Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор и анализ существующих моделей и программных комплексов обработки потоковой информации в многопередельном производстве 9
1.1. Принцип моделирования в логистике 9
1.2. Обзор и анализ моделей систем обработки потоковой информации в многопередельном производстве 11
1.3. Обзор и анализ существующих программных комплексов контроля и обработки потоковой информации в многопередельном производстве 20
1.3.1. Методы и модели построения систем управления предприятием на базе стандартов MRP/ERP , 20
1.3.2. Особенности метода моделирования в методологии проектирования информационных систем на базе MRP/ERP-стандартов 24
Выводы к первой главе 30
ГЛАВА 2. Разработка имитационной модели системы обработки потоковой информации в многопере дельном производстве (СОПИМП) 33
2.1. Выбор методологии и средств моделирования 33
2.2. Концептуальный уровень представления модели СОПИМП 34
2.2.1. Структурный подход к созданию концептуальной модели СОПИМП 35
2.3. Анализ СОПИМП 36
2.3.1. Объектно-структурная модель СОПИМП 39
2.4. Синтез концептуальной модели СОПИМП 45
2.4.1.Математическая модель элементарного звена логистической цепи СОПИМП 45
2.4.2. Разработка методики построения эталонной модели СОПИМП 51
2.5. Проверка адекватности концептуальной модели СОПИМП 53
2.6. Логический уровень представления модели СОПИМП 61
2.6.1. Разработка UML-диаграмм логической модели СОПИМП 63
2.7. Физический уровень представления модели СОПИМП 77
2.7.1. Разработка реляционной модели базы данных СОПИМП 78
2.7.2. Разработка логической модели данных СОПИМП 80
Выводы ко второй главе 83
ГЛАВА 3. Разработка программного комплекса обработки потоковой информации (пкопи) в многопередельном производстве 85
3.1. Структурная схема ПКОПИ 85
3.2. Архитектура ПКОПИ 88
3.3. Выбор средств разработки ПКОПИ 90
3.4. Тестирование ПКОПИ 94
3.5. Функциональные возможности ПКОПИ 95
Выводы к третьей главе Ї 07
Заключение 108
Список литературы
- Обзор и анализ моделей систем обработки потоковой информации в многопередельном производстве
- Методы и модели построения систем управления предприятием на базе стандартов MRP/ERP
- Структурный подход к созданию концептуальной модели СОПИМП
- Выбор средств разработки ПКОПИ
Введение к работе
Актуальность исследования. В сфере малого и среднего бизнеса России широко распространены предприятия с многопередельным типом производства (ПМТП), К ним относятся предприятия с последовательной переработкой исходного однородного сырья в готовый продукт в условиях краткого технологического процесса, состоящего из отдельных самостоятельных стадий переработки - переделов (например, предприятия текстильной, деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной, пищевой и др. отраслей промышленности) [26, 90].
Среди главных особенностей многопередельного производства следует выделить большую материалоемкость и высокий уровень производственных потерь, решающее значение в структуре которых имеют сверхнормативные технологические потери, возникающие ввиду нарушения технологии, использования некачественного сырья или неправильных расчетов (рис. 1). Отсутствие контроля сверхнормативных потерь приводит к существенному росту себестоимости готовой продукции и снижению конкурентоспособности предприятия [36, 70].
Сверхнормативные потери
Рис. 1. Структурная схема производственных потерь на ПМТП. Технологические потери возникают в процессе обработки материальных потоков, которые совместно с генерируемыми ими информационными потоками являются объектами исследования логистики [68]. Для того чтобы реально оценивать себестоимость переработки сырья в продукцию на каком-
5 либо участке технологической цепочки, целенаправленно снижать нормы расходов на выпуск продукции, нужно обладать объективной информацией обо всех компонентах, составляющих баланс материального потока, включая сверхнормативные потери. Решение этой задачи требует внедрения на ПМТП автоматизированной системы обработки учетно-аиалитических информационных потоков, построенной на основе логистического подхода [19, 103]. Характерной чертой систем обработки потоковой информации в многопередельном производстве (СОПИМП) является жесткая привязанность их базовых моделей (в том числе, учетных) к особенностям технологического процесса. Это позволяет отнести СОПИМП к классу сложных систем, при проектировании и исследовании которых широко применяется метод имитационного моделирования [39].
