Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Организация и особенности многоуровневых интегрированных производственных структур 22
1.1 Организация многоуровневых интегрированных структур в промышленности России 22
1.2 Особенности многоуровневых интегрированных структур (МИС) в лесопромышленном комплексе (ЛПК) 32
1.3 Классификация МИС ЛПК 43
1.4 Проблемы управления и планирования работы МИС ЛПК 49
1.5 Выводы 58
Глава 2. Задачи планирования и управления материальными потоками МИС ЛПК 60
2.1 Основные виды, организация и структура материальных потоков в МИС ЛПК 64
2.2 Многоуровневый комплекс задач планирования и управления материальными потоками в МИС ЛПК 71
2.3 Многоэтапные транспортно-производственные задачи 81
2.4 Модель многоуровневого процесса последовательной переработки в МИС 90
2.5 Выводы 92
Глава 3. Постановка и исследование многоэтапной транспортно-производственной задачи 95
3.1 Постановка многоэтапной транспортно-производственной задачи (МТПЗ) 95
3.2 Базовые методы решения МТПЗ 102
3.3 Исследование решений МТПЗ 113
3.4 Применение методов декомпозиции для решения линейной МТПЗ '-. П9
3.5 Поиск субоптимальных решений МТПЗ 126
3.6 Выводы 130
Глава 4. Прикладные многоэтапные транспортно-л роизводственные задачи планирования и управления основными производствами в МИС ЛПК 132
4.1 Постановка и варианты задачи размещения производств и определения структуры заготовки применительно к МИС ЛПК 133
4.1.1 Базовая транспортно-производственная задача 136
4.1.2 Многопродуктовая транспортно-производственная задача 138
4.1.3 Вариантная транспортно-производственная задача 142
4.1.4 Задача реконструкции действующих и строительства новых предприятий (производств) 145
4.1.5 Задача выбора транспортных средств вывозки продукции с учетом ее перевалки 148
4.2 Задача распределения лесопродукции и выбора технологий производства МИС ЛПК . 152
4.3 Задачи оперативно-диспетчерского управления процессами варки целлюлозы и регенерации щелоков 158
4.4 Задача управления сбытом продукции предприятия МИС ЛПК 163
4.5 Задача распределения ресурсов предприятия МИС ЛПК 170
4.6 Задача согласования производства и сбыта продукции 174
4.7 Задача планирования производства предприятия МПС ЛПК
с учетом имеющегося «портфеля» заказов 179
4.8 Выводы 182
Глава 5. Задачи планирования и управления ремонтными производствами в МИС ЛПК. . 184
5.1 Организация и структура товарно-материальных потоков в ремонтно-механическом производстве (РМП) 186
5.2 Задача материального обеспечения ремонтных производств МИС ЛПК 188
5.3 Задача оптимизации объемного плана работы РМП 197
5.4 Объемно-календарный план ремонтного производства 210
5.5 Интегрированная информационно-аналитическая система управления ремонтным производством 221
5.6 Выводы 226
Глава 6. Использование МТПЗ для создания автоматизированной системы управления территориально-распределейными ТПС 228
6.1 Рекомендуемые схемы декомпозиции комплекса моделей МТПЗ 228
6.2 Сравнительный анализ традиционной системы управления и системы управления с использованием МТПЗ 231
6.3 Рекомендуемая последовательность создания автоматизированной системы управления ТПС 237
6.4 Выводы 244
Заключение 245
Литература 249
- Особенности многоуровневых интегрированных структур (МИС) в лесопромышленном комплексе (ЛПК)
- Модель многоуровневого процесса последовательной переработки в МИС
- Поиск субоптимальных решений МТПЗ
- Задача реконструкции действующих и строительства новых предприятий (производств)
Введение к работе
Актуальность темы исследования
За последние годы в России произошла серьезная структурная перестройка ряда отраслей промышленности, активно происходят интеграционные процессы, связанные с укрупнением промышленного производства и созданием групп взаимосвязанных и взаимозависимых предприятий. Одной из наиболее выраженных тенденций в добывающих и перерабатывающих отраслях является создание территориально-распределенных многоуровневых холдингов, включающих в себя десятки крупных предприятий и осуществляющих полный цикл производства от заготовки сырья с его комплексным использованием, производством и расширением видов выпускаемой продукции до транспортировки его потребителям. Развитие крупных интегрированных саморазвивающихся многоуровневых корпоративных структур рыночного типа — прогрессивный путь к восстановлению производственно-хозяйственных связей предприятий, разрушенных в переходный период. Подобным структурам под силу осуществить финансовое оздоровление производств, расширить спектр производимой продукции и создать новые перспективные производства, обеспечить развитие капргталоемких производств, техническое перевооружение, приобретение машин и оборудования, решение вопросов научного обеспечения на основе накопления и перераспределения средств в рамках единой системы.
Одними из наиболее интересных примеров интеграции промышленных предприятий являются лесопромышленный, нефтегазовый, металлургический, горнодобывающий, машиностроительный комплексы. Основные направления интеграции структур в этих отраслях — увязывание предприятий, входящих в единую технологическую систему, углубление переработки сырья и переделов, создание новых видов про-
дукции и завоевание новых сегментов рынка, интеграция по сходству товарных позиций. Современные интегррірованньїе структуры представляет собой сложные организационно-экономические, технические и технологические комплексы, предприятия которых могут быть удалены друг от друга на сотни и тысячи километров, а численность персонала варьироваться от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч человек. В условиях территориальной удаленности предприятий значительно возрастает необходимость согласованных действий и оперативного принятия решений, повышения эффективности планирования и управления на уровне всего комплекса и отдельных предприятий.
