Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 15
1.1 Теоретические основы технического оснащения технологических процессов 15
1.2 Метасистемность синтеза гибкой производственной системы 24
1.3 Робототехнические системы медицинского назначения 37
1.4 Цель и задачи исследования 41
2 Разработка оптимальной стратегии технического оснащения 42
2.1 Метасистемный иерархический подход к выбору технических средств 42
2.2 Выявление областей применимости систем технического оснащения 50
2.3 Траекторный метод планирования стратегии выбора технических средств 51
2.4 Оценка готовности систем технического оснащения к применению 55
2.5 Сочетаемость различных средств и систем технического оснащения 57
2.6 Оптимальное перераспределение ресурсов между системами технического оснащения 57
2.7 Формирование оптимального множества для выбора технических средств 59
Выводы по второй главе 64
3 Готовность технических средств к оснащению технологического процесса 65
3.1 Постановка задачи оптимизации уровня готовности технического оснащения к использованию 65
3.2 Решение задачи оптимизации уровня готовности и обсуждение полученных результатов 68
3.3 Постановка задачи оптимального перераспределения ресурсов .77
3.4 Мероприятия по повышению готовности системы технического оснащения к применению 78
3.5 Этапность проектно-конструкторского процесса 82
Выводы по третьей главе 85
4 Практическое исследование и программная реализация системы компьютерной поддержки выбора технических средств 86
4.1 Оценка сложности технологического процесса на примере офталь-мохирургических операций 86
4.2 Выбор способа описания технологического процесса 95
4.3 Структура и функционирование системы компьютерной поддержки выбора технических средств 98
Выводы по четвертой главе 106
Заключение 107
Список использованных источников 108
Приложения 123
- Теоретические основы технического оснащения технологических процессов
- Метасистемный иерархический подход к выбору технических средств
- Постановка задачи оптимизации уровня готовности технического оснащения к использованию
- Оценка сложности технологического процесса на примере офталь-мохирургических операций
Введение к работе
Концептуальной теорией, определяющей выбор технического оснащения технологических процессов при массовом производстве, является теория производительности труда Шаумяна Г.А., подразумевающая в конечном итоге выбор самых производительных технических средств. Однако производительность не всегда является решающим критерием, а от технических средств и систем в современных условиях требуется высокая гибкость.
Синтез гибких технических средств можно осуществлять, пользуясь идеологией групповой технологии Митрофанова СП., при которой производственные процессы объединяются в группы с близкой технологией, что повышает загрузку технического оборудования. Но выбор технических средств при этом носит организационный эвристический характер, лишь косвенно учитывает эффективность и совсем не учитывает готовность технических средств к внедрению, а также возможность их модернизации.
С применением метасистемной идеологии Дж. Клира намечен подход к структурному синтезу гибких производств. На основе подобного подхода, названного в системологии метасистемным, может быть развита общая методология для синтеза гибких технических систем.
Выбор технических средств оснащения технологических процессов связан с анализом огромного количества вариантов систем. Оно растет пропорционально mn, где m - количество элементов, включенных в техническую систему, an- количество вариантов реализации этих элементов. Метаси-стемная идеология позволяет создать компьютерную систему оценки эффективности синтезируемых технических средств оснащения, решающую проблему множественности выбора.
Целью исследования является разработка методов и средств для выбора и оценки эффективности технического оснащения технологических процессов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач научного характера, вызванных противоречиями между состоянием теории и практики:
Развить основные теоретические положения в части методологии оценки эффективности технического оснащения технологических процессов.
Исследовать и разработать критерии эффективности технических средств и систем.
Разработать архитектуру системы компьютерной поддержки для выбора и оценки эффективности технического оснащения.
Разработать методики выбора и оценки эффективности технического оснащения и на их основе - соответствующую программу.
В качестве объекта исследования выбран процесс технического оснащения заданной технологии изготовления продукции.
Предметом исследования являются методы и средства выбора и оценки эффективности технических систем.
Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа, теории стохастических марковских процессов, оптимального управления, дифференциальное и интегральное исчисления функций одной и многих переменных, методы компьютерного моделирования, векторная алгебра и геометрия.