Имитационная модель, адекватно описывающая поведение СОПИМП в динамике, может стать основой для разработки программного комплекса, который обеспечит проведение вычислительного эксперимента с моделями учета материальных потоков, и в конечном итоге - эффективный контроль сверхнормативных технологических потерь на ПМТП.
Объектом исследования в настоящей работе является многопередельное производство. Имитационная модель СОПИМП и разработанный на ее основе программный комплекс являются предметом разработки и исследования.
Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование и разработка имитационной модели системы обработки потоковой информации в многопередельном производстве и программного комплекса на ее основе, предназначенного для сбора и обработки учетно-аналитической информации и проведения вычислительного эксперимента с моделями учета материальных потоков, данные которого могут быть использованы в качестве базы для выявления сверхнормативных технологических потерь и выработки эффективных решений для их снижения. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
Обзор и анализ существующих моделей и программных комплексов обработки потоковой информации в многопередельном производстве.
Выбор методологии и средств моделирования СОПИМП.
Разработка имитационной модели СОПИМП.
Разработка программного комплекса обработки потоковой информации в многопередельном производстве.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались методы моделирования логистических цепей, математического моделирования баланса материальных потоков в производственном процессе, структурного моделирования с использованием диаграмм потоков данных, дискретно-событийного имитационного моделирования с применением объектно-ориентированного подхода, аппарат дискретной математики. В качестве базовой методологии разработки имитационной модели и программного комплекса обработки потоковой информации производственного типа на ее основе выбрана методология моделирования и построения информационных систем управления предприятием на базе стандартов MRP/ERP.
При выборе методов и средств реализации программного комплекса приняты во внимание современные тенденции построения и развития корпоративных информационных систем (КИС).
Научная новизна исследования:
Предложен и обоснован новый концептуально-логистический подход, с помощью которого построена объектно-структурная модель СОПИМП, являющаяся основой для концептуального моделирования системы и представляющая собой ориентированное по материальному потоку дерево, узлы которого обозначают реальные и виртуальные склады, размещенные в соответствии со схемой технологического процесса.
Разработана математическая модель элементарного звена СОПИМП - склада-модуля, представляющая собой модель расчета остатков хранящихся в нем товарно-материальных ценностей (ТМЦ).
Разработана методика построения эталонной модели СОПИМП, упрощающая процесс создания концептуальной модели системы и повышающая эффективность ее использования на уровнях логического и физического моделирования.
Разработана имитационная модель СОПИМП, являющая основой для построения программного комплекса обработки потоковой информации в многопередельном производстве.
Практическая значимость исследования:
Разработан программный комплекс обработки потоковой информации в многопеределыюм производстве, реализующий функции сбора и обработки учетно-аналитической информации и содержащий гибкие средства построения и модифицирования моделей учета материальных потоков. С помощью данных, полученных в результате вычислительных экспериментов, проведенных на программном комплексе, могут быть своевременно выявлены сверхнормативные технологические потери на ПМТП и выработаны меры по их снижению. Результаты работы могут найти практическое применение при проектировании автоматизированных систем обработки учетно-аналитической информации для различных ПМТП.
Внедрение результатов работы. Разработанные в диссертационной работе имитационные модели и программные комплексы внедрены в автоматизированную систему производственного учета ООО «Декор-Авто» г. Тольятти, в проект автоматизации и планирования на предприятии 000 «Проф-траст» г. Тольятти и в систему автоматизации страховой деятельности ОАСО «АСтрО - Волга» г. Тольятти. Теоретические и практические результаты работы используются в учебном процессе на кафедре информатики и вычислительной техники Тольяттинского государственного университета.