Исследование структуры и систем управления многоуровневых интегрированных структур (МИС) показывает, что одно из центральных мест в управлении предприятиями занимают задачи планирования и управления материально-транспортными потоками. Являясь очень важными и, в то же время, одними из наиболее сложных для решения, эти задачи способны обеспечить высокий экономический эффект, выявить "узкие" места и состояние производственной инфраструктуры, а также перспективы ее развития. Для их решения можно эффективно использовать математическое моделирование и методы оптимизации с применением информационных технологий. Поэтому разработка научных основ формализации и решения комплекса взаимосвязанных задач планирования и управления материальными потоками в многоуровневых территориально-распределенных транспортно-производственных системах (ТИС) является весьма актуальной проблемой.
Следует отметить, что появление МИС в России привело к возникновению принципиально новой ситуации в решении задач планирования и управления работой предприятий. Распад централизованной плановой экономики и затем 10-летний период самостоятельного (децентрализованного) хозяйствования многих предприятий отрасли в
условиях рынка привели к тому, что ранее разработанные математические модели и методы для отраслевого планирования и управления, в новых условиях не могут быть использованы для решения задач планирования и управления крупными региональными и межрегиональными МИС, включающими в свой состав десятки взаимосвязанных предприятий. Кроме этого, проводимая модернизация производства и использование современных технологий на промышленных предприятиях приводят к необходимости разработки новых математических моделей, а развитие вычислительной техники и программного обеспечения — делает возможным их реализацию. Указанные обстоятельства требуют разработки новых моделей и методов планирования и управления МИС, что также подтверждает актуальность выбранной темы диссертационного исследования.
Цели и задачи исследования
Цель работы — повышение эффективности и качества функционирования ТПС, обоснованности принятия решений по управлению их основными элементами и структурами на основе автоматизации решения задач комплексного планирования и управления материальными потоками. Исходя из поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи:
Обоснование необходимости решения комплекса взаимосвязанных задач планирования и управления материальными потоками в многоуровневых ТПС. Описание типовой структуры материальных потоков в МИС на примере лесопромышленного комплекса (ЛПК), исследование их характеристик и особенностей.
Формирование и исследование класса математических моделей для решения задач планирования и управления материальными потоками, названного классом многоэтапных транспортно-производ-ственных задач (МТПЗ).
Разработка МТПЗ для задачи планирования группы основных про-
изводств МИС, соответствующей системе управления производственным процессом верхнего уровня и включающей основные фазы производства — от получения сырья, получения переделов и изготовления различных видов конечной продукции до ее доставки потребителю.
Разработка математических моделей для планирования и управления материальными потоками для основных и вспомогательных производств на различных уровнях иерархии МИС ЛПК, включая задачи выбора технологий лесозаготовок, транспортировки и переработки древесины, развития производственной базы и инфраструктуры МИС ЛПК, распределения ресурсов и управления основными производствами, планирования и управления сбытом продукции, материального обеспечения, планирования и управления ремонтно-восстановительными потоками.
Разработка рекомендаций по использованию предложенных моделей в организации планирования и управления МИС, созданию систем поддержки принятия решений на их основе.
Объектом исследования являются многоуровневые территориально-распределенные транспортно-производственные системы и технологии их функционирования.
Предметом исследования являются математические модели, методы и алгоритмы комплексного планирования и управления материальными потоками в ТПС.
Методы исследования
Теоретической и методологической основой исследования многоуровневых территориально-распределенных транспортно-производст-венных систем, материально-транспортных потоков являются методы теории организационных структур, системного анализа, современные стандарты и методы управления производственными процессами и системами.
Исследование производственных процессов, построение математических моделей управления производством и разработка алгоритмов решения соответствующих оптимизационных задач проводятся с использованием методов математического программирования, оптимизации и исследования операций, теории алгоритмов и структур данных.
Для построения автоматизированных систем управления производством и систем поддержки принятия решений использовались современные технологии проектирования информационных систем, методы структурного и объектно-ориентированного программирования, проектирования структур баз данных.
Научная новизна результатов заключается в разработке комплексного подхода к планированию и управлению материальными потоками в многоуровневых транспортно-производственных системах в современных условиях с целью повышения экономической эффективности принимаемых решений.
К числу важнейших результатов диссертации, обладающих научной новизной и выносимых на защиту, относятся следующие:
Проведен системный анализ предметной области и выполнено формальное описание проблемы комплексного планирования и управления ТПС. Обоснована необходимость решения комплекса взаимосвязанных задач планирования и управления материальными потоками в многоуровневых ТПС.
Разработана классификация интегрированных структур в ЛПК, выполнено описание и исследование типовой структуры материальных потоков в транспортно-производственных системах ЛПК.
Сформулирована постановка многоэтапной транспортно-производственной задачи для решения задач планирования и управления материальными потоками.
Установлены условия существования решения МТПЗ. Выявлены особенности математической модели, разработан точный метод
решения линейного варианта МТІЇЗ, основанный на блочной структуре связей между ограничениями с использованием схем двойственной декомпозиции.
Предложен алгоритм поиска субоптимального решения для решения МТЇЇЗ большой размерности, исследован вопрос сходимости алгоритма, установлены оценки точности полученного приближенного решения и критерия завершения работы алгоритма.
