Содержание к диссертации
Введение
1. Системный анализ проблемы формирования оптимальных планов действий экипажа в специализированных системах деятельности операторов 12
1.1. Групповое планирование и его роль в эргатической системе управления пилотируемыми космическими аппаратами 12
1.2. Анализ процесса группового планирования как многоэтапной задачи обеспечения функционирования пилотируемого КА 18
1.3. Анализ условий и ограничений процесса формирования планов действий экипажа 29
1.4. Обзор современных подходов и методов решения задачи оптимального планирования и составления расписаний 35
1.5. Обобщенная постановка задачи формирования планов работы экипажа 54
1.6. Выводы по главе 1 57
2. Математическая постановка и решение однокритериальной задачи планирования действий экипажа 60
2.1. Формализация множества факторов, зависимостей и связей объекта исследования для однокритериальной постановки задачи планирования действий экипажа 60
2.2. Математическое представление различных критериев оценки сформированного плана действий экипажа 62
2.3. Построение системы ограничений для однокритериальной постановки задачи 69
2.4. Разработка модифицированного генетического алгоритма для решения однокритериальной постановки задачи з
2.5. Исследование эффективности разработанных математической модели и модифицированного генетического алгоритма 85
2.6. Выводы по главе 2 93
3. Математическая постановка и решение задачи планирования действий экипажа с несколькими критериями 95
3.1. Формализация множества факторов, зависимостей и связей объекта исследования для многокритериальной постановки задачи планирования действий экипажа 95
3.2. Построение комплексного критерия на основе частных критериев сформированного плана 100
3.3. Расчет весовых коэффициентов для частных критериев оптимизации 105
3.4. Математическое представление расчета переменного приоритета планируемой операции 109
3.5. Система ограничений для многокритериальной постановки задачи планирования действий экипажа 115
3.6. Разработка модифицированного генетического алгоритма для решения многокритериальной задачи оптимизации 118
3.7. Исследование эффективности разработанных математической модели и модифицированного генетического алгоритма 126
3.8. Выводы по главе 3 134
4. Применение разработанных моделей и алгоритмов в программном комплексе «автоматизированная система планирования PC МКС» 137
4.1. Анализ предпосылок и требований к созданию автоматизированной системы планирования PC МКС и решаемых ею задач 137
4.2.Процесс создания и внедрения АСП PC МКС 141
4.3. Описание модульной структуры и особенностей построения АСП PC МКС 146
4.4. Результаты применения разработанных моделей и алгоритмов в АСП PC МКС 152
4.5. Выводы по главе 4 159
Заключение 161
Список сокращений и условных обозначений 164
Список литературы
- Обзор современных подходов и методов решения задачи оптимального планирования и составления расписаний
- Построение системы ограничений для однокритериальной постановки задачи
- Построение комплексного критерия на основе частных критериев сформированного плана
- Описание модульной структуры и особенностей построения АСП PC МКС
Введение к работе
Актуальность проблемы. Среди множества подходов составления расписаний можно выделить групповое планирование, методами которого решается задача формирования совместной коллективной деятельности исполнителей. В качестве исполнителей может выступать как штатный персонал компании, так и группа профессионалов, подготовленных для выполнения важных задач повышенной сложности. Когда каждому профессионалу из группы отведена определенная роль в достижении единой для всех целевой задачи, то речь идет об экипаже, который является частью некоторой эргатической системы. Экипаж выступает в качестве одного из звеньев структуры управления такими техническими объектами, как: пилотируемая орбитальная станция, самолет, подводная лодка, глубоководный водолазный комплекс.
Планирование работы экипажа подобных сложных технических объектов управления сопряжено с учетом специфических особенностей, имеющих значительное влияние на процесс подготовки планов и расписаний, а также их оперативную корректировку. Взаимосвязи между ролями членов экипажа и разный уровень их подготовки к реализации определенной операции, а также высокая вероятность возникновения слабо прогнозируемых факторов, воздействующих на способ реализации плана или в некоторых ситуациях требующих пересмотра главной цели, являются одними из основных отличий группового планирования действий экипажа.
В основе диссертационного исследования лежит практический опыт и научные достижения В.В. Бетанова, Д.К. Дедкова, В. Г. Кравец, Л.Н. Лысенко, В.Е. Любинского, В.А. Соловьева, В.И. Станиловской, Э.И. Суриной и других ученых. Их работы в значительной мере способствовали изучению методов планирования полетов и работы экипажа воздушных судов. Однако на данный момент времени отсутствуют решения, позволяющие формировать эффективные расписания действий экипажа либо в автоматическом режиме, либо с привлечением планировщика лишь в качестве эксперта.