Научная новизна работы заключается в применении метасистемного подхода к решению задач синтеза высокоэффективного технического оснащения технологического процесса и включает следующие результаты:
метасистемная модель и комплексный критерий для выбора технического оснащения технологического процесса, позволяющие методом иерархического перебора альтернатив выбрать наиболее эффективный вариант технического оснащения;
траекторный метод планирования стратегии выбора технического оснащения, заключающийся в построении на многомерном пространстве
параметров, границ областей эффективности технических систем, что позволяет прогнозировать последовательность и моменты начала обновления технических систем;
модель управления интенсивностью приложения управляющих воздействий в функции времени и рыночной стоимости продукции, позволяющая организовать техническое оснащение технологии изготовления этой продукции в виде сетевого графика;
критерий и методика оценки комплексной сложности технологического процесса, основанные на применении принципов дескриптивности и нечеткости, с помощью которых определяются затраты на техническое оснащение;
архитектура и алгоритмы функционирования системы компьютерной поддержки для адаптивного выбора и оценки эффективности технического оснащения технологических операций.
Практическая значимость. Разработанный программный инструмент можно использовать в качестве базовой компоненты при синтезе текущего и перспективного технического оснащения технологических процессов.
Практический интерес представляет методика оценки сложности технологических процессов, а также методика оценки эффективности интегрирования технических средств.
Реализация результатов работы. Результаты работы применены в МНТК «Микрохирургия глаза» (Оренбургский филиал), а также в учебном процессе Оренбургского государственного университета, что подтверждается соответствующими актами внедрения.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на региональной научно-практической конференции "Современные информационные технологии в науке, образовании и практике" в г. Оренбурге в 2002 г.; на международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ком-
пьютеры. Программы. Интернет. 2003» в г. Киеве; на Всероссийской научно-практической конференции «Современные аспекты компьютерной интеграции машиностроительного производства» в г. Оренбурге в 2003 г.; на I Всероссийской научно-практической конференции «Здоровьесберегающие технологии в образовании» в г. Оренбурге в 2003 г.; на 24 Российской конференции «Новые технологии микрохирургии глаза» в г. Оренбурге в 2003 г.; на Всероссийской научно-практической конференции "Современные информационные технологии в науке, образовании и практике" в г. Оренбурге в 2004 г.; на научно - техническом совете Всероссийского научно - исследовательского и испытательного института медицинской техники в Москве; на научных семинарах кафедры медико-биологической техники, кафедры программного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных систем и расширенном заседании кафедры систем автоматизации производства Оренбургского государственного университета в 2003-2006 г, на Всероссийской научно - практической конференции «Методологические особенности и проблемы совершенствования преподавания финансово - экономических дисциплин» в г.Краснодаре в 2006г.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа включает введение, 4 главы, заключение, список литературы из 114 наименований и приложения. Общий объем работы составляет 122 страницы, в том числе 81 страница машинописного текста, 25 рисунков и 4 таблицы.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 работ, в том числе две статьи в издании, рекомендованном ВАК РФ, получен патент РФ на изобретение и зарегистрирована программная система.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы проблема, цель и задачи исследования, раскрыты его теоретико-методологические основы, представлены полученные результаты и их науч-
ная новизна, теоретическая и практическая значимость исследования, а также апробация результатов.
В первой главе рассматриваются существующие теории, схемы и технические средства, повышающие эффективность технологических процессов. Конкретизируется проблема адаптивного выбора технических средств. Проводится подробный анализ имеющейся по этому вопросу патентной и научно - технической литературы и констатируется, что в последнее время главной тенденцией в техническом оснащении технологических процессов является повышение его гибкости.
В теоретическом плане для выбора технических средств применяется либо теория производительности труда Шаумяна Г.А., либо идеология групповой технологии Митрофанова СП. Первая справедлива лишь для массового производства, а вторая не доведена до математической оценки. Поэтому, на взгляд автора, преимущество имеет метасистемная идеология выбора технических средств, основы которой разработаны для структурного синтеза гибких производственных систем.
В соответствии с выявленными противоречиями между потребностями практики и состоянием теории в конце главы ставится научная задача, формулируется цель и задачи исследования.