Выполнена постановка МТПЗ для задачи планирования группы основных производств МИС, соответствующей системе управления производственным процессом верхнего уровня и включающей основные фазы производства.
Разработаны математические модели для планирования и управления материальными потоками для основных и вспомогательных производств на различных уровнях иерархии МИС ЛПК.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Полученные в диссертации результаты использовались в рамках проведения госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ, выполненных под руководством и при личном участии автора на кафедре прикладной математики и кибернетики, в Центре ПетрГУ-Метсо систем автоматизации Петрозаводского государственного университета в 1983-2004 гг.
В работе приведены результаты вычислительных экспериментов, которые подтверждают применимость разработанных алгоритмов и программ для решения прикладных задач. Представленные в работе математические модели, методы и алгоритмы решения, программные комплексы используются на ряде крупных промышленных предприятий ЛПК России (ОАО «Архангельский ЦБК», ОАО «Сегежский ЦБ-К», ОАО «Кондопога», АХК «Кареллеспром» и др.), имеются акты внедрения программных систем в промышленную эксплуатацию. В
результате использования программных систем на предприятиях повысилась эффективность управления производством, получен реальный экономический эффект. На основании результатов внедрения программных срістєм в промышленное производство разработаны рекомендации по использованию предложенных моделей в организации плакирования и управления МИС, использованию МТПЗ для создания автоматизированных систем управления территориально-распределенными ТИС.
Рассмотренные в диссертации математические модели и методы решения задач обладают достаточной общностью и могут использоваться для планирования и управления основными и вспомогательными производствами МИС в различных отраслях промышленности.
Полученные результаты применяются в учебном процессе, курсовых и дипломных работах студентов, исследованиях аспирантов, отражены в учебно-методической разработке «Исследование операций в планировании и управлении предприятием ЛПК»(СПб.: Изд-во СПб-ГЛТА, 2001).
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались автором на I съезде лесопромышленников Республики Карелия (Петрозаводск, 2004), Международной научно-технической конференции «Лесопромышленная логистика и информационные системы лесного комплекса» (Санкт-Петербург, 2003), Международной научно-технической конференциии «Новые информационные технологии в нефтегазовой промышленности и энергетике» (Тюмень, 2003), Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы лесопромышленных регионов» (Москва, 2002), IV Международном форуме «Лесопромышленный комплекс России XXI века» (Санкт-Петербург, 2002), I-VI Международных научно-технических конференциях «Новые информационные технологии в ЦБП и энергетике» (Петрозаводск, 1994, 1996, 1998, 2000,
2002, 2004), Научно-практических конференциях АХК «Кареллеспром» (Петрозаводск, 1998 — 2002), Международной конференции «Новые технологии и устойчивое управление в лесах Северной Европы» (Петрозаводск, 2001), Республиканской научно-практической конференции «Устойчивое развитие региона: лесопромышленный комплекс» (Петрозаводск, 2000), Республиканской научно-практической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Петрозаводск, 1999), Международной конференции «NORDUNI'99» (Лулеа, Швеция, 1999), XXV международной конференции «Экономическая наука: Теория, методология, направления развития» (Санкт-Петербург, 1998), Республиканской научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии лесного комплекса» (Петрозаводск, 1998), Международной научно-технической конференции «Проблемы развития лесного комплекса Северо-западного региона» (Петрозаводск, 1996), Всероссийской научно-практической конференции «Новые информационные технологии в образовании и управлении» (Петрозаводск, 1993 г.) и других конференциях и семинарах.
Публикации
Результаты диссертационной работы опубликованы в 74 печатных работах, в т.ч. 5 монографиях, 66 статьях и материалах Международных, Всероссийских и региональных конференций и семинаров, 1 учебном пособии и учебно-методических материалах.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 6 глав основного материала, заключения, библиографического списка и приложений. Основной материал изложен на 222 стр., включая 24 рис. и 9 таблиц. Библиографический список включает 256 наименований. Приложения содержат акты внедрения результатов диссертации в промышленное производство, справочные и вспомогательные материалы.
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сфор-
мулированы его цели и задачи, научная новизна и практическая значимость, а также основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены вопросы организации многоуровневых интегрированных производственных структур.
Показано, что за последние годы в России произошла структурная перестройка ряда отраслей промышленности, активно происходят интеграционные процессы, связанные с укрупнением промышленного производства и созданием групп взаимосвязанных и взаимозависимых предприятий. Рассмотрены различные формы (вертикальная, горизонтальная, смешанная) и способы интеграции (холдинговые компании, финансово-промышленные группы).
На примере лесопромышленного комплекса проведен анализ основных тенденций развития МИС. Показано, что в ЛПК многоуровневые интегрированные структуры включают в себя предприятия лесозаготовительной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной отраслей промышленности, энергетики, транспорта, ремонта и др. МИС ЛПК также характеризуются большим количеством уровней переработки исходного сырья (переделов), что делает их особенно интересным объектом для исследования. Далее приводится классификация МИС по числу крупных переделов (уровней) в технологической схеме от заготовки сырья до получения конечной продукции, рассмотрена типовая структура крупной многоуровневой МИС ЛПК. Указаны основные причины и способы создания МИС в ЛПК, а также — особенности их функционирования, связанные с высокой трудоемкостью производства, большой долей затрат на приобретение, содержание и ремонт оборудования, приобретение и доставку сырья, переделов и готовой продукции.