Одним из наиболее технологически сложных и многоуровневых видов расписаний является формирование планов действий экипажа пилотируемого космического аппарата. При современном уровне развития технологий и требований к реализации ряда задач в условиях космического пространства подготовка расписаний деятельности группы космонавтов становится все более комбинационной и ответственной задачей для планировщика. Это происходит по следующим причинам:
изменяется и усложняется структура объектов, на которых работают космонавты;
увеличивается совокупная трудоемкость этапов достижения промежуточных целей по причине роста количества требований и ограничений, которые следует соблюдать во время выполнения работ;
используются дорогостоящие ресурсы, обеспечивающие выполнение операций, в совокупности определяющих генеральную цель полета;
необходимость проведения процедуры перепланирования в случае возникновения различных нештатных ситуаций;
увеличение численности экипажа на борту космического аппарата;
анализ все большего количества данных и учет ограничений при добавлении новых операций в уже частично сформированное расписание.
Перечисленные факторы непосредственно влияют на качество плана и увеличивают время на его формирование. В настоящее время планировщик не в состоянии в заданные сроки разработать допустимый план без применения специализированного программно-аппаратного обеспечения, которое позволяет автоматизировать множество рутинных проверок. Тем не менее, в подавляющем
большинстве случаев планировщик самостоятельно принимает решения о конкретном участии того или иного члена экипажа в выполнении ряда операций, каждая из которых представляет собой вектор воздействия на жизнедеятельность экипажа или на управление орбитальным комплексом.
Зачастую складываются ситуации, когда наличие значительного количества различного рода связей между операциями приводит к принятию некорректных решений со стороны планировщика, что напрямую влияет на оперативность, эффективность и безопасность выполнения поставленных задач. Такие решения особенно нежелательны на стадии оперативного планирования, когда осуществляется составление наиболее подробных посуточных расписаний. Для обеспечения построения максимально эффективных оперативных планов требуется разработка специализированных алгоритмов и методов, направленных на создание оптимальных версий расписаний действий космонавтов. Это позволит переложить большую часть принимаемых решений на систему планирования, и тем самым достичь следующих целей: выполнить поставленные задачи в срок за счет эффективного распределения операций между космонавтами и исключения возможности нарушения связей и отношений между элементами; повысить качество планов за счет увеличения числа рассматриваемых вариантов и объема учитываемой в моделях информации в виде ограничений и правил группового планирования; сократить время на формирование расписаний за счет программных средств, что также позволит использовать полученный дополнительный ресурс для оперативного проведения процедуры перепланирования в случае непредвиденных ситуаций.
Проблема, поднятая в данном диссертационном исследовании, находится в смежной области задач, решаемых лидирующими научно исследовательскими лабораториями, как в нашей стране, так и за рубежом. Среди отечественных компаний значительных результатов достигли ООО «НІЖ «Разумные решения» и Лаборатория № 68 «Теория расписаний и дискретной оптимизации» Института проблем управления им. В. А. Трапезникова Российской академии наук.
Приведенные аргументы позволяют утверждать, что тема данной научной работы является актуальной, а разработка математических моделей и алгоритмов для формирования планов работы экипажа имеет особую ценность в виду масштаба и уровня решаемых в них задач.
Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ) им М. И. Платова «Теория, принципы и технологии построения информационно-вычислительных и измерительных систем».
Целью диссертационной работы является разработка моделей и практическая реализация алгоритмов формирования оптимальных планов работы экипажа, задействованного для решения комплекса различных задач при управлении техническими системами, объектами и процессами.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: провести системный анализ процесса группового планирования при управлении сложными человеко-машинными комплексами; выполнить анализ математических моделей оптимизации различного вида расписаний; разработать математические модели формирования оптимальных планов действий экипажа на примере космонавтов Российского сегмента Международной космической станции (PC МКС); определить критерии оценивания сформированных планов действий экипажа на примере космонавтов PC МКС; разработать алгоритмы и методы решения поставленной задачи; провести экспериментальные исследования предложенных решений и обосновать
эффективность их применения на реальных объемах данных; реализовать предложенные решения в виде специализированного программного комплекса в качестве экспертной подсистемы формирования действий экипажа PC МКС.
Методы исследований и достоверность результатов. В работе использованы методы системного анализа, методы решения задач целочисленной оптимизации, методы теории принятия решений и имитационного моделирования, методы экспертного оценивания, элементы теории вероятностей и генетические алгоритмы (ГА). Достоверность результатов подтверждается: корректным применением теории планирования эксперимента; обоснованным применением математического аппарата на основе генетического подхода; сравнением полученных результатов моделирования с результатами формирования действий экипажа в Главной оперативной группе управления (ГОГУ); непротиворечивостью предложенных математических моделей и методов поиска решений.
Объектом исследования является процесс составления планов работы экипажа для выполнения комплекса различных задач в эргатических системах управления.
Предметом исследования являются: теоретические аспекты системных связей и прикладные особенности процесса планирования работы экипажа на основе системного анализа; математические модели формирования оптимальных расписаний; алгоритмы и методы решения задач системного анализа в области оптимального группового планирования.