Внедрение результатов работы подтверждается актами внедрения.
Личный вклад автора. Решение поставленных задач в диссертационной работе, анализ результатов и выводы из них получены автором самостоятельно.
8 Достоверность результатов, представленных в диссертации, подтверждается корректностью применения математического аппарата и результатами компьютерного моделирования.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались на 2-й Международной научно - технической конференции «Информатизация процессов формирования открытых систем на основе СУБД, САПР, АС-НИ и систем искусственного интеллекта» г. Вологда, 2003 г. и на Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и экономике» г. Якутск, 2005 г. Положения, выносимые на защиту:
Имитационная модель СОПИМП, имеющая трехуровневое представление в виде: эталонной модели на концептуальном уровне представления, визуальной объектной модели на логическом уровне представления и реляционной модели данных и программного комплекса - на физическом уровне представления.
Математическая модель элементарного звена СОПИМП склада-модуля, представляющая собой модель расчета остатков хранящихся в нем товарно-материальных ценностей (ТМЦ).
Методика построения эталонной модели СОПИМП, упрощающая процесс создания концептуальной модели системы и повышающая эффективность ее использования на уровнях логического и физического моделирования.
Программный комплекс обработки потоковой информации в многопередельном производстве, разработанный на основе имитационной модели СОПИМП и предназначенный для проведения вычислительного эксперимента, с помощью данных которого могут быть своевременно выявлены сверхнормативные технологические потери на ПМТП и выработаны меры по их снижению.
Обзор и анализ моделей систем обработки потоковой информации в многопередельном производстве
При определенных отраслевых различиях предприятия с многопередельным типом производства имеют ряд общих особенностей, среди которых можно выделить следующие:
- учет материальных затрат организуют таким образом, чтобы обеспечить контроль за использованием материалов в производстве на каждом переделе;
- полуфабрикаты, полученные в одном переделе, служат исходным материалом в следующем переделе.
Несмотря на то, что наука и практическая деятельность в сфере логистики вырабатывают общие приемы управления материальными (информационными) потоками, этот вид управления на отдельных участках имеет известную специфику.
Так, управлением материальными потоками на стадии производственного процесса занимается отдельная функциональная область логистики, называемая производственной логистикой. Это наука и практика управления материальными потоками внутри предприятий, создающих материальные блага. Оценка и снижение затрат, которые понесет предприятие при выпуске готовой продукции входят в область ее исследования [91].
Следует отметить, что в современной отечественной и западной логистике широко используется понятие логистической цепи (Logistical chain/ Supply chain), представляющее собой линейно упорядоченное множество участников логистического процесса (звеньев), осуществляющих логистические операции по доведению внешнего материального потока от одной логистической системы до другой. Считается, что в линейно - упорядоченной совокупности звеньев логистической цепи проще производить анализ отдельных функциональных элементов, оптимизировать ресурсы и принимать управленческие решения.
С позиции логистического подхода СОПИМП может рассматриваться как ИЛС, управляющая материальным потоком, действующим в логистической цепи «склад сырья - технологический процесс - склад готовой продукции» и генерирующим соответствующий учетно-аналитической информационный поток, который поддерживает: - учет расхода сырья со склада (входной поток)); - учет незавершенного производства в технологическом процессе (внутренний поток); - учет прихода готовой продукции на склад (выходной поток) [48, 98].
Для отображения сложных структур потоков в логистических цепях ис пользуются специальные объектно-структурные модели, описываемые в виде ориентированных взвешенных графов [42, 69, 75].
Также следует учесть, что согласно логистическому подходу в определенном временном сечении материальный поток рассматривается как запас сырья, незавершенного производства или готовой продукции [95].
