЗПК на основе методики постепенной формализации моделей.
8. Разработаны комплексы структурно-функциональных моделей, моделей потоков данных и информационных моделей подсистем учёта, контроля, планирования производства и торговли хлебопродуктами для ЗПК.
Практическую ценность работы составляют следующие полученные результаты.
-
-
Разработано программное обеспечение для построения системных диаграмм и концептуального моделирования - SDCM, являющееся CASE-средством графического моделирования причинно-следственных связей и постановки задач управления для сложных систем, доступная для специалистов предприятий.
-
Разработан банк моделей задач планирования для СУ ЗПК, который позволяет решать различные задачи планирования для элеваторных, мукомольных, комбикормовых, торговых и др. производственно-хозяйственных подразделений ЗПК и близких отраслей.
-
Разработана методика адаптации моделей и алгоритмов принятия решений по планированию производства для ЗПК, которая позволяет учитывать опыт специалистов, снизить трудоемкость внедрения и сопровождения комплекса типовых подсистем управления КАИСУ ЗПК.
-
Разработана методика проектирования, внедрения и сопровождения подсистем управления для ЗПК, позволяющая на основе настройки типовых решений сочетать этапы проектирования, обучения, тиражирования и сопровождения систем.
-
Разработаны подсистемы: учёта и контроля грузооборота зерна на автотранспорте (а/т); первичного учёта х/п; СППР планирования работы элеватора, оптимального расчёта рецептов помольных смесей и зерновых смесей для отгрузки на элеваторе, планирования закупки зерна, загрузки линий комбикормового производства и планирования операций по торговле зерном на внутреннем рынке. Данные подсистемы являются компонентами КАИСУ ЗПК.
Реализация научно-технических результатов работы.
1. Разработанные в рамках настоящего исследования методология моделирования сложных систем управления для ЗПК, программная нотация построения системных диаграмм и концептуального моделирования SDCM, методика адаптации моделей и алгоритмов принятия решений в соответствии с условиями функционирования ЗПК и методика проектирования, настройки, внедрения и сопровождения разработанных подсистем управления КАИСУ ЗПК используются на кафедре АС и ВТ МГУПП при проектировании, внедрении и сопровождении подсистем учёта и контроля грузооборота х/п и поддержки принятия решений по планированию производства в ЗПК, а с 2008г. используются в учебном процессе в курсовом и дипломном проектировании.
2. Подсистема первичного учёта х/п на базе автоматизированой информационной системы комбината хлебопродуктов (АИС КХП) внедрена на нескольких десятках предприятий РФ, в т.ч.: ОАО «Мурманский КХП», ОАО «Хлеб Кубани», Ялуторовском КХП, ОАО «Хлебоприёмное предприятие Отрешково», ООО «Бунге СНГ» филиал в Колодезном, ОАО «Элеватор» (г. Будёновск), ОАО «Усть-Лабинский КХП», ОАО «Камышинская зерновая компания», ОАО «Верхнехавский элеватор», ОАО «Ростовский зерновой терминал», ОАО «Зерновой терминал «Волга» (г.Кинешма), ОАО «Тульский КХП» и др. Внедрение данной подсистемы позволило устранить дублирование, повысить оперативность и достоверность информации, эффективность использования зерновых и финансовых ресурсов, обоснованность управленческих решений, производительность труда.
Подсистема первичного учёта х/п используется в учебном процессе ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» (БГАУ), МГУПП и НОУ ДПО «Международная промышленная академия» (МПА).
На комплексы задач учета качества хлебопродуктов в зерновой и мукомольной производственно-технологических лабораториях (УКХ ПТЛ) и учета зачистки на элеваторах и складах хлебоприемных и зерноперерабатывающих предприятий получены свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ. За УКХ ПТЛ автор награждён дипломом за I место в Первом Всероссийском смотре на лучшую изобретательскую и рационализаторскую работу в мукомольно-крупяной промышленности (Москва, 2006 г.).