Научная новизна. В диссертации получены следующие новые научные и практические результаты: математические модели процесса распределения операций между группой космонавтов с учетом отраслевой специфики группового планирования, отличающихся влиянием индивидуальных особенностей исполнителя на выполнение каждой назначенной ему работы; математическое представление расчета переменного приоритета операции, учитывающее текущее состояние параметров процесса распределения работ на основе всего подмножества ранее запланированных операций; алгоритмы оптимизации на основе ГА, позволяющие учитывать отраслевую специфику процесса планирования группы космонавтов; новая модификация оператора одноточечного кроссинговера, позволяющая создавать уникальных потомков в случае наличия в родительской хромосоме единственного гена с аллелью, отличной от остальных.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Математические модели составления оптимальных расписаний работы экипажа, позволяющие учитывать специфические особенности отраслевого группового планирования, в том числе: эффективность выполнения операций космонавтами в зависимости от их психофизиологических показателей; эффективность реализации операции от конкретного момента времени начала ее выполнения и от назначенного ей исполнителя (ее. 60-67, 70, 96-103, 116, 117).
-
Математическое представление расчета переменного приоритета операции, применяемое для определения подходящего места расположения операции внутри горизонта планирования на основе конкретного момента времени ее реализации, от подмножества уже размещенных работ и некоторых других динамических параметров (ее. 110-115).
-
Алгоритмы формирования оптимальных расписаний для однокритериальной (ее. 72-85) и многокритериальной (ее. 118-126) постановок задачи планирования действий группы космонавтов на основе теории ГА. Разработанные алгоритмы включают
6 модифицированные операторы, адаптирующие метод решения под специфику задачи группового планирования.
4. Предложена модификация оператора одноточечного кроссовера с новым механизмом обмена генами, позволяющая получать отличных от родителей потомков в случаях, когда в родительской хромосоме все гены, кроме одного, имеют одинаковое значение (с. 121).
Теоретическая ценность работы заключается в следующем: системный анализ и формализация процесса планирования деятельности группы космонавтов; постановка задачи оптимизации; разработка метода расчета переменного приоритета; определение основных системных критериев оптимизации и выделение из них оценок, наиболее отвечающих требованиям оптимального группового планирования; формирование математических моделей и разработка на их основе методов решения задачи оптимизации действий экипажа на базе ГА.
Практическая ценность работы заключается в реализации, исследовании и использовании разработанных моделей и алгоритмов решения задачи оптимизации в виде специализированного программного комплекса в качестве экспертной подсистемы формирования действий экипажа в составе автоматизированной системы планирования (АСП) PC МКС. Предложенная подсистема предполагает параллельное (основному процессу) создание эффективных расписаний с целью их анализа и проведения дальнейшего развития предложенных в работе решений для повышения эффективности процесса формирования планов полета.
Разработан программный комплекс решения задачи планирования действий космонавтов на основе генетического алгоритма, зарегистрированный в Реестре программ для ЭВМ 28.11.2013 г., per. №2013661097.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при проектировании и разработке АСП PC МКС. Результаты проведенных экспериментов показали, что применение созданных алгоритмов позволяет в среднем в 22 раза сократить время на составление планов действий экипажа PC МКС.
Апробация работы и публикации. Основные положения и научные результаты исследований докладывались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: «Теория, методы проектирования, программно-технологическая платформа корпоративных информационные систем» (Новочеркасск, 2010-2012); XIX Междунар. науч.-технич. конф. молодых ученых и специалистов, посвященная 50-летию полета в космос Ю. А. Гагарина (Королев, 2011); X Междунар. науч.-технич. конф. «Пилотируемые полеты в космос» (Звездный городок, 2013); XIV Междунар. науч.-практич. конф. «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах» (Новочеркасск, 2014); XVIII Междунар. науч.-практич. конф. «Перспективы развития информационных технологий» (Новосибирск, 2014); VIII Молодежная междунар. науч.-практич. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука XXI века: новый подход» (Санкт-Петербург, 2014); XX Науч.-технич. конф. молодых ученых и специалистов (РКК «Энергия», Королев, 2014); XXIX междунар. науч.-практ. конф «Естественные и математические науки в современном мире» (Новосибирск, 2015); на научных семинарах кафедры «Информационные и измерительные системы и технологии» ЮРГПУ (НПИ).
Внедрение. Получен акт внедрения в ОАО «РКК «Энергия» (г. Королев).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 20 научных работ, из них 5 в рекомендованных ВАК изданиях, получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Структура диссертации. Диссертация содержит 182 страницы основного текста, 35 рисунков, 17 таблиц и состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня сокращений, списка литературы из 146 наименований и 2 приложений объемом 2 страницы.
Обзор современных подходов и методов решения задачи оптимального планирования и составления расписаний
Планирование всех этапов достижения главной задачи заключается в определении состава и временной последовательности операций, выполняемых космонавтами, а также в определении порядка координированной работы всех задействованных служб [22].