Исходя из этого подхода, базовыми математическими моделями учета материальных потоков в технологическом процессе производства являются модели, основанные на законе сохранения массы материального потока: - модель баланса материального потока; Эта модель имеет вид: Y.W=YWmt+YW t, (1-і) teT teT teT где: Wc - расход сырья за отчетный период Т; teT TJ rnt ПРИХД готовой продукции за отчетный период Т; teT 2 тп " технологические потери за отчетный период Т. teT
Базой для моделирования процесса учёта и управления материальными потоками являются производственные модули, которые представляет собой модели производственного участка (калькулируемой единицы - места возникновения затрат (МВЗ) [71].
С помощью указанных производственных модулей и описания построения между ними технологических маршрутов обработки материалов в процессе производства продукции в информационной системе может быть построена модель материальных потоков предприятия в целом (рис. 1.1). На основании данных измерения, полученных в контрольных точках, модель позволяет производить контроль материальных потоков по заданному периоду, как для всего предприятия, так и для выбранного участка.
Методы и модели построения систем управления предприятием на базе стандартов MRP/ERP
В настоящее время широкую известность и практическое применение получили такие методологии построения информационных систем управле ния предприятием, как MRP (Material Requirements Planning) и ERP (Enterprise Resource Planning).
Считается, что методология MRP/ERP имеет двойственную природу: с одной стороны,- это стандарт (концепция) управления, а с другой, - это информационная система, в который указанный стандарт реализован.
Согласно первому подходу MRP/ERP - это набор проверенных на практике принципов, моделей и алгоритмов управления и контроля, служащих повышению показателей экономической деятельности предприятия [9, 14].
С накоплением опыта моделирования производственных и непроизводственных бизнес-процессов эти понятия постоянно уточняются, постепенно охватывая все больше функций (табл. 1.1) [8] .
В соответствии со вторым подходом MRP/ERP - класс учетно-транзакционных компьютерных систем управления предприятием, предназначенных для планирования и управления всеми ресурсами предприятия, необходимыми для производства, учета и реализации продукции [1,54].
В настоящее время типовая модель MRP/ERP включает в себя следующие подсистемы, которые часто называют также блоками или сериями: - управление запасами; - управление снабжением; - управление сбытом; - управление производством; - планирование; - управление сервисным обслуживанием; - управление цепочками поставок; - управление финансами.
Остановимся кратко на той части функций, поддерживаемых подсистемой управления производством, которая может служить базой для создания программного комплекса учета материальных потоков в процессе производства [45]: - учет фактических затрат отчетного периода в необходимых разрезах в стоимостном и натуральном измерении; - оперативный количественный учет материалов в незавершенном производстве; - учет фактических остатков незавершенного производства на конец отчетного периода в необходимых разрезах; - учет готовой продукции; - предоставление данных о структуре себестоимости выпуска для оценки отклонений от заданных нормативов и др.
Помимо учета материальных потоков подсистема управления производством позволяет автоматически формировать производственные задания на основе плана, проверять потребности в ресурсах и наличие запасов для производства партии, отслеживать ход работ по календарному графику.
Для нормального функционирования подсистемы учета производством необходимы как минимум следующие данные [38]:
Номенклатурная позиция (item) - это любая уникальная (определенная) производимая или закупаемая деталь, материал, полуфабрикат, сборочная единица или готовый продукт. Для номенклатурной позиции возможно применение разных единиц измерения. Для систем учета материальных потоков очень важны «учитываемые» номенклатурные позиции, т.е. те, которые поддерживают данные о движении ТМЦ по производственному процессу.
Спецификация (Bill Of Material, BOM) - список всех сборочных единиц, полуфабрикатов, деталей и материалов, которые применяются в родительской сборочной единице, с указанием норм их расхода. Он используется вместе с главным календарным планом производства для определения номенклатурных позиций, для которых должны быть сформированы заявки на закупку и запущены в производство заказы. Для спецификаций существует множество форматов представления данных, включая одноуровневые спецификации, спецификации с отступами (структурированные), модульные (пла новые) спецификации, транзитные спецификации, матричные спецификации, учетные спецификации.