Во второй главе показано, что процесс выбора эффективных технических средств носит иерархический и метасистемныи характер. Предложена метасистемная модель для оптимального их выбора. На вход метасистемы поступает описание технологии, нуждающейся в техническом оснащении. Система компьютерной поддержки анализирует требования, задаваемые ею, а также опыт прошлой работы, и выбирает один или несколько вариантов однократного технического оснащения либо стратегию пооперационного внедрения технических средств.
На основе метасистемной модели поставлены и рассмотрены возможности решения шести метасистемных задач:
Выявление областей применимости каждой из систем технического оснащения или их сочетаний к группе технологических процессов.
Разработка оптимальной стратегии модернизации путем замены данной системы технического оснащения на новую одиночную или группу одновременно используемых систем.
Выявление и обеспечение степени готовности систем технического оснащения к использованию.
Решение вопросов о сочетаемости различных технических систем путем поиска согласованных технических средств.
Задача оптимального перераспределения общесистемных ресурсов при техническом оснащении технологического процесса.
Задача синтеза метасистемы - формирование оптимального портфеля технических средств.
Рассмотрены существующие методы решения этих задач. Особое внимание уделено разработке новой методики траєкторного планирования стратегии выбора технических средств, а задача управления готовностью системы технического оснащения к внедрению вынесена в отдельную главу.
Траекторный метод заключается в построении в многомерном пространстве параметров (под которыми понимаются: быстродействие, точность, геометрические размеры, тип привода, степень автоматизации, технико-экономические показатели, уровень потребности в техническом оснащении, финансовое и кадровое состояние предприятия) границ областей эффективности технических систем. В каждый момент времени признаки многомерного пространства имеют конкретные значения, и, стало быть, задают изображающую точку.
При изменениях координат, обусловленных возмущающим процессом, изображающая точка начинает двигаться. В результате за некоторый промежуток времени имеем вектор перемещения. По этому вектору осуществляется прогноз, отвечающий на вопросы: какие методы и технические средства и
в какой момент времени необходимо будет готовить в текущей ситуации, чтобы успеть своевременно переключиться на них при прохождении изображающей точкой через границы областей эффективности.
В конце главы обосновывается понятие адаптивного выбора. В данном исследовании целью выбора является повышение эффективности технологии, оцениваемое коэффициентом удельного эффекта, готовностью к внедрению и сочетаемостью с прогнозируемой модернизацией. Причем в разных задачах составляющие этой цели выступают на первый план, изменяя цель и делая выбор технических средств адаптивным. Следовательно, комплексный критерий выбора должен включать с соответствующим весом коэффициент удельного эффекта, готовность технической системы к внедрению и сочетаемость ее с модернизирующей. Выбранные технические средства будут наиболее эффективными, если интегрированная из них система будет иметь самое высокое значение этого коэффициента, названного комплексным критерием выбора.
В третьей главе рассмотрен вопрос об оценке и оптимальном управлении уровнем готовности системы технического оснащения к внедрению.
Математически постановка задачи выглядит следующим образом.
Внешним (возмущающим) процессом при техническом оснащении является изменение потребности и, соответственно, рыночной стоимости продукции, для изготовления которой используется данный технологический процесс. Считая его марковским, воспользуемся уравнением Колмогорова с правой частью.
Для адекватного функционирования метасистема, включающая набор систем технического оснащения, перспективных для данного технологического процесса, должна подчиняться тому же уравнению, что и внешний процесс с добавлением в правой части управляющего воздействия. Самостоятельность метасистемы выражается в другой величине - плотности веро-
ятности, которая отражает готовность соответствующей системы технического оснащения к использованию.
Принимая, что оба процесса подвергаются одинаковым возмущениям, и проводя соответствующие математические выкладки, получаем уравнение относительно разности плотностей вероятности.
Примем в соответствии с теорией аналитического конструирования оптимальных регуляторов, предложенной профессором Летовым A.M., в качестве критерия оптимальности сумму квадратов потерь, зависящих от разности вероятностей и затрат управляющих воздействий.
Кроме того, в зависимости от времени начала подготовительных операций по отношению к возникающей потребности в техническом оснащении, меняется интенсивность подготовки и, соответственно, затраты на управление. То есть имеет место задача с подвижной верхней границей, и, следовательно, на этой границе должно выполняться условие трансверсальности экстремалей функционала кривой, по которой скользит верхняя граница.