Повышение качества и эффективности группового планирования действий экипажа наиболее успешно решается в том случае, когда КА принимается как целостная, высокоорганизованная, иерархически динамическая система. Задачу планирования функционирования КА следует рассматривать как комплекс особых процедур, состоящих из предмета, средства и продукта совместного труда персонала ответственных структурных подразделений.
Предметом совместного труда всего персонала являются: 1) формирование последовательности целей, выбор и обоснование критериев, а также описание ограничений на функционирование пилотируемого КА; 2) проектирование деятельности космонавтов КА, организация режима их труда и отдыха; 3) организация эффективного информационного взаимодействия экипажа КА с наземными службами, корректной и своевременной выдачи командно-программной информации (КПИ) и обработки телеметрической информации (ТМИ); 4) решение задач, касающихся баллистического обеспечения; 5) решение задач, касающихся обеспечения энерговооруженности объектов; 6) планирования расхода ресурсов и работы систем КА; 7) сбор и обработка данных об окружающих условиях среды, в которых находится КА, а также об условиях выполнения запланированных операций; 8) разработка плана операций, позволяющих выполнить главные цели и задачи.
Продуктом планирования является стандартизированный типовой набор выходных документов, перечень и структура которых определены спецификой прикладной области группового планирования. Для экипажа ОК это номинальный план полета (НИИ), общий план полета (ОПП), детальный план полета (ДПП) и бортовой детальный план полета (БДПП). Разработка планов представляет собой основу процесса управления полетом, который, в свою очередь, должен осуществляться в строгом соответствии с принятыми к исполнению планами.
В качестве средств планирования выступают структурные подразделения и их персонал. Рассмотрим порядок подготовки планов проведения полетов пилотируемых КА, включающий и формирование расписаний действий экипажа [40]. Процесс разработки полета КА включает в себя несколько уровней представления итоговых планов. Иерархия уровней организации планирования отражает иерархию обозначенных задач, которые связаны с построением семейства планов различной степени полноты и срочности.
Планирование начинается на стратегическом уровне, где формируются схема и цели полета, устанавливаются средства и способы их достижения, необходимые ресурсы и принципы их использования, состав экипажа КА, а также основные ограничения, которые нужно учитывать при разработке плана. Документы этого уровня являются основой для разработки планов следующего уровня и используются в качестве исходных при подготовке КА к полету и его оснащению. Их разработка начинается задолго до начала полета с целью всесторонней проверки их выполнимости и корректировки требуемых параметров.
Следующий уровень планирования - тактический. Он определяет даты стартов транспортных кораблей (ТК) и транспортных грузовых кораблей (ТГК), располагаемые ресурсы, лимиты их расхода, приоритеты основных задач полета, периодичность и объем работ по обслуживанию ОК, а также набор научных экспериментов.
Третий уровень представлен исполнительным планированием, предназначенным для оперативного управления полетом. Здесь определяются последовательность и методы выполнения операций, приводящих к достижению цели полета, порядок использования технических средств, входящих в состав системы управления полетом, программа обмена информацией между звеньями контура управления полетом. При разработке планов полета данного уровня окончательная оценка качества плана, разрабатываемого наземным персоналом или экипажем с целью выбора наиболее приемлемого варианта, осуществляется экспертным путем. Эксперты учитывают такие требования, как стремление к максимальной степени достижения целей полета при заданном уровне безопасности экипажа, обеспеченность плана полета ресурсами, выполнимость плана, гибкость, т.е. возможность оперативной коррекции плана с соблюдением установленных правил и ограничений при возникновении аномальных ситуаций. Документами этого уровня являются НПП, ОПП и ДПП [41].
НПП охватывает либо весь полет, либо большую его часть и определяет последовательность основных операций к выполнению на выбранном интервале планирования. В процессе выполнения полета НПП периодически корректируется с учетом обстановки. Такой оперативно измененный номинальный план является долгосрочным планом полета (рис. 1.2).
В связи с тем, что ОК является сложным и изменяемым во времени объектом управления, разработанный до начала экспедиции НПП не может быть выполнен с высокой степенью точности. Поэтому вводится следующий уровень исполнительного планирования - краткосрочное планирование. Краткосрочный план полета, или ОПП, основан на данных НПП, реальной полетной обстановке и фактическом состоянии КА в текущий момент времени. Он определяет более детализированный состав, последовательность и время проведения операций, необходимых в ближайший период, равный двум неделям. При разборе ОПП на сутки получают план полета (ПП).
Затем следует уровень детального планирования, на котором разрабатывается ДПП - наиболее подробный руководящий документ. Он формируется на каждые сутки полета на основе ПП с методиками выполнения планируемых операций, оперативных данных о реальной полетной обстановке и текущей баллистической информации. Также в качестве исходной информации используются такие данные, как: подробные описания операций, включенных в состав мероприятий на рассматриваемые сутки полета; методики управления бортовыми системами КА; фактические данные о текущем состоянии бортовых систем; данные о состоянии технических средств, входящих в систему управления полетом; баллистическую информацию на планируемые сутки полета.