4. Автоматизированная система расчёта оптимальных рецептов помольных смесей (АСР ОРПС) внедрена на предприятиях: ОАО «Мурманский КХП», ОАО «Раменский КХП», ОАО «Усть-Лабинский КХП», ОАО «Элеватор», а также используется в учебном процессе БГАУ, МГУПП и МПА. За АСР ОРПС автор награждён дипломом за II место во Втором Всероссийском смотре на лучшую изобретательскую и рационализаторскую работу в мукомольно-крупяной промышленности (Москва, 2008 г.). На АСР ОРПС получено свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ.
5. СППР планирования производства комбикормов внедрена в ОАО «Мурманский КХП» и позволяет оптимизировать загрузку линий комбикормового цеха.
6. Автоматизированная информационная система поддержки принятия решений по закупкам и продажам зерна (АИС ПР «Торговля зерном») внедрена в компании «Разгуляй Зерно» и позволяет оптимально планировать как отдельные сделки, так и пакеты торговых сделок на внутреннем рынке зерна.
7. Для автоматизированной системы учёта и контроля грузооборота зерна разработаны технические задания на внедрение в ОАО «Ростовский зерновой терминал», ООО «Элеватор» (Воронежская обл.) и ЗАО «Орёл Нобель Агро».
Апробация работы. Основные результаты выполненных исследований были представлены на следующих научных конференциях, выставках и съездах: I Всероссийской научно-практической конференции (НПК) «Современные информационные технологии и системы для отраслей агропромышленного комплекса», Москва, 1999 г.; II международной научной конференции (НК) «Управление свойствами зерна в технологии муки, крупы и комбикормов», Москва, 2000 г.; Юбилейной международной НПК «Пищевые продукты XXI века», Москва, 2001 г.; IV международной НПК «ХЛЕБОПРОДУКТЫ-2002», Одесса.; VI специализированной выставке-конференции «Управление 2002 (методы, средства, технологии)», Москва; Всероссийской научно-технической конференции и выставке (НТКВ)«Качество и безопасность продовольственного сырья и продуктов питания», Москва, 2002 г.; I и II Всероссийском конгрессе зернопереработчиков и хлебопеков «Нивы России», Барнаул, 2001 г. и 2003 г.; международных выставках «Зерно – Комбикорма – Ветеринария», Москва, 2002-2006 г.г.; XI, XII, XIII и XIV международной НПК «Системный анализ в проектировании и управлении», Санкт-Петербург, 2007-2010 г.г.; I и II Всероссийской НТКВ «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации», Москва, 2003 г. и 2004 г..; III международной конференции (МК) «Управление технологическими свойствами зерна», Москва, 2005 г.; III МК «Качество зерна, муки, хлебобулочных и макаронных изделий», Москва, 2006 г.; , Москва; , Москва.; , Москва, 2009г.; МК «», Москва, 2010 г.
Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 114 научных и учебно-методических работ, в том числе 36 статей в журналах, рекомендованных ВАК, получено авторское свидетельство об изобретении и 7 свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы, перечня сокращений и приложений. Общий объем работы составляет 450 страниц. Структура работы приведена на рис.1.
