Разработка метода вычисляемых приоритетов для повышения управляемости и скорости исполнения производственных заказов Радченко Юлия Анатольевна

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Проблема повышения

эффективности производства на российских машиностроительных

предприятиях, выраженная в требовании увеличении производительности труда до уровня передовых развитых западных стран, является сегодня важнейшей народнохозяйственной задачей. В последние десятилетия наметился заметный разрыв в уровне организации производства между западными и российскими машиностроительными предприятиями. Задача сокращения этого разрыва приобрела сегодня первостепенное значение. В частности, на Госсовете 8 февраля 2008 г. Президент РФ В.В. Путин указал, что к 2020 г. необходимо поднять производительность труда в нашей стране в среднем в четыре раза.

Проблемы повышения эффективности управления машиностроительным производством с использованием современных методов обработки информации особенно сильно проявляются в мелкосерийных и единичных (позаказных) производствах. Специфика производств этого типа состоит в том, что (согласно данным Международной инженерной ассоциации APICS - American Production and Inventory Control Society, USA), средний коэффициент загрузки технологического оборудования в мелкосерийных и единичных дискретных производствах составляет всего лишь 0,45, в то время как в производствах массовых и крупносерийных его величина приближается к 0,9.

Простой технологического оборудования приносит значительные убытки промышленным предприятиям и негативно влияет на скорость исполнения ими производственных заказов. Поэтому актуальной задачей, имеющей большое значение для народного хозяйства, является разработка новых и совершенствование существующих методов и средств управления российскими производственными системами, в повышении их эффективности и надежности.

Замечено, что если по-разному определять последовательность обработки деталей и сборочных единиц (ДСЕ), входящих в конкретный производственный заказ, то можно получать различные варианты расписаний их выполнения. Которые отличаются различными по времени циклами изготовления всех ДСЕ заказа. Следовательно, возникает задача разработки алгоритма такого распределения работ на рабочие места, чтобы эти работы между собой располагались наиболее плотно, то есть, чтобы обеспечивался минимальный простой технологического оборудования в цехе, и тем самым повышалась скорость исполнения производственных заказов.

Оптимизацией производственного расписания и диспетчированием его
дальнейшего выполнения занимаются исполнительные производственные
системы класса MES (Manufacturing Execution System). Отечественным
представителем такого класса программных продуктов, является MES-система
«Фобос» (ИКТИ РАН, Москва). Эта исполнительная производственная система
ориентирована на машиностроительное производство мелкосерийного и
единичного типа, особенностями которого является разнообразие

номенклатуры изготавливаемых изделий и многообразие технологических процессов. Варьируя исходные условия планирования заказов, MES-система «Фобос» может рассчитывать производственное расписание, оперируя 14 критериями оптимизации. Исходя из разных комбинаций критериев составления оптимального расписания, можно сформировать 100 разных вариантов таких расписаний.

В диссертационной работе, разработана оптимизационная процедура,
именуемая методом вычисляемых приоритетов (далее по тексту: "метод
вычисляемых приоритетов"), которая опираясь на вычислительные

возможности оптимизационного модуля MES-системы «ФОБОС», варьируя приоритетами производственных заданий, позволяет значительно уплотнить планируемые операции в расписании, повышая тем самым скорость прохождения заказов, на производстве мелкосерийного и единичного типов.

При реализации предложенного метода вычисляемых приоритетов был использован системный подход, позволяющий рассматривать динамику внутрицеховых материальных потоков в рамках «вытягивающей» схемы производственной логистики, а весь производственный процесс как единую управляемую систему.