Данная задача оптимизации относится к классу задач на условный экстремум и сводится к классическому случаю с помощью одного множителя Лагранжа. Для нахождения экстремалей данного функционала составляются три уравнения Остроградского. Сюда же добавляем условия трансверсальности на подвижной границе функционала.
Чем больше времени на подготовку, тем интенсивность проведения подготовительных мероприятий ниже. И, наоборот, она возрастает до бесконечности, если время на подготовку приближается к нулю. Следовательно, в качестве кривой скольжения можно принять гиперболу. Из полученного после преобразований уравнения можно определить оптимальное время, необходимое на подготовительные мероприятия.
Для определения управляющих воздействий имеем уравнение третьего порядка в частных производных. Ввиду отсутствия стандартного программного обеспечения для его решения разработана специальная программа.
Таким образом, поставлена и решена задача оптимизации степени готовности технической системы к внедрению. В результате найдена оптимальная зависимость распределения управляющих воздействий, готовящих техническую систему к внедрению во времени.
В четвертой главе рассмотрено практическое исследование и программная реализация системы компьютерной поддержки выбора технического оснащения технологического процесса.
Для описания операций, составляющих технологический процесс, необходим специальный формализованный язык. За его основу можно принять сочетание графического и словесного описания. При этом задание инструмента, траектории его движения можно показывать графически, а некоторые тонкие места, а также физические процедуры описывать словесно. Такое сочетание придаст достаточную гибкость и универсальность системе, расширит круг технически оснащаемых технологических процессов.
В качестве области приложения данного исследования выбрана медицинская промышленность, а технических средств - робототехнологические комплексы для мало автоматизированных в настоящий момент, но поставленных «на поток» офтальмохирургических технологий.
Для оценки эффективности технического оснащения с помощью коэффициента удельного эффекта необходимо знать затраты на него, которые в первом приближении пропорциональны сложности реализуемой технологии. Для определения последней была предложена методика оценки сложности офтальмохирургических операций, основанная на рассмотрении двух принципов: дескриптивности и нечеткости.
Согласно первому принципу, сложность системы пропорциональна объему информации, необходимой для ее описания. Одним из способов описания такой дескриптивной сложности является оценка числа элементов, входящих в систему.
В соответствии со вторым принципом сложность систем должна быть пропорциональна объему информации, необходимой для разрешения любой системной нечеткости. Эта информация основывается на соответствующей мере нечеткости (например, шенноновской энтропии).
Поскольку сложность пропорциональна количеству составляющих оф-тальмохирургическую операцию элементов и обратно пропорциональна допустимому отклонению в траектории движения хирургического инструмента, для комплексной ее оценки необходимо рассматривать их отношение, то есть ввести критерий комплексной сложности офтальмохирургической операции.
Разработанная на основе двух указанных принципов методика оценки сложности офтальмохирургической операции внедрена в МНТК «Микрохирургия глаза» (Оренбургский филиал).
Анализ статистических данных показывает, что едва ли не самым частым типовым действием в операциях является увлажнение глаза. Это действие отвлекает внимание хирурга, прерывает операцию. С другой стороны, сложность этого типового действия невелика. Последовавшее в дальнейшем его детальное изучение позволило разработать соответствующее автоматическое устройство, на которое получен патент РФ.
На основе результатов проведенного теоретического исследования разработан программный комплекс «AVSATP», включающий базу технических средств и управляющую программу.
В системе имеется интегрированная база данных с информацией о технологиях и технических средствах с оценкой их коэффициента удельного эффекта и степени готовности к внедрению.
Система компьютерной поддержки «AVSATP» позволяет вводить описание технологии, разбивать ее на элементарные операции, подбирать технические средства для их реализации и объединять их в техническую систему. Затем она оценивает технико-экономические показатели синтезированных технических систем и выводит наилучшие из них в количестве и по крите-
рию, определенным пользователем.