Рис.1. Структура диссертационной работы
Основные производственные и бизнес процессы ЗПК
Объекты хранения и переработки зерна в нашей стране имеют давнюю и богатую историю, их корни уходят в средние века. Но в определённую систему они организовались в конце XIX века, а более стройную - в 20-е - 30-е годы XX века. В этот период своего становления огромный вклад в её развитие внесли такие учёные и практики, как К.А.Зворыкин, П.А.Козьмин, Н.П.Козьмина, Я.Н.Куприц и др. В послевоенные годы и вплоть до 60-х годов предприятия этого профиля были объединены в т.н. отрасль заготовок под руководством Министерств заготовок Союза и республик ССР. В этот период отрасль динамично развивалась, по всей стране строились новые элеваторы, мукомольные и комбикормовые предприятия. К началу Перестройки их общее число в России насчитывало порядка 3000 [214]. В это время отраслевая наука была представлена и развивалась трудами- таких известных учёных, практиков, как Л.А.Трисвятский, Л.Е.Айзикович, В.В.Гортинский, М.М.Гернет, Е.Д.Казаков, П.П.Тарутин, С.Е.Мамбиш, Л.А.Гафнер, Б.М.Максимчук, В.С.Пальцев, Г.С.Зелинский, В.А.Резчиков, А.П.Гержой, Б.Е.Мельник, А.Е.Юкиш, В.Л.Кретович, Д.В.Шумский, О.Д.Шумский, А.С.Гинсбург, А.Я.Соколов, К.П.Фролов, П.Н.Платонов, А.М.Дзядзио, Е.М.Мельников, А.Р.Бобров, А.С.Данилин и многие другие [102]. Научно-технический прогресс оказал большое влияние и на развитие автоматизации в отрасли. Этим вопросам были посвящены работы таких учёных и практиков Московской, Одесской и других отраслевых научных и производственно-административных организаций (ВНИИЗ, МТИПП, Минзаг РСФСР, ОТИПП, НПО «Пищепромавтоматика»), как П.Н.Платонов, А.Т.Птушкин, Н.В.Остапчук, О.А.Новицкий; Ю.А.Фомин, А.Д.Глисберг, Н.Б.Гержой, Н.И.Луткин, П.В.Артимович, Б.А.Штительман, В.А.Хобин, и др. В начале 70-х годов система была окончательно сформирована в отрасль хлебопродуктов, а в начале 80-х в неё были включены также хлебопекарные предприятия: В 1992 г., после распада союзного государства и с началом нового, либерального периода жизни нашей страны отрасль хлебопродуктов в России какое-то время; ещё существовала, частично объединённая в ОАО ФКК «Росхлебопродукт» и региональные объединения хлебопродуктов, но затем распалась на отдельные акционерные общества и предприятия, которые стали выживать в рыночных условиях кто как сможет. Но традиции, технологии и отчасти квалифицированные кадры сохранились, и в процессе приватизации и последующей концентрации производства и бизнеса в целом, связанного с рынками зерна и продуктов его переработки образовались новые, относительно устойчивые производственно-хозяйственные структуры, которые мы и определили в данной работе как зерновые и зерноперерабатывающие предприятия и компании (ЗПК).
ЗПК мы будем называть, предприятия; и их объединения, осуществляющие какие-либо из следующих операций: закупка зернового сырья его приём,, размещение, обработка, хранение и отгрузка потребителям, переработка в муку, крупу, комбикорма идр; виды продукции: из зерна (отруби, растительное масло, солод и т.п.) и зерновые отходы, реализацию зерна и продуктов его переработки на внутреннем и внешнем рынках.
ЗПК могут включать в себя элеваторы или хлебоприёмные предприятия со складской ёмкостью, мукомольные заводы различного вида помолов (ржаного, пшеничного хлебопекарного или макаронного), комбикормовые заводы различного типа крупозаводы по переработке разных зерновых культур (пшеница, горох, ячмень, овёс, кукуруза, гречка, рис и др.), предприятия торговли (магазины, торговые дома) и побочные производства. К ЗПК также могут быть отнесены маслозаводы с зерновыми элеваторами или зерновые терминалы, осуществляющие приём, обработку, хранение и перевалку зерна с одного вида транспорта на другой. Для зернового бизнеса характерна высокая степень интеграции производства и управления как по вертикали, так и по горизонтали, которая охватывает: производство и сбор зерна, его приёмку в хранилища, обработку (сушку, очистку, активное вентилирование), размещение и хранение на элеваторах и зерноскладах, отгрузку и транспортировку на другие (перевалочные или производственные) элеваторы или на перерабатывающие предприятия, где зерно проходит дополнительную обработку, смешивание, и из него вырабатывается мука, крупа различных видов и сортов, большой ассортимент комбикормов (для животноводства, птицеводства, рыбы и т.д.), растительное масло и др. с последующей реализацией потребителям через торговлю или для дальнейшей переработки.
Организационная структура ЗПК определяется типом и степенью его интеграции в компании, то есть зависит от того, является ли элеватор или зерноперерабатывающий цех единственным зерновым производством на предприятии или имеется несколько различных цехов (заводов), входит ли предприятие в зерновой или многопрофильный холдинг и т.д. Чаще всего структура ЗПК бывает двух типов: централизованная, если производственные, коммерческо-сбытовые и административно-хозяйственные подразделения компании находятся на общей (или близких ней) производственной площадке и представлены единым (в отдельных случаях несколькими) юридическим лицом; распределённая, если соответствующие подразделения находятся на удалении друг от друга, являются различными юридическими лицами, связанными общими производственно-экономическими целями и. подчиняются управляющей компании, часто, берущей на себя коммерческо-сбытовые функции, финансовое управление и вопросы обеспечения и развития всей производственно-хозяйственной группы (холдинга).