Управление МПС должно включать в себя подсистемы управления предприятиями, производствами, цехами и агрегатами, связанными в последовательные технологические схемы, в которых присут-
ствуют как вертикальные, так и горизонтальные связи. Показано, что увеличение числа предприятий в МИС, географическая удаленность, проблемы организации взаимодействия приводят к серьезному усложнению системы управления, увеличению «цепочек управления»!! к большей зависимости работы всей системы от работы одной из подсистем. Поэтому в рамках МИС значительно возрастает необходимость согласованных действий, стратегического планирования и оперативного принятия решений, повышения эффективности планирования и управления на уровне комплекса и отдельных предприятий.
Далее отмечены основные особенности, характерные для современных МИС ЛПК, определены основные задачи перспективного, долгосрочного, оперативного планирования и оперативно-диспетчерского управления в МИС ЛПК, указаны основные проблемы управления и планирования работы предприятий МИС ЛПК, а также -— основные задачи, необходимые для решения данных проблем. Указано, что ввиду сложности решаемых задач, эффективное управление современным интегрированным комплексом взаимосвязанных предприятий невозможно без использования математических методов анализа, экономико-математического моделирования и информационных технологий, разработки компьютерных систем поддержки принятия решений.
Во второй главе дается обоснование и исследование роли многоэтапных транспортно-производственных задач в планировании и управлении МИС ЛПК.
Отмечается, что в числе наиболее актуальных задач, стоящих перед МИС ЛПК — организация рационального размещения и функционирование системы обеспечивающих предприятий и производств (ле-сосырьевые ресурсы, энергетика, ремонтное производство, транспорт, строительство и др.), оптимизация управления межрегиональными, региональными и внутренними материально-транспортными потоками.
Вводятся основные обозначения и терминология, рассматриваются основные виды, организация и структура материальных потоков в МИС ЛПК, определены граничные значения параметров для различных групп материальных потоков крупных МИС.
Дается классификация задач планирования и управления материально-производственной деятельностью МИС по масштабу исследуемого объекта, величине горизонта планирования и виду распределяемых ресурсов. С учетом последовательной переработки сырья и переделов на различных уровнях МИС являются актуальными задачи планирования, связанные с выработкой продукции, транспортировкой к месту дальнейшей переработки (на следующий уровень), затем транспортировкой потребителю или к дальнейшему месту переработки и т.д. В связи с этим территориально-распределенную МИС можно рассматривать как транспортно-производственную систему (ТПС). На основе проведенного системного анализа предметной области выполнено формальное описание проблемы комплексного планирования и управления ТПС. Обоснована необходимость решения комплекса взаимосвязанных задач планирования и управления материальными потоками в многоуровневых ТПС, сформулированы наиболее актуальные задачи планирования и управления, связанные с организацией производства и сбыта продукции в МИС. Рассмотрен многоуровневый комплекс задач планирования и управления материальными потоками в МИС ЛПК, указаны его особенности и связи между задачами, условно названные «цепочкой» и «вертикалью».
Рассмотрены особенности и приведены примеры многоэтапных транспортно-производственных задач (МТПЗ) в ЛПК, связанных технологической «цепочкой» от заготовки лесосырья до отправки готовой продукции конечному потребителю. Отмечено, что МТПЗ занимают одно из центральных мест в планировании и управлении материальными потоками МИС и способны обеспечить получение высокого экономи-
ческого эффекта, выявить «узкие» места и состояние производственной структуры, а также — перспективы ее развития.
Разработана математическая модель для задачи последовательной переработки продукции в многоуровневой интегрированной производственной системе. Отмечено, что представленная модель является моделью верхнего уровня планирования и управления МИС.
Третья глава посвящена постановке и исследованию многоэтапной транспортно-производственной задачи. Глава начинается с определения и построения формальной модели задач рассматриваемого класса, далее рассматриваются варианты МТПЗ, характерные для МЇЇС.
Проведен сравнительный анализ системы управления, основанной на МТПЗ, и традиционной системы управления, при которой планирование транспортных потоков, сырьевой и продуктовой структуры, размещение производственных объектов осуществляется каждым предприятием самостоятельно. Показаны преимущества использования МТПЗ за счет более точной балансировки материальных и транспортных потоков, упорядочения информационных связей между объектами управления, улучшения управления запасами и оптимизации распределения работ, ресурсов и транспортных потоков, использования современного экономического механизма управления МИС на основе расчета рент, арендных платежей и др.
Исследование данного класса задач основано на применении определенного математического аппарата исследования операций и математического программирования, кратко представленного в начале главы.
Далее проведено исследование класса оптимизационных задач, к решению которых сводится МТПЗ, установлены условия существования решения задачи. Выявлены особенности математической модели, предложен точный метод решения линейного варианта МТПЗ, основанный на блочной структуре связей между ограничениями с использованием схем двойственной декомпозиции.
В связи с достаточно высокой сложностью вычисления точного решения задачи, предложен алгоритм поиска суб оптимально го решения, исследован вопрос сходимости алгоритма, установлены оценки точности полученного приближенного решения и критерия завершения работы алгоритма. Проведены вычислительные эксперименты, которые подтверждают применимость разработанных алгоритмов и программ для задач с размерностью, требуемой на практике. Полученные в данной главе результаты используются при решении конкретных производственных задач, представленных в 4 и 5 главах.