Система компьютерной поддержки выбора технических средств реализована на основе меню. Первая опция позволяет вводить информацию о технологии. К изображению глаза (форма которого может быть выбрана из архива либо задана пользователем программы) привязана система координат. При движении мыши с нажатой левой клавишей компьютер вычерчивает траекторию движения инструмента. Вторая опция введена для редактирования таблиц базы данных (технологий, кинематики, приводов, датчиков и синтезированных технических систем). По запуску третьей опции программа производит адаптивный выбор, используя пометки в четвертой опции. Пятая и шестая опции необходимы для организации вывода информации в виде чертежей, схем, спецификаций.
В конце главы описаны практические аспекты использования разработанного программного комплекса «AVSATP». На основе траекторной стратегии набиралась база технических средств. В соответствии с ней из имеющихся патентов выбирались наиболее точные, быстродействующие, надежные, менее дорогостоящие, обеспечивающие высокое качество выполнения операций. Работа системы проверялась на примере технического оснащения имплантации оптических линз. Система сравнивала ручное исполнение операции и с применением технического оснащения в соответствии с патентом РФ №2018287. В результате вычислений критерия адаптивного выбора сделан вывод о преимуществе технического оснащения.
В заключении подытоживаются проведенные исследования и намечаются направления дальнейшей работы.
Теоретические основы технического оснащения технологических процессов
Задача технического оснащения технологического процесса является в общем случае довольно сложной. При ее решении целесообразно проводить декомпозицию и вводить иерархию. В [46] выделяется четыре иерархических уровня выбора средств автоматизации: экономический, технологический, структурный (в теории управления структурная схема тесно связана с алгоритмом управления, поэтому этот уровень можно назвать также алгоритмическим) и параметрический (технический). На наш взгляд, эту декомпозицию необходимо дополнить еще одним уровнем - социальным, поскольку при техническом оснащении технологических процессов большое влияние имеют гуманитарные, юридические, экологические и ряд других социальных аспектов, которые могут обесценить ее результаты.
На экономическом уровне ставятся и решаются задачи оптимизации экономических показателей. На технологическом уровне решаются задачи оптимизации технологии. Структурный уровень связан с решением задач выработки алгоритмов оптимального управления технологическими процессами. Наконец, параметрический уровень решает задачи параметрической оптимизации системы управления. При этом критерии оптимального синтеза выявляются на более высоком уровне иерархии, а используются на более низком уровне.
В настоящее время практически единственной теорией технического оснащения, которая охватывает все указанные уровни проектирования, является теория производительности общественного труда Шаумяна Г.А., сформулированная им еще в 1932-1933 гг. [73]. В ее основе лежит вычисление коэффициента повышения производительности общественного труда, равного отношению объема произведённой продукции к затратам, связанным с её изготовлением.
Эта теория позволяет не только довести проектирование до расчёта технологических параметров и требуемой надёжности применяемого оборудования, но даже наметить три перспективы автоматизации: снижение затрат "живого труда", снижение стоимости и повышение производительности технологического оборудования.
Важнейшими факторами производительности труда являются затраты труда на создание, обслуживание и эксплуатацию автоматизированной технологической системы. Эти затраты включают три составляющих:
1) единовременные затраты прошлого труда Тп, необходимые для создания оборудования, зданий, сооружений и т. п.;
2) текущие затраты прошлого труда Tv, которые включают в себя часть овеществленного труда, затрачиваемую на основные и вспомогательные материалы, запчасти, электроэнергию, инструменты, топливо, смазку и тому подобное, необходимые для производства изделий. В то время как текущие затраты прошлого труда непрерывно растут пропорционально времени (годам), а также количеству выпущенной продукции, единовременные затраты прошлого труда являются разовыми, рассчитанными на весь срок службы оборудования (N лет), то есть носят постоянный характер;
3) текущие затраты живого труда Тж обслуживающих рабочих, которые, используя средства, создают новые материальные ценности. Суммарные затраты за весь срок действия средств труда равны: Т = Тп + М(ТЖ + Tv). (1.1)
Производительность общественного труда Ат оценивается путем сопоставления результатов трудового процесса - количества выпущенной продукции - с суммарными трудовыми затратами, необходимыми для ее выпуска за некоторый интервал времени -N лет (срок эксплуатации оборудования): AT = W/T, (1.2) где W - выпущенная годная продукция. При постоянной производительности оборудования W = QrN, где Qr - годовой фактический выпуск продукции. Подставляя значение W и Т в формулу (1.2), получаем Аг= М . (1.3) Т„+М(ТУ+ТЖ)
В соответствии с этим законом, при малых сроках эксплуатации оборудования рост производительности труда довольно интенсивен, затем замедляется и при больших сроках практически прекращается, асимптотически приближаясь к своему пределу: ATm = Um Я --2 . (1.4) н- »Т„ + ЩТу+Тж) Ту+Тж
Формулу (1.3) производительности труда часто преобразовывают следующим образом. Принимая живой труд мерой (масштабом) оценки прошлого труда, затраты можно выразить в единицах живого труда, вводя коэффициенты кит: к = Тп/Тж, т = ТУТж, (1.5) где к - коэффициент технической вооруженности живого труда, характеризующий отношение единовременных затрат овеществленного труда на создание средств производства Тп к годовым затратам живого труда; m - коэффициент энергоматериалоемкости живого труда, характеризующий отношение годовых текущих затрат Tv овеществленного труда на инструмент, электроэнергию, вспомогательные материалы и ремонт к годовым затратам живого труда.