Технологический маршрут (routing) —информация, описывающая способ производства данной номенклатурной позиции. Включает операции, которые необходимо выполнить, их последовательность, различные рабочие центры, а также нормы времени для подготовки и обработки.
В ряду основных концепций построения информационных систем на базе MRP/ERP-стандартов особое место занимает имитационная конг\епция.
Информационные системы, построенные в рамках имитационной концепции, повторяют (имитируют) реальное строение процесса производства с выделением отдельных функциональных модулей (подсистем). Модули обмениваются в динамике необходимыми данными, чтобы увязать всё в единую систему [105].
Структурный подход к созданию концептуальной модели СОПИМП
В работе [35] отмечается, что ключевая идея концептуального моделирования в методологии MRP/ERP заключается в использовании так называемой эталонной модели (Reference model) разработчика, которая представляет собой формализованное описание типовых функций, структур или процессов исследуемого класса систем, что способствует сокращению времени создания концептуальной модели и повышению эффективности ее использования на уровнях логического и физического моделирования.
Эталонная модель, в начале процесса моделирования представляющая собой описание системы «как есть», может служить точкой отсчета, с которой начинаются работы по созданию имитационной модели «что будет, если?» или целевой модели по принципу «как должно быть» [61].
В общем случае, эталонная модель должна выполнять функции универсальной концептуальной модели СОПИМП и создается с помощью методологии структурного анализа.
Ввиду того, что возможность создания эталонной модели для всех видов многопередельного производства представляется маловероятной, достаточно ограничиться моделью, ориентированной на некоторое их подмножество, например, для ПМТП, относящихся к текстильной, деревообрабатывающей и целлюлозно - бумажной отраслям легкой промышленности [83].
Как известно, в основу структурного анализа положен принцип функциональной декомпозиции, при которой структура системы описывается в терминах иерархии ее функций и передачи информации между отдельными функциональными элементами [77].
Вместе с тем, согласно классическому подходу к моделированию процесс формирования эталонной модели ИЛС целесообразно разбить на три этапа [88]:
Х.Этап анализа системы. Действия, составляющие данный этап направлены на изучение системы и непосредственно заканчиваются получением ее концептуальной модели. Основным содержанием данного этапа является представление системы в виде совокупности элементов (декомпозиции), последовательное исследование каждого элемента и связей между ними.
2. Этап синтеза модели. Данный этап состоит в получении логико - математических моделей отдельных элементов, формализации их связей и в последовательном переходе от элементов к целостной модели. Этот этап завершается составлением математической модели системы.
Ъ.Этап проверки адекватности модели реальной системе. Эта процедура сопутствует всем этапам построения концептуальной модели. Ее задача состоит в удовлетворении требований по обеспечению адекватности модели и исследуемой ИЛС в смысле достижения поставленной цели исследования.
В соответствии с современным подходом к моделированию при описании функциональной структуры системы и отношений между данными предпочтение следует отдавать графическому представлению концепций, что обеспечивает их наглядность и простоту понимания.
С этой точки зрения все формальные средства структурного моделирования делятся на две основные группы - использующие соответственно технологию SADT {Structured Analysis and Design Technique) в виде стандарта IDEFO и специальную технологию построения диаграмм потоков данных DFD {Data Flow Diagrams) [31]. Поскольку особенностью метода DFD является моделирование системы, как иерархии потоков данных, описывающих процесс преобразования информации с момента ее ввода в систему до выдачи потребителю, он представляется достаточно эффективным средством для исследования информационных потоков в логистических цепях [87].
В разработке методологии DFD приняли участие многие аналитики, среди которых следует отметить Э. Иордона. Он является автором одной из первых графических нотаций DFD. В настоящее время наиболее распространенной является нотация Гейна - Сэрсона, основные элементы которой использованы при построении предлагаемой концептуальной модели [6].