Одним из вариантов ЗПК является комбинат хлебопродуктов (КХП) в составе элеватора, мукомольного (крупяного) и комбикормового заводов, находящихся на одной производственной площадке. На КХП производство является практически безотходным: отруби, мелкие фракции зерна, кормовые отходы, получаемые на мельзаводе или крупоцехе, в полном объеме используются в комбикормовом производстве. Структурно-функциональная схема основных производственных процессов в ЗПК приведена на рис. 1.1.
На основе изучения трудов вышеупомянутых учёных и специалистов системы хранения и переработки зерна [79, 80, 219, 223, 4, 64, 194, 41, 244, 36, 27, 48], публикаций, касающихся специфических отраслевых бизнес-процессов [88, 197, 179, 184, 185, 183, 186, 178, 77, 94, 100, 220], а также на основе опыта работы коллектива сотрудников научной лаборатории кафедры «Автоматизированные вычислительные системы и вычислительная техника» МГУПП при участии- автора с предприятиями и организациями отрасли хлебопродуктов [71, 163, 164, 72, 167, 152, 151, 123, 157, 145, 140, 131, 170, 107, 129, 134, 106, 42, 139, 99, 130, 143], можно сформулировать специфику ЗПК с позиции СУ.
Разработка методологии моделирования систем управления производством (СУП) для ЗПК
Любая научно-исследовательская и практическая деятельность проводится на базе методов, методик и методологий. С этой точки зрения понятие методологии представляет собой совокупность методов, правила их распределения и назначения, а также шаги работы и их последовательность [75]. Другими словами методология является логически и процедурно организованной последовательностью операций.
Известно, что подход к решению проблем управления — это способ обоснования методологии решения, первый шаг к решению проблемы [212].
Существует несколько основных методологических подходов к исследованию систем управления [113, 229, 73]: 1. Диалектический или причинно-следственный подход - всеобщая взаимосвязанность явлений и их развитие. В его рамках используются принципы: от абстрактного к конкретному; единство и противоположность анализа и синтеза, логического и исторического, причины и следствия, разнокачественность связей и их взаимодействие в системе и др.; 2. Системный подход — неразрывно связан с диалектическим и предполагает исследование объекта как целостной совокупности составляющих его взаимосвязанных элементов. 3. Процессный подход - рассматривает управление как непрерывное выполнение комплекса взаимосвязанных между собой операций, и функций, преобразующих входные ресурсы (включая информационные) в соответствующие выходные (результирующие). 4. Ситуационный подход - это методология исследования причинности проблем, вызванных конкретными условиями и обстоятельствами с использованием преимущественно типовых процедур и оперативной информации об изменении состояния внешней среды и объекта. 5. Функциональный подход - рассматривает систему управления с позиций внешней среды, воздействующей на объект, представляемый в виде «чёрного ящика». 6. Рефлексивный подход - предполагает изучение реакции системы на возмущающие воздействия. 7. Кибернетический подход - особое внимание обращает на контуры обратных связей (ОС), посредством которых осуществляется управление в системе.
Кибернетический подход играет особую роль в исследовании систем управления и совокупности с процессным, функциональным и рефлексивным подходами предполагают исследование объекта как «чёрного ящика» (процесса), преобразующего ресурсы (материальные, информационные) в результаты (обновлённые ресурсы) и реагирующего на возмущения с отражением рефлексии в виде прямых и обратных связей с собой и другими объектами.
Обобщённый алгоритм исследования систем, приведённый в работе [29] и применяемый к системам управления в любой предметной области, включает этапы: определение объекта, предмета (совокупность, свойств), целей,1 задач (что надо сделать для достижения целей) исследования, методов их решения, процедура исследования, формирование результатов, проверка степени достижения целей исследования и выводы. Методы анализа и синтеза систем могут быть классифицированы как: теоретические (методы формализации, аксиоматизации, идеализации, восхождения от абстрактного к конкретному); эмпирические (методы измерения, сравнения, экспериментальные) и-теоретико-эмпирические (методы абстрагирования, индукции и дедукции, моделирования).