Интервал ДПП, равный одним суткам, выбран по следующим причинам: 1) повторяемость условий видимости КА с наземных станций слежения; 2) сутки - хорошо обозримый интервал времени для планирования полета с высокой степенью детализации; 3) для экипажей пилотируемых КА в полете должен соблюдаться суточный цикл деятельности, аналогичный принятому на Земле.
Структура ДПП содержит такие скоординированные компоненты, как: выполнение полетных операций в целом; деятельность экипажа; обмен сообщениями между экипажем КА и ЦУП; выполнение динамических режимов или план работы основных систем и т.д. Каждый элемент перечисленных компонент ДПП привязывается к конкретному времени внутри интервала планирования.
Построение системы ограничений для однокритериальной постановки задачи
В [104] рассматривается проблема построения математических моделей объемного и объемно-календарного планирования производства бумаги. В качестве формализованных критериев оптимизации предлагаются следующие: минимизация отходов сырья в виде обрезной кромки; минимизация объемов перевыпуска продукции; минимизация объемов срезаемой с рулона бумаги для получения нужного диаметра; минимизация объема выпуска редко востребованных форматов; максимизация объема выполненного в срок производственного задания; минимизация числа применяемых раскроев. «Проклятие размерности» автор предлагает обойти с помощью метода генерации столбцов.
Анализ рассмотренных выше исследований позволяет сделать следующие заключения: задача составления расписаний работы экипажа является NP-трудной и для ее решения следует применять современные приближенные методы оптимизации; специфика прикладной области должна быть непременно учтена при разработки моделей и алгоритмов. Задача управления группой роботов наиболее близка к проблеме планирования действий экипажа PC МКС, но и она не учитывает таких особенностей, как одновременное выполнение задания несколькими субъектами и влияние психологических и физических показателей исполнителя на реализацию операций в различное время суток.
На сегодняшний день на рынке программного обеспечения существует огромное количество различных систем управления предприятием и производством. По характеру деятельности и сфере применения все АСУ можно достаточно четко разделить на две группы: ERP- и MES-системы [105].
ERP-системы управляют ресурсами предприятия. Большинство ERP-систем опирается на стандарты MRP и MRP-II. Они предписывают всесторонне рассмотреть составленный план еще до начала его реализации, провести экономические расчеты, связанные не только с производством, но и с реализацией логистических цепочек поставок и т.п. Стандарт MRP рассматривается в [106] и [107].
MES-системы управляют самим процессом производства. Планирование осуществляется по реальному состоянию дел в цехах в масштабах суток, смен, часов, иногда и минут. Эти системы работают с производственными показателями: простои, загрузка, сроки, количество, качество, потребление.
Интегрированная система «ФОБОС» - разработка российской компании «РТСофт». MES-система для цехов крупных машиностроительных предприятий. Формирование и коррекция оперативных производственных планов осуществляется с учетом имеющихся межоперационных заделов и текущего состояния станочной системы. Оптимизация расписаний производится на основе эвристических алгоритмов по 3 критериям из 14, что дает более 100 возможных комбинаций. Система внедрена на ряде отечественных и зарубежных предприятий (Германия, Китай), особенно эффективна в условиях мелкосерийных и единичных производств.
Программный комплекс «Preactor» - MES-система, разработка английской фирмы «Preactor International». Осуществляет планирование по реальному состоянию и предназначена для мелких предприятий с дискретным производством широкого профиля. Дифференцирует задания по приоритетности, формирует порядок их выполнения. С каждым инвентарным номером оборудования связываются какие-либо ограничения, способные оказать влияние на его доступность или характеристики работы.
Пакет «Spider Project» - многофункциональная MRP-система управления проектами, разработка компании «Технология управления Спайдер». Кроме учета отработанного времени ведется учет выполненных объемов, истраченных материалов, израсходованных средств.
Система оперативного управления производством LS Production Network - разработка фирмы «ЛИПРО Р». MES-система, ориентированная на промышленные предприятия с различными типами производств (серийное, единичное, позаказное) и сегментированным или распределенным характером производства. Осуществляет предварительное планирование, формирование и анализ производственных графиков, контроль загрузки оборудования, оперативное перепланирование заданий с использованием различных критериев и приоритетов и согласованием планов межцеховой кооперации.
Корпоративная информационная система Ваап IV - ERP-система управления для крупных корпораций, разработка транснациональной корпорации «BAAN Company». Ваап используется как единый интегрирующий комплекс автоматизации средних и крупных предприятий. Поддерживает все направления деятельности, предоставляет возможность интеграции с ERP-продуктами третьих поставщиков и "местными" автоматизированными рабочими местами (АРМ) заказчика, обеспечивает открытость для большинства операционных систем семейств UNIX и Windows.