Метасистемный иерархический подход к выбору технических средств
При выборе технических средств оснащения технологического процесса, существуют два аспекта, которые взаимосвязаны между собой: иерархичность и метасистемность. Эти два аспекта всегда присутствуют в сложных процессах управления и характеризуют их двумерность - матричность [93].
Выбор стратегии технического оснащения технологических процессов является сложным ответственным процессом со многими альтернативами. Принятие неправильного решения здесь может привести производство к большим убыткам и потерям драгоценного времени.
Иерархичность, разбивая альтернативы вместе с обусловливающими их ограничениями по уровням, повышает надежность, упрощает решение и, следовательно, повышает его точность.
Принятие решения на каждом уровне иерархической лестницы связано с разнородными группами факторов. На самом верхнем уровне решается вопрос о выделяемых денежных средствах, далее решаются задачи технического оснащения - достижение экономического, социального или качественного эффекта, анализируется технологический процесс с учетом его масштаба и предполагаемых затрат. Затем определяются частные показатели, связанные с выбранной технологией: оборудование, приспособления, системы управления и так далее вплоть до технологических режимов. При этом окончательное решение зависит от принадлежащей только ему группы параметров и ограничений и, кроме того, от уже принятого решения на высших уровнях иерархии.
Таким образом, иерархический подход предполагает проведение технического оснащения технологического процесса в следующей последовательности, развитой в теории управления: постановка цели, решение задач, выбор методов, разработка программ с выделением команд, операций, функций и определением технологических режимов, что упрощает поиск, систематизирует по уровням условия и ограничения.
В соответствии с этой схемой, основной целью для производства является получение путем технического оснащения некоторого эффекта, который в конечном счете оправдает затраты на его проведение. Исходя из этого, и определяется объем выделяемых средств. Основные задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели, связаны с выбором перспективного технического оснащения технологического процесса с учетом масштаба его использования.
В свою очередь, выбранная технология конкретизирует используемое оборудование, приспособления, управляющие программы и технологические режимы. Таким образом, иерархичность повышает определенность и позволяет упорядочить критерии выбора стратегии и тактики технического оснащения, разнести ограничения по уровням. Описанная выше иерархическая структура изображена в виде схемы на рисунке 9.
Исследуем второй аспект матричности - метасистемность. В случае выбора технических средств рассматривается некоторый набор альтернативных независимых технических систем, из которых выбирается, в конечном счете, лишь одна. Это наводит на мысль о метасистемном характере выбора.
Для доказательства применимости метасистемного подхода к выбору системы технического оснащения технологического процесса необходимо убедиться в существовании отличий в способе интегрирования технических систем, рассмотренных в главе 1.
Во-первых, технические системы в альтернативном множестве, из которого производится выбор, независимы друг от друга.
Во-вторых, в любой момент для анализа эффективности технического оснащения выбирается лишь одна техническая система либо некоторая группа согласованных технологическим процессом систем.
В-третьих, набор альтернативных вариантов технических систем изменяется как количественно, так и по составу.