В четвертой главе рассматриваются прикладные задачи, связанные с планированием и управлением основными производствами в МИС ЛПК. Большая часть представленных задач являются задачами МТПЗ, остальные являются производственными блоками МТПЗ, которые могут использоваться в более сложных моделях МТПЗ для МИС ЛПК. В разделах главы рассматриваются следующие задачи:
Варианты постановки задачи размещения производств и определения структуры заготовки применительно к МЇЇС ЛПК;
Задача распределения лесопродукции и выбора технологий производств МИС ЛПК;
Задача оперативно-диспетчерского управления процессами варки целлюлозы и регенерации щелоков;
Задача управления сбытом продукции предприятия МПС ЛПК;
Задача распределения ресурсов предприятия МИС ЛПК;
Задача согласования производства и сбыта продукции предприятия МИС ЛПК;
. 7. Задача планирования производства предприятия МИС ЛПК с учетом имеющегося «портфеля» заказов.
Рассматриваемые задачи охватывают различные аспекты планирования и управления МПС ЛПК: проблему выбора технологий лесозаготовок, транспортировки, переработки древесины, развития про-
изводственной базы и инфраструктуры МИС ЛПК, распределением ресурсов и управления основными производствами, планированием и управлением сбытом продукции.
В каждом разделе главы исследованы особенности рассматриваемых задач применительно к МИС ЛПК и структура вхождения математической модели в класс МТПЗ, приводятся примеры их реализации на предприятиях ЛПК России. Отмечается, что каждая из рассмотренных задач занимает определенное место в общей классификации задач из главы 2 и может быть использована на различных уровнях иерархии МПС, что свидетельствует о целесообразности представленных в диссертации системы классификации задач и их приложений.
Последний раздел главы посвящен проблеме создания информационно-аналитической системы управления ТПС на основе повышения эффективности планирования и управления транспортно-производственными потоками с использованием МТПЗ. Рассмотрены структура и функции, основные этапы создания автоматизированной системы управления.
В пятой главе на примере ремонтно-механического производства показано использование МТПЗ для планирования и управления вспомогательными производствами, от которых в существенной степени зависит ритмичная и согласованная работа основных производств МИС ЛПК.
Первоначально рассматриваются основные особенности и структура материальных потоков ремонтного производства крупного предприятия МИС ЛПК. Формулируется задача материального обеспечения ремонтных производств МПС ЛПК и ее декомпозиция на 3 подзадачи. Подробно исследованы МТПЗ — задача объемного планирования потребности деталей, оборудования и других запчастей для ремонта и задача размещения их запасов в подразделениях МИС ЛПК.
Далее рассмотривается задача планирования работы и управле-
ния ремонтными производствами крупных предприятий МИС ЛПК, которая включает в себя задачи расчета объемного и объемно-календарного планов работы ремонтного производства, диспетчеризации выполнения ремонтных работ. Задача объемного планирования РМП относится к классу МТПЗ и учитывает наличие материалов, заготовок и инструмента на складах, типоразмеры станков и ресурсы станочного времени. Задача объемно-календарного планирования работы РМП предназначена для расчета календарного плана ремонтного производства с пооперационным учетом выполнения заявок, контроля за их перемещения по участкам и цехам РМП в соответствии с технологической картой, начиная с приема заявки и заканчргвая сдачей деталей на склад готовой продукции. Для решения данных задач разработаны математические модели, алгоритмы и программы.
В последнем разделе описаны функции и структура интегрирот. ванной информационно-аналитической системы управления ремонтным производством МИС ЛПК, внедренной на ряде крупных предприятий отрасли.
Шестая глава посвящена вопросам использования МТПЗ для создания автоматизированных систем управления территориально-рас-пределенными ТПС.
Для этого рекомендуется использовать различные схемы декомпозиции комплекса моделей МТПЗ: по степени агрегированности показателей, функциям планирования и фазе производства.
Проведен сравнительный анализ системы управления с использованием МТПЗ и традиционной системы управления, при которой планирование транспортных потоков, сырьевой и продуктовой структуры, размещение производственных объектов осуществляется каждым предприятием самостоятельно. Отмечена роль транспортных задач в качестве концентраторов потоков информации при решении МТПЗ. Показаны преимущества использования МТПЗ за счет более точной ба-
лансировки материальных и транспортных потоков, упорядочения информационных связей между объектами управления, улучшения управления запасами и оптимизации распределения работ, ресурсов и транспортных потоков, использования современного экономического механизма управления МИС на основе расчета рент, арендных; платежей и
др.
Завершает главу раздел, посвященный проблеме создания автоматизированной системы управления ТПС на основе повышения эффективности планирования и управления транспортно-производствен-ными потоками с использованием МТПЗ. Рассмотрены структура и функции, основные этапы создания автоматизированной системы управления.
В заключении указаны основные результаты работы, определены перспективные направления дальнейшего развития диссертационного исследования.
В работе приняты следующие правила нумерации:
Таблиц (рисунков) в главах: первая цифра указывает порядковый номер главы, вторая — порядковый номер таблицы (рисунка);
Таблиц (рисунков) в Приложениях: первая буква - «П» вторая цифра указывает порядковый номер Приложения , третья — порядковый номер таблицы (рисунка);
Формул: первая цифра указывает порядковый номер главы, вторая — порядковый номер раздела главы, третья — порядковый номер формулы.