Система SAP ERP - система управления для крупного бизнеса, разработка компании «SAP». Система содержит встроенные производственные MES-модули, позволяющие составлять расписания для рабочих центров - групп взаимозаменяемого оборудования. Однако их детальная проработка оставляет желать лучшего: отсутствует возможность гибкой настройки под тонкие технологические особенности процесса выполнения работ. Кроме того, система активно критикуется за недостаточный уровень поддержки концепции логистических цепочек.
Система производственного планирования FINeCHAIN - представлена на российском рынке компанией «АНД Проджект». Планирование представляет собой преобразование поступивших заказов клиентов в производственные заказы и их распределение по оборудованию с учетом ограничений производственного процесса. Оптимизация созданных планов выполняется с помощью эвристических алгоритмов и более 400 базовых критериев оптимизации. FINeCHAIN можно использовать как отдельную самостоятельную систему, осуществляющую планово-диспетчерские функции, так и интегрировать ее с системами ERP, MES ( SAP ERP, Oracle Applications, Baan).
Toyota Production System (TPS) - система, основанная на методологии KANBAN, впервые разработанная и внедренная на заводах Toyota Motor Corporation в Японии в середине 50-х годов XX века. Позднее она была реализована в виде MES-системы, работающей в реальном времени с обратной связью по реальному состоянию дел в производстве. Ее характерной особенностью являлось то, что производственное расписание могло отсутствовать в явном виде, а работы назначались исполнителям через ЭВМ по факту завершения очередной операции. На данный момент идеология KANBAN нашла применение во многих MES-системах типа Pull Planning System [106].
TMU GroupWare. Программное обеспечение для управлением рабочими процессами, разработанное японской компанией TMU Consulting. TMU GroupWare изначально разрабатывался как продукт для массового использования, и он содержит все необходимые средства для автоматизации групповой работы для среднего и крупного бизнеса. В целом продукт является системой управления деловыми процессами. При запуске процесса происходит интеллектуальный выбор свободного сотрудника для выполнения задачи [108]. Помимо управления деловыми процессами решаются задачи стратегического планирования - ведения проектов. Проекты имеют собственную структуру ролей, на которые назначаются сотрудники. С функциональной точки зрения TMU Group Ware - это полноценное решение проблемы взаимодействия сотрудников внутри организации, отдела или проекта.
Consolidated Planning System (CPS) - система планирования полетов американского сегмента МКС, представляющая собой клиент-серверную систему. CPS обеспечивает следующие возможности планирования полетов: составление предварительных недельных планов полета, составление краткосрочных планов полета, генерацию на их основе бортовых краткосрочных планов, передаваемых для выполнения на борт МКС.
В качестве основной составляющей планов CPS являются ресурсы. Под ресурсами понимаются необходимые для выполнения какой-либо работы материалы, оборудование, исполнители, а также источники их поставки. Ресурсы разделяются на два класса: индивидуальные, которые одновременно могут использоваться только при выполнении какой-либо одной работы; разделяемые, которые могут задействоваться или потребляться несколькими работами одновременно. Разделяемые ресурсы могут быть потребляемыми или возобновляемыми.
Все разделы, определенные для формата, включая полосы для отображения шкалы времени, работ, условий, текстовых пометок, составляют набор разделов. При показе формата этот набор может повторяться несколько раз, располагаясь, например, один под другим, причем время начала каждого следующего фрагмента соответствует времени окончания предыдущего.
Построение комплексного критерия на основе частных критериев сформированного плана
всего множества операций OPER есть такие сочетания пар работ, которые нельзя выполнять в одно и то же время. Такие операции называются несовместимые и представлены множеством D = {djs,i= \,m;s = \,m}, причем если djs=l, то операции і и s несовместимы, а при dis=0 - совместимы. Множество 0 = {ot,i= 1,т} вводится в целях фиксации признака обязательного включения операции і в итоговый план, а именно, при ot = 1 работу необходимо внести в текущий интервал времени, при ot = 0 ее можно запланировать позже. Множество BTO = {rtoi,i= ї,т} содержит информацию о том, к какой зоне (бытовой, рабочей) принадлежит операция, причем при rtoi = 0 работа принадлежит бытовой зоне, а при щ = 1 - рабочей зоне.
Профессиональный труд космонавтов в качестве одного из видов общечеловеческой деятельности характеризуют следующие признаки: продуктивность, напряженность (затраты психической и физической силы), интенсивность (быстрота), организованность (минимизация затрат непроизводительного труда), надежность, точность, квалифицированность, опосредованность, ситуативная обусловленность [129-134]. Параметры приведенных выше качественных характеристик трудовой деятельности исполнителей измеряются в процессе подготовки космонавтов на тренажерах, когда они отрабатывают весь комплекс мероприятий, предстоящий им для выполнения на орбитальной станции. При этом выясняются два следующих момента: 1) кто из космонавтов и какую работу делает более продуктивно, корректно, в кратчайшие сроки; 2) как сказывается усталость космонавта на эффективность выполнения одной и той же операции в разные моменты времени внутри интервала планирования.