Степень разработанности проблемы. Практика применения подходов к
расчёту производственного расписания для мелкосерийных и единичных
производств, свидетельствует о проблемах, связанных с большим объемом
незавершенного производства, из-за длительного пребывания деталей между
операциями и низким коэффициентом загрузки оборудования и, как следствие,
низкой пропускной способностью станочной системы. Данная ситуация требует
решения, позволяющего повысить пропускную способность станочной
системы, и тем самым значительно ускорить исполнение производственных
заказов в условиях мелкосерийных и единичных производств. Тематика
производственной логистики, бережливого производства и ускорения
продвижения производственных заказов через станочную систему достаточно
недавно стала изучаться и исследоваться в области управления

производственными процессами. В пятидесятых годах ХХ века компания Тойота, перестраиваясь после второй мировой войны, испытывала большую нехватку ресурсов, и поэтому не имела возможности пользоваться традиционной системой управления производством. Исследуя перечень организаций, эффективно оборачивающих свои средства, сотрудники компании выяснили, что супермаркеты оборачивают свои ресурсы более 50 раз в год, в то время как типичная производственная организация, использующая обычную «выталкивающую» логистическую систему планирования, оборачивает ресурсы от 1 до 10 раз в год. Пользуясь «вытягивающей» производственной логистикой, а также другими приёмами бережливого производства, компания получила невероятные для производственной деятельности данные в 50100 оборотов ресурсов в год.

В восьмидесятые годы ХХ века Э.Голдраттом была разработана методология управления производством, именуемая Tеорией ограничений (Theory of Constraints). Концепция теории ограничений заключается в выявлении ограничения в производственном процессе (Bottle-neck) и управлении этим ограничением так, чтобы повышалась скорость получения прибыли. Специфика мелкосерийного и единичного производства говорит о наличии «плавающего» узкого места, то есть в одном и том же расписании работ для каждого из заказов узкое место будет проявляться индивидуально.

Дэвид Хэллетт» описывает вытягивающее планирование производством и проводит разбор четырёх методов вытягивающей производственной логистики: «Восполнение супермаркета (Kanban)», «Лимитированные очереди FIFO», «Барабан-буфер-верёвка (DBR)» и «Лимит незавершённого производства (WIP Cap)».

Все эти методы хорошо работают в массовом, крупносерийном и серийном типах производства, и ни один не работает эффективно в условиях мелкосерийного и единичного производства. Поэтому для мелкосерийного и единичного производства рассматриваемая проблема на сегодняшний день разработана недостаточно.

Вопросы, связанные с особенностями расчёта производственного расписания для мелкосерийных и единичных производств, определили необходимость разработки метода вычисляемых приоритетов, для повышения управляемости и скорости исполнения производственных заказов в условиях мелкосерийного и единичного производств. Это дало возможность сформулировать цель данной диссертационной работы и поставить научные задачи.

Целью данной диссертационной работы является повышение скорости исполнения производственных заказов в условиях мелкосерийных и единичных производств за счёт вариации приоритетов производственных заданий при составлении производственных расписаний средствами MES.

Для достижения сформулированной цели в диссертационной работе решаются следующие научные задачи:

1. Исследование существующих методов по организации производственных процессов, выявление их преимуществ и недостатков, а так же определение области их эффективного применения;

2. Анализ существующих взаимосвязей между скоростью исполнения производственных заказов и вариацией их приоритетов при составлении расписаний;

3. Разработка математической модели метода вычисляемых приоритетов для повышения управляемости и скорости исполнения производственных заказов в условии мелкосерийных и единичных производств;

4. Исследование функций, задач и архитектуры программных средств по оптимизации производственных расписаний, выявление их особенностей и

характеристик для выбора системы реализации метода вычисляемых приоритетов;

5. Разработка алгоритма для метода вычисляемых приоритетов, на базе системы управления производственными процессами(MES);

6. Разработка программной реализации метода вычисляемых приоритетов на основе MES-системы «Фобос».

Объект исследования. Объектом исследования является

производственное подразделение (цех, участок) машиностроительного
предприятия с мелкосерийным и единичным типом производства, с
существующими проблемами: низкой скоростью исполнения заказов,
завышенным объемом незавершенного производства, наличием простоев
технологического оборудования и, как следствие, с низкой

производительностью труда на предприятии.

Предмет исследования. Предметом исследования является

оптимизационная процедура (метод вычисляемых приоритетов), повышающая управляемость и скорость исполнения производственных заказов, в условиях мелкосерийного и единичного производств.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием научных положений системного анализа, теории расписаний, теории ограничений Голдратта и основных положений производственной логистики.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

1. Установлены взаимосвязи между скоростью прохождения материальных потоков через станочную систему, плотностью загрузки технологического оборудования и вариацией приоритетов производственных заказов при составлении производственных расписаний в условиях мелкосерийных и единичных производств.