В методологии моделирования систем управления производством применительно, к ЗПК в той или иной степени используются многие из вышеуказанных подходов и методов. 2.1. Система управления ЗПК как сложная интегрированная система
Потребность в использовании понятия «система» для обозначения различных объектов появилась ещё со времён Аристотеля, который обратил внимание, что целое несводимо к сумме частей, его образующих.
Понятие «системы» является базовым в изучении теории систем, основателями которой считаются А.А.Богданов [17] и Л. фон Берталанфи, давший определение системе как «совукупности элементов, находящихся в определянных отношениях друг с другом» [178]. Несколько позднее Ф.Е.Темниковым, В.И.Вернадским, У.Р. Гибсоном, П.К. Анохиным, М.Г.Газе-Раппопортом в определение системы в качестве системообразующего критерия вводится понятие цели. Затем У.Россом Эшби в определение системы было введено понятие наблюдателя и наконец Ю.И.Черняк дал комплексное определение системы (S) как «отображение на языке наблюдателя (исследователя, конструктора) объектов, отношений и их свойств в решении задачи исследования, познания», которое в теоретико-множественном представлении представляется следующим образом: S = А, Qa, R, Z, N , где А - множество элементов {ш}, Qa — множество свойств элементов, R- множество связей {rj}, Z - множество целей (структура целей), N - наблюдатель с его видением и языком описания (моделирования).
В работах И.В.Блауберга, В.Н.Садовского, Э.Г.Юдина выделены наиболее существенные признаки и свойства систем и дано определение системы как «совокупности элементов, находящихся в отношениях и связях между собой и образующих определённую целостность, единство» [30]. В.С.Анфилатов, А.А.Емельянов и А.А.Кукушкин обобщили понятие системы (назвав его «рабочим») в виде следующего определения: «Под системой в общем случае понимается совокупность элементов и связей между ними, обладающая определённой целостностью» [9].
В своей работе [171] Ф.И.Перегудов и Ф.П.Тарасенко подчёркивали, что понятие системы может иметь много определений ввиду различных подходов к их моделированию, а также в силу развития систем и представления о них на различных стадиях изучения и построения. Исходной же точкой в определении понятия системы они считали следующее: «Система есть средство достижения цели».
Как средство исследования системы, положенное в основу концепции деятельности, разработанной в трудах В.Н.Волковой [30], целесообразно также её определение с точки зрения совокупности укрупнённых компонент, необходимых для её существования и функционирования, в теоретико-множественном представлении имеющее следующий вид: S = Z, STR, TECH, COND , где Z - структура целей, STR - совокупность структур ( производственная, организационная и т.д.), ТЕСН - совокупность технологий (методы, средства, алгоритмы, и т.п.), COND - условия существования системы (внешние и внутренние). М.Месарович подошёл к понятию системы с кибернетической позиции и определил её как отображение входов и состояний объекта в выходах объекта [108]. Воронов А.А. подошёл к системе с точки зрения теории автоматического і управления и определил её как «полный, целостный набор элементов, взаимосвязанных между собой так, чтобы могла реализоваться функция системы» [32].
Разработка и анализ диаграммы причинно-следственных связей (ДПСС) подсистемы УКДХП
На основе предложенной в главе 2 методологии моделирования СУП рассмотрена система первичного учёта и контроля х/п для ЗПК.
Проведён анализ подсистемы учёта и контроля движения хлебопродуктов на предприятии на примере приёма зерна с автотранспорта в период сдачи урожая, наиболее ярко представляющем специфику зерновой компании и определяющим её актуальность. Важной характеристикой данной подсистемы является нестабильность качества сырья на входе, отражающегося в виде большого числа показателей, изменяющихся в процессе хранения и переработки, влияющих на изменение массы партии зерна, а также многопоточность производства и, как следствие, многопередельность в учете.