По окончанию анализа тренировок количественные показатели данных параметров предлагается свести к единой величине и определить ее значения в диапазоне от 0 до 1, а затем учитывать при распределении операций между членами экипажа. Для хранения данной информации вводится трехмерный массив G = {g1Jt,/ = 1,т; j=\n;t = 1,р), где элемент giJt є [0,1] - показатель (коэффициент) эффективности реализации операции і членом экипажа j, начатой им в момент времени t. Причем, значение giJt = 1 в том случае, когда космонавт j максимально эффективно выполняет операцию і в момент времени t.
Многие работы из OPER связаны между собой временными отношениями. Поэтому обозначим эти связи, используя граф отношений предшествования GO = (VER,r), где VER - множество вершин, а Г - множество дуг. Запись вида (ver ,ver+Jr) содержит информацию о том, что операция ver+ должна начинаться не раньше, чем момент начала операции ver плюс смещение по времени величиной / є Z .
Каждая полетная операция характеризуется типом приоритета. Приоритет может быть фиксированный и переменный [22]. Величина фиксированного приоритета не меняется на протяжении всего интервала планирования. Значение же переменного приоритета может быть различным в зависимости от того, в какой момент времени t операция і запланирована. Максимальное значение переменного приоритета достигается в том случае, если на протяжении всего промежутка времени, в течение которого выполняется операция, удовлетворены все условия ее успешного завершения. Будем считать, что в качестве исходных данных для каждой операции известны тип приоритета и величина фиксированного приоритета, а для переменного приоритета - максимально возможное значение, достижимое внутри заданного интервала планирования. Вводится множество PR = {prt,i= \,т}, где элемент prt является кортежем из двух составляющих pri={pr.ype,pr !a-). Здесь prfpe =0 означает фиксированный приоритет, prfpe = 1 - переменный, а рг - предел величины приоритета, к которому следует стремиться при размещении операции і в плане.
На основе вышеприведенных исходных данных следует подготовить расписание таким образом, чтобы минимизировать описанные ниже критерии оптимизации и удовлетворить ограничениям. Вводится трехмерный массив X = {xijt,i = \,m;j =\,n;t = \,p}, где элемент xljt является бинарной переменной: Ґ1, космонавт j начинает выполнение операции і в момент времени t ,Jt [О, иначе В процессе расчетов, а после и в момент завершения подготовки расписания, необходимо иметь представление о конечном состоянии всего множества ресурсов RN. Для этого обозначим общий баланс каждого вида ресурса г в каждый момент времени t в виде матрицы V = {vrt,r = l,f;t = l,p}, где vrt - количество используемого ресурса г в момент времени t, потребляемое всеми операциями, которые выполняются в этот самый момент времени t. Для выполнения расчетов целесообразно ввести множество PV = {pvt,i = \,т} текущих значений приоритетов всех размещенных в итоговом плане операций. и р Причем pvt =0, если =0, и pvt 0 в ином случае. Далее следует этап постановки и формализации критериев оптимизации.
Построение комплексного критерия на основе частных критериев сформированного плана Теперь рассмотрим математическое представление критериев оптимизации, которые были предложены выше. Оценку незанятого времени членов экипажа выразим через минимизацию простоев экипажа, которая выглядит так: полетных операций, назначенных космонавту j. Как уже говорилось, минимизация простоев экипажа не позволяет учитывать такой обязательный показатель сформированного плана, как его качество, зависящее от коэффициента эффективности конкретного космонавта относительно выполнения в определенный момент времени каждой полетной операции, которую ему назначили, а также от ее приоритета.
Показатель эффективности выполнения космонавтом каждой операции формируется в процессе проведения тренировок перед полетом и отражается в таких документах, как программа полета, спецификация полетной операции, заключения специалистов и т. д. Эффективность означает выбор наилучшего варианта для выполнения работы из имеющихся возможных. Предлагается определять значение коэффициента эффективности в диапазоне [0,1], и интерпретировать это следующим образом: космонавт максимально точно и быстро выполняет полетную операцию при значении, равном 1, и не ставится специалистом группы планирования для реализации работы, если величина его личного коэффициента для этой операции равна 0.
Описание модульной структуры и особенностей построения АСП PC МКС
Процесс планирования полетов PC МКС основан на принципе последовательного и сквозного формирования расписаний действий экипажа и начинается с НПП как с самого верхнего уровня иерархии. Нижними в иерархии находятся ДПП и БДПП, которые представляют подробную схему управления ОК и жизнедеятельностью космонавтов. Каждый последующий уровень иерархии планов строится на основе предыдущего, постепенно уточняя данные и наполняя план новой необходимой информацией.