Особенности многоуровневых интегрированных структур (МИС) в лесопромышленном комплексе (ЛПК)
Лесная промышленность — отрасль, занимающаяся заготовкой, обработкой и переработкой лесных ресурсов (прежде всего — древес-ных), играющая важнейшую роль в экономике России и входящих в нее республик и областей. С этой отраслью тесно связаны многие смежные отрасли промышленности (строительство, мебельная промышленность, лесное машиностроение и др.). Развитие лесной промышленности необходимо для успешного формирования бюджетов субъектов Федерации и России в целом, создания новых современных производств для глубокой переработки древесины, широкого вовлечения в промышленную сферу и инфраструктуру лесопромышленного комплекса кадров различного уровня, обеспечения их рабочими местами, развития международного сотрудничества, привлечения инвестиций, решения других проблем, влияющих на выход регионов из сложившегося кризиса и их дальнейшее устойчивое развитие в качестве эффективно функционирующих субъектов Российской Федерации [222]. Поэтому задача развития структуры отрасли и ее предприятий, направленная на полное, рациональное и экологически безопасное освоение и использование сырьевого, промышленное финансового, экологического и социального потенциала лесных ресурсов для России входит в число приоритетных.
Площадь лесных земель в России составляет 886,5 млн. га, в том числе покрытых лесом земель — 763,5 млн. га, в зарубежных странах, соответственно: США — 296,0 и 209,6; Канада — 453,3 и 247,2; Швеция — 28,0 и 24,4; Финляндия — 23,4 и 20,1 млн. га [183]. Годичный прирост древесины составляет 822 млн. м3, в зарубежных странах соответственно: США — 650 млн. м3, Канада — 350 млн. м3, Швеция — 93 млн. м3, Финляндия — 71 млн. м3. Леса занимают 45% территории России, запасы древесины в стране составляют 81,6 млрд. м , превышая лесные запасы США (32,1 млрд. м3), Канады (26,9 млрд. м3), Швеции (2,65 млрд. м3) и Финляндии (1,7 млрд, м3) вместе взятые.
В составе ЛПК России функционирует более 47 тыс. предприятий, из них около 3 тыс. крупных и средних [183]. Из числа крупных и средних предприятий 96% приватизировано, доля государства (от 10 до 60%) имеется в уставных капиталах 500 акционерных обществ. Практически полностью приватизированы предприятия мебельной, фанерной, лесопильной, целлюлозно-бумажной отраслей промышленности и около 90% лесозаготовительных предприятий [158].
На долю отраслей ЛПК приходится 3,7% общего выпуска промышленной продукции по стране, 8,3% численности работающих, 4,3% валютной выручки, 3% стоимости основных производственных фондов [183]. Валютная выручка ЛПК России составила в 2001 г. 4,3 млрд дол. США. Около трети валютной выручки ЛПК получено от продаж круглого леса. Прибыль предприятий ЛПК составила около 17,7 млрд руб., рентабельность производства— 12% [158].
Как отрасль ЛПК представляет весьма сложный конгломерат, в который входят крупные, средние и мелкие предприятия лесной, целлюлозно-бумажной, деревообрабатывающей и лесохимической промышленности различных форм собственности, сложные транспортные сети, включающие лесовозные дороги и дороги общего назначения, грузопотоки, ремонтио-обслуживающие службы, развитую инфраструктуру и т.д. Продукция одних предприятий ЛПК может выступать одновременно как сырье для других предприятий, производств ЛПК и самих предприятий, а также как конечная продукция — товар, например, лесопиление может осуществляться как предприятиями, ведущими лесозаготовки, так и специализированными лесопильными предприятиями. Предприятия ЛПК характеризуются высокой трудоемкостью производства, большой долей затрат на приобретение, содержаниє и ремонт оборудования, приобретение и доставку сырья. Затраты на приобретение древесины могут достигать, например, 30% в общих затратах целлюлозно-бумажного комбината (ЦБК). Ряд предприятий ЛПК, прежде всего целлюлозно-бумажных, имеют высокую долю энергетических затрат в общих эксплуатационных и капитальных затратах, большие затраты энергии и топлива на единицу продукции [54].
Переход российских предприятий ЛПК к рыночной экономике осуществлялся крайне болезненно. В отрасли в 90-е гг. XX века были разрушены существовавшие ранее производственные, технологические и кооперированные связи между предприятиями, нарушены межотраслевая сбалансированность и система регулирования экспорта лесопромышленной продукции [158].
За период перехода России к рыночным отношениям в корне изменилась структура лесопромышленного комплекса, многие предприятия в результате приватизации акционировались, стали самостоятельными в принятии плановых и управленческих решений в рыночных условиях, реализации лесопродукции, выборе партнеров (потребителей лесоматериалов, поставщиков техники, запасных частей, горючесмазочных материалов и т. п.). На рынке лесоматериалов значительно увеличилось количество посреднических структур, мелких лесозаготовительных предприятий, а также небольших коммерческих фирм, занимающихся как обеспечением предприятий машинами, оборудованием, запасными частями, горюче-смазочными материалами, так и торговлей лесоматериалами.
Модель многоуровневого процесса последовательной переработки в МИС
Рассмотрим типовую задачу последовательной переработки продукции в многоуровневой интегрированной производственной системе. Транспортно-производственная система включает в себя предприятия, каждое из которых размещено в каком-либо пункте, осуществляет пе-
реработку в сответствии с имеющимися технологиями и может получать сырье или передел от других территориально-распределеиыых производств и поставлять передел следующего уровня или готовую продукцию ряду других потребителей.
Если продукты одного уровня взаимозаменимы, задачи планирования деятельности производств связывает группа транспортных задач распределения продукта каждого уровня. В итоге появляется следующая МТПЗ, названная задачей последовательной переработки.