Функции первичного учёта х/п во взаимодействии с функцией контроля (мониторинга) движения а/т с зерном на предприятии представляют собой единую интегрированную подсистему, для которой сформирована структура целей и определён перечень элементов-параметров, поддающихся сравнению.
Разработанная на основе применения программы SDCM диаграмма причинно-следственных связей (системная диаграмма) подсистемы позволила рассмотреть её как систему регулирования, представляющую собой интеграцию контуров положительных (усиливающих) и отрицательных (ослабляющих, компенсирующих) обратных связей, реализуемых на разных временных горизонтах (в виде задержек по времени).
Определены основные параметры подсистемы: входные возмущающие, входные управляемые, состояния и выходные результирующие.
На основе ДПСС разработана концептуальная модель подсистемы УКДХП в теоретико-множественном представлении. Выявлены актуальные задачи оперативного и тактического управления (учёта, контроля и планирования). Для последующего синтеза моделей логического уровня подсистема УКДХП рассмотрена с позиции соответствующих функциональных компонент (задач), из которых она состоит: планирование грузооборота зерна на элеваторе; контроль грузооборота зерна; учет грузооборота зерна.
На основе концептуальной модели подсистемы УКДХП проведена её функциональная декомпозиция и разработаны математические постановки задач контроля грузооборота зерна на а/т и учёта грузооборота зерна
Аналогично системе УКДХП в соответствии с методологией, разработанной в главе 2, проведено исследование и концептуальное моделирование других подсистем управления для ЗПК: элеваторно-складского, мукомольного и комбикормового производств.
В рамках формулирования проблемы с позиции системного подхода проведена детализация соответствующих предметных областей.
ЭСК ЗПК представлены как буферы различной частоты с объединением (смешиванием) и (или) разделением партий зерна. На всех типах ЭСК в процессе хранения и смешивания зерна проводятся операции перемещения, очистки, сушки и др., которые нацелены на стабилизацию качества зерна от самых широких диапазонов его вариации (при приёме от сельхозпроизводителей) до точного расхода в смесь.
ЭСК, мукомольное и комбикормовое производства представлены как системы, предназначенные с одной стороны для оказания услуг хранения, обработки и переработки зерна, а с другой - для полного цикла производства от закупки сырья до отгрузки товарной продукции. Приведены и систематизированы общие черты и различия данных производственных систем с точки зрения функций планирования в соответствие с основной логистической цепочкой предприятия: отгрузка (реализация) - производство -закупка сырья.
Сформированы структуры целей для подсистем планирования ЭСК, мукомольного и комбикормового производств, в соответствии с которыми определены основные элементы соответствующих подсистем планирования, представленные как параметры, разработаны их ДПСС.
Проведён анализ контуров ОС ДПСС для подсистем ПРЭСК, ПЗРМП и ППК, который позволил определить соответствующие актуальные задачи оперативного, тактического, а также стратегического планирования.
На основе ДПСС для подсистем ПРЭСК, ПЗРМП и ППК в теоретико-множественном представлении сформированы концептуальные модели, формально являющиеся структурно-динамическими. Для них сформулированы критерии управления с указанием задач, в которых они могут применяться в различных условиях.
Приведена аргументация необходимости разработки математических моделей логического уровня для выделенных задач оперативного и тактического (среднесрочного) планирования. Для их разработки необходимо путём декомпозиции на основе моделей подсистем сформировать математические модели задач. В работе они приведены для задач подсистемы ПЗРМП.
Определён перечень актуальных задач планирования в СУ ЗПК. Для подсистемы ПРЭСК актуальные задачи тактического планирования -определение оптимального плана приёма и размещения зерна на период закупочной компании; определение оптимального плана обработки зерна на период закупки, планирование товарных партий зерна; задачи оперативного планирования - размещение зерна, обработка зерна, принимаемого с автотранспорта, планирование отгрузочных партий (смесей).
Для подсистемы ПЗРМП актуальные задачи тактического планирования -закупки зерна, планирования рецептов помольных смесей на период; актуальная задача оперативного планирования - оперативный расчет рецептов помольных смесей.