При построении модели сложных ИЛС в самом общем виде можно воспользоваться так называемой контекстной диаграммой. Основными компонентами такой диаграммы являются, как правило, внешние сущности, подсистемы, процессы и потоки данных.
Внешняя сущность представляет собой материальный объект или физическое лицо, которые могут выступать в качестве источника или приемника информации.
Подсистема - блок или модуль, который описывает определенную часть системы, выделенную в единое целое по реализационным или функциональным соображениям.
Процесс представляет собой совокупность операций по преобразованию входных потоков данных в выходные в соответствии с определенным алгоритмом или правилом.
Поток данных (информационный поток) определяет качественный характер информации, передаваемой через некоторое соединение от источника к приемнику (рис. 2.2.).
Выбор средств разработки ПКОПИ
Современные средства разработки программного обеспечения характеризуются большим разнообразием критериев, используя которые разработчик имеет возможность автоматизировать процесс разработки приложений [53].
При выборе средств разработки ПКОПИ автор настоящей диссертации руководствовался принципом приоритета операционной системы (ОС) [62]. Данный принцип заключается в следующем: при выборе средств программной реализации приложения предпочтение должно отдаваться средствам разработки, максимально адаптированным под особенности построения конкретной ОС, в которой данное приложение будет работать. Как правило, эти средства позволяют наилучшим образом реализовать все возможности ОС, что в конечном итоге является гарантом высокой производительности и надежности спроектированного программного обеспечения.
ПКОПИ изначально проектировался с ориентацией на семейство операционных систем Windows корпорации Microsoft, широко распространенных в системах автоматизации производственно-хозяйственной деятельности российских предприятий малого и среднего бизнеса [11].
Учитывая политику Microsoft по ограничению доступа сторонних разработчиков к исходным кодам ее операционных систем, рекомендуется использовать в качестве средств разработки Windows - совместимого программного обеспечения продукты, производимые именно этой корпорацией.
Кроме того, при подходе к разработке программного обеспечения в рамках спиральной модели его жизненного цикла при выборе средств разработки важно учесть следующие критерии: - поддержка технологии быстрой разработки приложений RAD (Rapid Application Development), основанной на объектно-ориентированной парадигме программирования; - полномасштабная поддержка архитектур «файл-сервер» и «клиент-сервер»; - дальнейшее развитие линии этого продукта фирмой-производителем и др.
Вполне очевидно, что всем указанным критериям соответствует полнофункциональная реляционная СУБД Microsoft Visual FoxPro 8.0, выделяющаяся среди других аналогичных программных продуктов высоким уровнем производительности.
Современные универсальные объектно-ориентированные языки программирования являются мощным, гибким, удобным и эффективным средством решения широкого круга задач. Возможности универсального языка можно расширить с помощью библиотек, по сути, создавая на его базе специализированный язык программирования. Способ реализации имитационных моделей с помощью универсальных языков хорошо зарекомендовал себя при решении целого ряда задач, особенно при разработке сложных имитационных моделей и крупных программных комплексов на их основе.
Среди достоинств Visual FoxPro можно выделить наличие встроенного объектно-ориентированного языка xBase, собственного диалекта языка SQL, а также возможность интеграции с другими популярными средствами разработки, что позволяет создавать несложные дискретно-событийные моделирующие конструкции собственными средствами имеющейся среды разработки без необходимости интеграции с дорогостоящими системами имитационного моделирования [23].
Ввиду того, что в Visual FoxPro отсутствуют средства создания элементов ActiveX, автор в процессе разработки приложения использовал соответствующие возможности пакета Microsoft Visual Studio 6.0 [106].
Выбор СБД представляет собой более сложную многопараметрическую задачу и является одним из важных этапов при разработке приложений баз данных.
Выбранный программный продукт должен удовлетворять как текущим, так и будущим потребностям предприятия, при этом следует учитывать финансовые затраты на приобретение необходимого оборудования, самой системы, разработку необходимого программного обеспечения на ее основе, а также обучение персонала.