Пусть га -— количество уровней переработки продукции. Mi — множество производителей исходного сырья, Mq — множество переработчиков продукции уровня q Є 2..га, Mn+i — множество потребителей конечной продукции. Для предприятия і G Mg,q Є 1..п введем следующие обозначения: 6. — мощность предприятия, с- — доход от производства единицы продукции q, af — норма расхода продукции q при ее переработке, d\ и D\ — нижняя и верхняя границы объемов переработки продукции q, у\ планируемые объемы заготовки и переработки продукции q. Обозначим через 63-, j Є Мп+і — требуемые объемы поставки готовой продукции. Для описания транспортировки продукции q Є 1..га от предприятия г Мд к предприятию j Є М,+і, введем хц — планируемые объемы транспортировки и crfj — затраты на транспортировку единицы продукции.
Задача последовательной переработки формулируется как задача максимизации дохода комплекса производств с учетом транспортных расходов:
Следует отметить, что представленная модель является моделью верхнего уровня планирования и управления МИС. Положение данной модели в классе МТПЗ для МИС характеризуется наибольшей степенью агрегации ее параметров и неизвестных переменных. Структура класса МТПЗ позволяет усложнять данную модель или ее части, дополняя их более детализированными транспортными и/или производственными модулями, соответствующими реальным производственным процессам, см. [12, 13, 14, 35, 105, 138, 201].
Основная цель данной главы — обоснование и исследование роли класса многоэтапных транспортно-производственных задач в планировании и управлении МИС ЛПК. Результат достигается посредством следующих основных рассуждений и выводов:
1. Исследование литературы показывает, что управление и планирование деятельности МИС ЛПК на основе рационального использования материальных ресурсов и эффективной организации материальных потоков является одной из важнейших задач, решение которой позволяет использовать математические модели и методы при взаимодействии предприятий, входящих в МИС, на основе расчета оценок эффективнострг работы производств, определения размера платы за пользование ресурсами и оценок сырьевых ресурсов, контролируемых предприятиями МИС.
2. При решении рассматриваемых задач очень полезно применение методов системного анализа, математического моделирования и информационных технологий, исследований и оптимизации технологических процессов для предприятий ЛПК.
3. МИС ЛПК — весьма специфическая большая производственно-экономическая система, свойства которой определяют характер и место оптимизационных задач планирования и управления, особенности их постановки и методов решения, откуда вытекает целый ряд особенностей их моделирования как объекта исследования.
4. Одна из важнейших отличительных особенностей территориально распределенных МИС — большое экономическое и технологическое значение материальных потоков. С учетом последовательной переработки сырья и переделов на различных уровнях МИС являются актуальными задачи планирования, связанные с выработкой продукции, транспортировкой к месту дальнейшей переработки (на следующий уровень), затем транспортировкой потребителю или к дальнейшему месту переработки и т.д. В связи с этим территориально-распределенную МИС можно рассматривать как транспортно-производственную систему (ТИС). В диссертационной работе представлены описание, классификация и рекомендуемые обозначения, исследованы наболее характерные материальные потоки в МИС ЛПК.
Поиск субоптимальных решений МТПЗ
В соответствии со схемой, предложенной в работе [243], эвристический (приближенный) алгоритм-построения приемлемого решения линейной МТПЗ следует формировать на основе точного метода решения данной задачи. Взяв в качестве базовой первую схему декомпозиции блочной структуры матрицы ограничений, получим алгоритм 3.1:
Шаг 0. (Начальный). Начальные установки и подготовка решения блочных оптимизационных задач. Формирование допустимого начального плана центральной задачи, к примеру, посредством замыкания МТПЗ. Положить v = 0.
Шаг 1. (Блочные задачи). Решение группы производственных задач Р?(и). Результатом решения является совокупность рекомендуемых оптимальных в данных производственных условиях (при оценках v) планов х и значения функционалов zq(y) q Є Р. На этом шаге строятся допустимые решения блочных задач, которые, по Теореме 3, могут быть достроены до допустимых исходной задачи Р расчетом транспортных потоков у .
Шаг 2. (Центральная задача). Включение в базисный план «центральной» задачи Р нового базисного столбца х . Результат решения — совокупность рекомендуемых транспортных схем у и оценок v . Необходимо отметить, что полученные двойственные переменные v представляют двойственное решение «центральной» задачи Р с вектором правых частей /?, зависящим от выбора формы этой задачи.
Шаг 3. (Проверка условия завершения). Сравнить v и ъ . Если v = и% завершить решение задачи, используя в качестве субоптимального решения х и у . В ином случае выполнить v := v и перейти к шагу 1.
Основной недостаток представленной схемы — необходимость решения группы взаимосвязанных транспортных задач наряду с медленной сходимостью метода декомпозиции Данцига-Вулфа, особенно на заключительном этапе расчетов.
Поэтому целесообразно найти способ изменения рассматриваемой вычислительной схемы таким образом, чтобы за конечное (ограниченное) количество шагов получать приемлемое решение с гарантированной оценкой. Для этого отметим, что схема декомпозиции Данцига-Вулфа при решении МТПЗ позволяет не только найти ее оптимальное решение посредством последовательного улучшения текущего базисного плана «центральной» задачи, но и дает оценку промежуточных решений. Чтобы получить такую оценку, введем следующее понятие. Четверку векторов (x,y}w,v) назовем согласованным решением МТПЗ по схеме Данцига-Вулфа, если векторы x,y,w составляют допустимое решение задачи Р, a v — набор согласованных с ними двойственных переменных «центральной» задачи Р. Из этого набора переменных можно исключить группу переменных ги, полагая условия (3.3.3) выполненными и рассматривать только три группы переменных ж, у, v. Справедлива следующая Теорема.