Одной из наиболее существенных особенностей АСП PC МКС является использование оригинальной системы упорядочивания и соответствующего кодирования всех полетных операций. В связи с тем, что одна и та же полетная операция может находиться в различных версиях одного и того же плана и иметь некоторые отличия согласно поставленной цели, то появляется необходимость в четком и однозначном отличии нескольких вариантов ее реализации. Для этого при хранении данных об операциях, созданных в программе экспедиции на основе определенного эталона, применяется древовидная структура, состоящая из следующих уровней (рис. 4.8): 1) шаблон - операция, являющаяся общим родителем для всех работ в экспедиции, созданных на основе определенного эталона; 2) экземпляры - операции, создаваемые для каждого последующего включения работы в расписание; 3) потомки - операции, представляющие конкретные варианты включения одного и того же экземпляра в расписания.
На этапе размещения операций в плане создаются экземпляры и потомки, которые отличаются большим количеством данных, чем эталон. Таким образом, потомки - это размещенные в конкретных планах полетные операции, а экземпляры и шаблоны - служебные данные, скрытые от планировщиков, но используемые системой при копировании, сравнении и слиянии версий планов.
При создании планов различного уровня детализации возникает необходимость в копировании блоков работ из одной версии расписания в другую. Для этого используется унифицированная процедура копирования полетных операций, которая применяется в следующих случаях: создание дочерних планов и заполнение их операциями из плана-родителя; копирование планов для создания нескольких версий плана одного уровня иерархии; копирование части работ из одной версии расписания в другую. При копировании операции из одного плана в другой создается копия оригинала работы и размещается в плане-приемнике. Такой механизм позволяет проводить пооперационное сравнение любых двух планов, в которые включают разные варианты полетных операций. Сравнение планов обеспечивает возможность их последующего слияния в новый план, причем планировщик может для каждой работы выбрать подходящую версию реализации.
Организация наследования объектов планирования - полетных операций Модули АСП снабжены функциями, позволяющими отслеживать возникновение конфликтных ситуаций, которые происходят по причине нарушения условий выполнения ряда полетных операций. Отслеживаются следующие параметры: наличие свободного времени члена экипажа, участвующего в выполнении данной операции; наличие телекоммуникационных каналов НИП и TDRS, необходимых для выполнения полетных операций; разнесение по времени подмножества работ, для которых выставлен признак несовместимости друг с другом.
В случае возникновения конфликта происходит выделение красным цветом входящих в него операций, а также отображается причина конфликта. В графическом формате имеется дополнительная функция урегулирования конфликтов за счет автоматического определения корректных интервалов размещения операций.
Одним из главных требований к системе планирования было наличие многопользовательского режима создания и редактирования планов. Данный режим позволяет нескольким планировщикам одновременно редактировать одну и ту же версию плана, и при этом наблюдать на своем мониторе все изменения, внесенные остальными участниками формирования расписания. Все действия каждого планировщика заносятся в общий протокол действий пользователей.
Выполнение большинства полетных операций (ведение сеанса связи с экипажем, телерепортажей, контроль состояния систем по передаваемой с ОК телеметрической информации и др.) в момент своей реализации требует наличия связи с НКУ, поэтому время планирования данных работ должно жестко привязываться к зонам радиовидимости НИИ. Проверка готовности оборудования НИП к сопровождению полетных операций выполняется в модуле разработки планов задействования средств (ПЗС) НКУ, представляющих собой расписания задействования технических средств российских НИП с указанием режима их применения. Предусмотрена функция выдачи предупреждения планировщика в том случае, когда интервал времени между периодами последовательного применения одного и того же НИП становится меньше допустимого значения.
Процесс планирования полетов МКС включает в себя этап интеграции планов всех международных партнеров, принимающих участие в реализации космической программы. Российские планы согласуются с американскими, европейскими и японскими специалистами посредством модуля интерфейса с системами планирования международных партнеров. После этого скоординированный план вновь рассматривается и корректируется российской стороной. Основным форматом обмена с международными партнерами является xml стандарт.
Сравнивая особенности АСП PC МКС и CPS, описанной в главе 1, можно сделать вывод о высокой степени близости подходов в формировании планов полетов с использованием средств указанных систем. Так как и у отечественных, и у зарубежных специалистов в процессе планирования возникают идентичные проблемы, в настоящее время наметилась тенденция сближения систем планирования. Приняты предварительные решения о совершенствовании средств обмена, переходе на создание новых форматов обмена, а также проработке перспективного варианта процесса согласования планов с использованием Web технологий [144]. При разработке АСП PC МКС учитывался положительный опыт американских специалистов, а также те недостатки, которые были выявлены в процессе эксплуатации CPS.
Проектирование АСП PC МКС на принципе модульного построения системы обеспечило возможность ее непрерывного развития и модернизации на каждом этапе ее создания и ввода в штатную эксплуатацию. Повышение уровня автоматизации в новой системе планирования позволило исключить необходимость выполнения ряда рутинных операций и избежать множества допускаемых при этом ошибок.