Эти три положения доказывают метасистемность процесса выбора технических средств. Таким образом, метасистемная идеология предоставляет теоретические основы при выборе технических средств для конкретного технологического процесса [94]. На ее основе можно предложить следующую модель выбора технических средств - рисунок 10. Модель включает множество альтернативных технических систем и позволяет оценить показатели, характеризующие каждый вариант технического оснащения конкретного технологического процесса.
На вход схемы поступает неоснащенный (либо частично оснащенный) техническими средствами технологический процесс. Система компьютерной поддержки выбора перебирает все возможные варианты технического оснащения операций, составляющих технологический процесс, рассчитывая при этом технико-экономические показатели каждого. Затем отбираются самые перспективные варианты с учетом пожеланий пользователя.
Однако, такая модель справедлива при разовом одновременном техническом оснащении технологического процесса. Недостаток такого способа заключается в остановке на время технического оснащения изготовления продукции, а также в необходимости иметь все технические средства в одинаковой степени готовности. С другой стороны, технологический процесс можно оснащать постепенно, операцию за операцией, по мере готовности технических средств, останавливая изготовление продукции лишь на короткое время либо там, где можно, не прерывая его. Такое растянутое во времени техническое оснащение может дать прямую экономическую выгоду, но требует заранее разработанной стратегии, а также конкретного плана.
Постановка задачи оптимизации уровня готовности технического оснащения к использованию
Из рассмотренных задач метасистемного подхода для процесса проектирования системы технического оснащения одной из важных является задача управления готовностью выбранной системы к внедрению, так как решение этой задачи составляет суть процесса технического оснащения.
Как было показано во второй главе, готовность предприятия к техническому переоснащению складывается из двух составляющих: готовности технологии к техническому оснащению и готовности внедряемой технической системы.
Анализ готовности технологии важен в связи с тем, что от ее степени зависит отработанность составляющих ее операций, гарантированность высоких показателей качества продукции при условии соблюдения определенных значений технологических параметров.
С другой стороны, возникает задача выбора наиболее готовой системы, минимизирующей потери предприятия на ее внедрение для технического оснащения технологии изготовления продукции, на которую возник повышенный спрос.
Постановку этой задачи начнем с математического описания процесса технического оснащения.
Внешним (возмущающим) процессом при техническом оснащении является изменение потребности и, соответственно, рыночной стоимости продукции, для изготовления которой используется данный технологический процесс. Считая его марковским, воспользуемся уравнением Колмогорова с правой частью: где со - плотность вероятности превышения рыночной стоимостью X на данную продукцию уровня себестоимости; а - коэффициент сноса; b - коэффициент диффузии; f(t) - возмущающее воздействие.
Для адекватного функционирования метасистема, включающая набор систем технического оснащения, перспективных для данного технологического процесса, должна подчиняться тому же уравнению, что и внешний процесс с добавлением в правой части управляющего воздействия u(X,t). Самостоятельность метасистемы выражается в другой величине - плотности вероятности, которая отражает готовность соответствующей системы технического оснащения к использованию соь Таким образом, уравнение (3.1) преобразуется к следующему виду:
Теперь можно сформулировать задачу оптимизации. В качестве критерия оптимальности можно было бы принять сумму потерь от неточного совпадения двух вероятностей и затрат на повышение го товности системы к использованию, которые можно оценивать в соответствии с [4S] с помощью виртуальной работы управляющих воздействий:
В данном случае принят закон распределения Гаусса с дисперсией а для вероятности отклонения потребности от среднего значения. Однако при таком вычислении виртуальной работы управляющих воздействий приходим к вырожденным уравнениям Эйлера, которые не позволяют определить минимум.
Примем в соответствии с теорией аналитического конструирования оптимальных регуляторов (АКОР), предложенной профессором Летовым A.M. [48, 74], в качестве критерия оптимальности сумму квадратов потерь, зависящих от разности вероятностей (3.4) и затрат управляющих воздействий:
В такой постановке задача оптимизации включает критерий (3.7), уравнение (3.5) - с соответствующим начальным и граничными значениями - играющее роль некоторых обязательных условий [91]. Кроме того, в зависимости от времени начала подготовительных операций смены технического оснащения по отношению к возникающей потребности на продукцию, меняется интенсивность подготовки и соответственно затраты на управление. Это означает, что имеет место задача с подвижной границей во времени, а, значит, на этой границе должно выполняться условие трансверсальности экстремалей функционала (3.7) кривой, по которой скользит эта граница.