Теорема 5. На каждой итерации к = 1,2,... алгоритма 3.1 имеется некоторое согласованное решение МТПЗ xk,yk,vk. В процессе работы алгоритма, нижняя zk (на Шаге 2) и верхняя zk на (Шаге 1) оденки текущего плана могут быть вычислены по следующим формулам: где p — вектор, составленный из всех правых частей задачи Р.
Доказательство вытекает из свойств метода последовательного улучшения плана, который лежит в основе схемы декомпозиции МТПЗ. Действительно, на Шаге 2 алгоритма выполняется итерация прямого симплексного метода по отношению к «центральной» задаче декомпозиции МТПЗ. В результате этого на каждой итерации имеется допустимое решение х!\ук «центральной» задачи и, следовательно, эквивалентной ей исходной задачи, дополненные согласованным вектором двойственных оценок vk.
Значение zk представляет собой верхнюю оценку оптимального решения z МТПЗ, как значение целевой функции допустимого решения хк,ук задачи минимизации, причем значения zk монотонно убывают: поэтому верхняя оценка уточняется в процессе работы алгоритма.
Значение Vі р является нижней оценкой 2 , как значение функционала двойственной задачи для данного базисного плана в процессе решения задачи методом последовательных улучшений для любого і = 1,2,..., &, а, следовательно, нижней оценкой являете4 и наиболь-шее из рассматриваемых значениив
Полученный результат можно использовать для вычисления погрешности текущего базисного плана, которая по абсолютной величине не превышает значение — zk 0, по относительной 8к = [zk — ,z )/zfe.
Полученный результат представляет собой достаточное условие получения субоптимального решения линейной МТПЗ и позволяет сформулировать алгоритм поиска приближенного решения этой задачи (Алгоритм 3.2).
Задача реконструкции действующих и строительства новых предприятий (производств)
В этой задаче учитываются как имеющиеся мощности ЛЗП, так и возможности модернизации или реконструкции части лесозаготовительных предприятий Мо С AT, а также (при необходимости) — строительства новых объектов лесозаготовительного комплекса. Задача возникает в условиях, когда проведено обследование лесофонда и инфраструктуры лесосырьевых зон и подготовлены проекты развития производства. Обычно при этом считаются известными В{ — возможное приращение проектной мощности предприятия, К І — объемы капиталовложений, необходимые для реализации проекта, Л- — дополнительная мощность реконструированного предприятия и ожидаемые эксплуатационные затраты о\ в тыс. рублей на м3 объема лесозаготовки для і Є MQ. Обозначим у\ — расчетный объем использования дополнительной мощности.
Для большей наглядности снимем требования учета ассортимента лесосырья, ограничившись его валовым объемом. Для перехода к задаче в полном объеме, достаточно ввести верхний индекс q Є Q в математической модели по аналогии с задачей (4.1.1-6).
Транспортная часть этой задачи аналогична предшествующей, при этом целевая функция должна отражать затраты как на заготовку и транспортировку сырья (пропорционально объемам), так и капиталовложения, связанные с расширением или модернизацией производства. Параметром, регулирующим соотношение между капитальными (еди-норазовьімрі) и текущими (пропорциональными объемам производства) затратами, обычно является коэффициент дисконтирования 0 Л 1.
Изменения в постановке задачи касаются целевой функции (4.1.1 ), которая должна заменить собой соотношение (4.1.1) и дополнительного ограничения (4.1.18):
Целевая функция этой задачи не.является линейной, для ее решения следует использовать методы дискретного программирования, прежде всего — метод ветвей и границ.
Аналогичная задача размещения предприятий в сетевой постановке также уже не будет линейной, поскольку в математической модели присутствуют либо нелинейные функции, либо булевские переменные. Имеется много методов решения данной задачи, основанных на применении эвристик, динамического или дискретного программирования. Наиболее привлекательными представляются некоторые варианты метода ветвей и границ с многократным решением обычной транспортной задачи.
Решение этой задачи позволяет дополнительно получить следующую информацию:
М С М0 — перечень рекомендуемых для реконструкции ЛЗП;
план распределения капиталовложений в предприятия МИС ЛПК.
Результатом решения задачи могут быть оценки перспективности разработки участков лесного фонда и соответствующие рекомендации по планированию стратегии развития лесозаготовок в МИС ЛПК или лесопромышленном регионе. Задача легко обобщается на много-периодный случай, что позволяет отнести ее к числу моделей перспективного развития МИС.
Характеризуя рассматриваемую задачу как МТПЗ необходимо отметить несколько более сложную структуру ее производственной части, которая определяется несколькими управляемыми факторами (уі — объемы использования прежней технологии, у\ — объемы использования новой технологии, а также — булевской переменной sign{y определяющей включение предприятия в план реконструкции). В од-нопродуктовом варианте в составе этой задача единственная транспортная компонента, в многопродуктовом — количество транспортных компонент равно количеству видов лесосырья.
Возможно обобщение этой модели на случаи:
возможности модернизации, реконструкции и строительства не только лесозаготовительных, но и лесоперерабатывающих предприятий NQ С N;
выбора одного или нескольких вариантов из множества проектов строительства, реконструкции или модернизации предприятия МИС ЛПК;
внедрения одной или группы новых технологий работы ЛЗП, которые потребуют строительства или реконструкции сооружений, приобретения новых технических средств и оборудования.
Являясь нелинейными, эти задачи решается средствами дискретного программирования.