Для подсистемы ШіК актуальные задачи тактического и оперативного планирования - расчёт исполняемых рецептов комбикормов, планирование закупки сырья для выработки комбикормов, планирование загрузки технологических линий.
Математические модели логического уровня, разрабатываемые на основе соответствующих концептуальных моделей задач используются как типовые компоненты в составе банка моделей управления для СУ ЗПК.
Модели планирования рецептов, закупки сырья и загрузки технологических линий комбикормового производства
Анализ разработанных моделей показал, что аналогично мукомольному производству эффективным решением для управления комбикормовым производством является создание комплексной ИАСУ, обеспечивающей взаимоувязанное планирование работы комбикормового предприятия по основной производственной логистической цепочке: реализация -производство продукции - закупка сырья.
При этом реализация в комбикормовом производстве тесно связана с составлением и согласование с заказчиками рецептов комбикормов, на основе которых заключаются договора. Предложенное решение может быть получено путём интеграции процедур расчёта исполняемых рецептов, планирования закупки сырья и загрузки производственных линий и системы учёта, в качестве которой также используется АИС КХП. Структурно-функциональная модель автоматизированной системы поддержки принятия решений по планированию производства комбикормов (АСППР ПИК) приведена на рис.6.14 (SADT АО).
Для, расчёта исполняемых рецептов в АСППР ППК используется готовое решение в виде подсистемы «Корм Оптима» [176], нашедшей широкое применение на комбикормовых предприятиях России.
Детализация структурно-функциональной модели» АСППР ППК приведена в приложении 10.
Алгоритм автоматизированного планирования производства на комбикормовом заводе с использованием АСППР ППК отражён на рис.6.15.
Ежемесячно, до конца месяца формируется «портфель заказов» на месяц, следующий через месяц (например, в феврале на апрель). Для этого из учётных систем (классов CRM и ERP) берётся информация о потребителях и их заявках на планируемый период. На их основе с использованием оптимизационной программы «Корм Оптима» рассчитываются рецепты, согласуемые с заказчиками по компонентам, питательности (качеству), ценам и срокам поставки. На основе рецептов формируются планы закупок сырья, оптимизируемые по ценам с учётом требуемого качества и сроков поставок с использованием процедуры планирования закупки сырья (ПЗС). В случае непопадания результатов ПЗС в стоимостные или другие рамки, процесс пересчёта и согласования, рецептов может повторяться. В результате согласования портфеля заказов заключаются договора и составляется план реализации и отгрузки (обычно на месяц). Этот план используется для заказа транспортных средств (в работе данный БП не рассматривается) и для планирования загрузки производственных линий, что является крайне актуальной и вариабельной задачей, решаемой на основе процедуры ОЗП.
Сначала рассчитывается укрупнённый, месячный план загрузки производственных линий комбикормового завода рецептами в необходимой последовательности их выработки, заключающийся в распределении компонентов различных рецептов по линиям во времени. При этом шаг дискретного времени достаточно велик, что снижает размерность задачи до порядка, возможного для решения задачи ЛП.
Однако это не позволяет на основе данного плана формировать технологические карты, являющиеся заданием для системы управления технологическим процессом (АСУ ТП или MES).
Для этого на основе месячного плана рассчитываются оперативные планы загрузки производства (обычно на несколько дней) с шагом, времени, позволяющим использовать решение для технологических карт, реализующих, таким образом, выработку продукции по заданным рецептам в требуемой последовательности распределения компонентов по соответствующим линиям подготовки, дозирования и смешивания с учётом их специфики и производительностей.
В настоящее время АСППР ППК внедрена в составе задачи «Оптимальная загрузка производства» в ОАО «Мурманский КХП» и подсистемы первичного учёта (АИС КХП), интегрированной с подсистемой расчёта исполняемых рецептов комбикормов на ряде ЗПК, включающих комбикормовые производства, в том числе: ОАО «Тульский КХП», ОАО «Мурманский КХП», ОАО «Хлеб Кубани», ОАО «Оренбургский комбикормовый завод», Ялуторовский КХП (ныне компания «Юнигрэйн») и др. Акты внедрения приведены в приложении 16.
Похожие диссертации на Модели и методы оптимального управления производством для зерновых и зерноперерабатывающих компаний
-