Таким образом, сформулированная задача позволит определить оптимальный закон изменения управляющих воздействий, направляемых на повышение готовности системы к внедрению во времени и в зависимости от изменения потребности на данный вид продукции, отражаемая ценой.
Оценка сложности технологического процесса на примере офталь-мохирургических операций
Проектирование сложных систем технического оснащения представляет собой многоэтапный процесс, основными стадиями которого являются: техническое задание, техническое предложение, эскизный технический и рабочий проекты. На каждом из этих этапов повышается вероятность того, что техническое оснащение будет результативным. Наиболее эффективный путь достижения этого показан на сетевом графике (рисунок 18) жирной линией.
Техническое задание, получаемое в результате научно-исследовательской разработки и поискового проектирования, имеет целью определение технических требований к системе технического оснащения. Здесь изучаются и формулируются требования к системе, исходя из принципов функционирования и возможности реализации. Кроме того, на этой стадии обосновываются критерии оценки эффективности системы и определяются ограничения на ее технические характеристики. По окончании этой стадии разрабатывается техническое задание на систему, которое устанавливает назначение, технические и тактико-технические требования, показатели качества и технико-экономические характеристики, а также специальные требования.
На стадии технического предложения определяют принципиально возможные способы создания проектируемой системы, проводят сравнительную оценку их по выбранным критериям и устанавливают техническое и технико-экономическое обоснование целесообразности дальнейшей разработки.
После утверждения технического предложения конструкторский проект системы разрабатывается в трех стадиях: эскизный, технический и рабочий проекты. Однако на практике может быть и другая форма - двухстадийная и даже одностадийная (сразу рабочий проект).
Эскизный проект - комплекс конструкторских документов, дающих общее представление о системе (принцип работы, назначение, основные параметры). Здесь, как правило, отражаются варианты конструкторских решений, подлежащие уточнению.
Технический проект дает полное и окончательное представление о системе, включая все данные, необходимые для разработки рабочей документации, гарантирующей надежность основных элементов конструкции.
Рабочий проект предусматривает полную детализацию конструкции системы путем разработки чертежей на каждый элемент. Кроме рабочих чертежей, сюда входят: чертежи общих видов; схемы управления; чертежи узлов; спецификации входящих элементов; пояснительная записка и инструкции; технический паспорт и ряд других документов.
Подробнее вопросы проектирования систем технического оснащения, а именно изготовления, внедрения и эксплуатации рассматриваются в работе [73].
Выводы по третьей главе
1 Готовность предприятия к техническому переоснащению складывается из двух составляющих: готовности технологии к техническому оснащению и готовности внедряемой системы технического оснащения.
2 Если принять гипотезу о марковости процесса повышения готовности технической системы к внедрению, то можно сформулировать задачу оптимизации распределения управляющих ресурсов во времени и решить ее с помощью методов аналитического конструирования оптимальных регуляторов (АКОР).
3 Анализируя результаты численного исследования задачи оптимизации уровня готовности системы технического оснащения, можно сделать следующие выводы: - максимум усилий, повышающих готовность системы к внедрению, прилагается незадолго до момента резкого повышения спроса на данный вид продукции; - управляющие воздействия, повышающие готовность системы прилагаются и после момента повышенного спроса; - к моменту повышенного спроса на продукцию данного вида основная доля повышающих готовность системы к внедрению мероприятий должна быть уже осуществлена.
4 Зависимость интенсивности приложения управляющих воздействий от времени при подготовке системы технического оснащения технологического процесса к внедрению позволяет составить план мероприятий по его выбору и реализации в виде сетевого графика.
5 Системный подход к техническому оснащению, как к процессу перевода производства на качественно новый уровень, требует комплексного рассмотрения всех вопросов, связанных с созданием действующей системы технического оснащения: ее проектирования, изготовления, внедрения и, наконец, эксплуатации.