2. Разработана математическая модель, описывающая метод вычисляемых приоритетов, для повышения управляемости и скорости исполнения производственных заказов, в условиях мелкосерийных и единичных производств.

3. Разработан полиномиальный по вычислительной трудоёмкости алгоритм для метода вычисляемых приоритетов, повышающий управляемость и скорость исполнения производственных заказов, на основе MES-систем.

4. Разработан программный модуль, для повышения скорости прохождения производственных заказов через станочную систему, в условиях мелкосерийных и единичных производств на основе MES-системы «Фобос».

Положения, выносимые на защиту:

1. Оптимизационная процедура, именуемая методом вычисляемых

приоритетов.

2. Математическая модель и алгоритм метода вычисляемых приоритетов, для повышения скорости исполнения производственных заказов для мелкосерийных и единичных производств.

3. Методика повышения скорости исполнения производственных заказов мелкосерийных и единичных производств, на основе разработанного метода вычисляемых приоритетов, используемого в составе системы оперативного управления производственными процессами «Фобос».

Практическая значимость работы заключается в разработке методики
по уплотнению производственного расписания и ускорению исполнения
производственных заказов в условиях мелкосерийных и единичных
производств, на основе системы управления производственными процессами, а
также в выполнении программной реализации разработанных

оптимизационных алгоритмов и методики, предназначенных для повышения степени управляемости и ускорению прохождения производственных заказов через станочную систему. Данные прикладные научные исследования проведены при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России (Уникальный идентификатор проекта – RFMEFI57414X0127). Диссертация выполнялась в рамках Программы «Создание типовой информационной системы предприятий ядерного оружейного комплекса (ЯОК) в пилотной зоне ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», проект NW-B-CA1-3.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке метода вычисляемых приоритетов для производственного расписания на основе вариации приоритетов производственных заказов, позволяющего повысить управляемость и скорость исполнения производственных заказов в условиях мелкосерийных и единичных производств на базе системы управления производственными расписаниями.

Степень достоверности и апробация работы. Результаты, полученные в диссертационной работе, подтверждаются положительным эффектом их применения на практике:

1. Результаты диссертационной работы применяются на предприятии в г. Саров: завод ВНИИЭФ, цех 2186, повышая управляемость и скорость исполнения производственных заказов и базируются на MES-системе «Фобос»;

2. Результаты диссертационной работы применяются на предприятии в г. Лесной: Комбинат ЭХП, 112-е производство, участок 8, повышая управляемость и скорость производственных заказов и базируются на MES-системе «Фобос»;

3. Результаты диссертационной работы применяются в учебном процессе МГТУ «СТАНКИН» по направлению «Информатика и вычислительная техника».

4. Апробация работы. Теоретические и практические результаты работы, а также основные её положения, докладывались на заседаниях кафедры «Информационные технологии и вычислительные системы» ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН».

По материалам диссертационной работы были сделаны доклады на:

5. XIV научной конференции МГТУ «Станкин» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «Станкин» – ИММ РАН» по математическому моделированию и информатике, Москва, 2011 г.;

6. всероссийской научно-практической конференции «Автоматизация и управление технологическими и производственными процессами», Уфа, 2011 г.;

7. II всероссийской научно-практической конференции «Социально-экономические и психологические проблемы управления», Москва, 2011г;

8. всероссийской научно-практической конференции «Автоматизация и управление технологическими и производственными процессами», Уфа, 2013 г.

Соответствие паспорту специальности. Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации (технические системы), а именно 4 и 5 пунктам.

Публикации по теме работы. На тему диссертационной работы опубликовано 11 научных работ, из этих работ 4 опубликовано в журналах из перечня, рекомендованного ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, списка сокращений и приложения. Содержание диссертации изложено на 146 листах машинописного текста, список литературы содержит 50 наименований, количество иллюстраций 82, количество таблиц 5.