Введение к работе
Актуальность работы. Системный анализ форм и методологий организации современных технологических процессов (ТП) промышленного производства обнаруживает их ориентацию непосредственно на конечного потребителя в полном соответствии с Концепцией всеобщего управления качеством (TQM), которая поддерживается стандартами серии ИСО 9000-2001. Согласно требованиям Концепции, эффективное производство должно обеспечивать «качество, встроенное в изделие», вместо того, чтобы проверять качество продукции после ее изготовления, и в то же время фокусироваться на индивидуального, а не среднестатистического потребителя.
В свою очередь, конечный потребитель сегодня все более ориентирован на продукцию, выполненную из натуральных компонентов (например, из шерсти, а не химических волокон), т.е. на присутствие в ТП элементов природного, в первую очередь биологического, происхождения, которые в определенных пределах сохраняют присущую им активность в ходе технологической обработки и в готовом продукте, причем носителем такой активности может выступать и человек (актор) как элемент сложного ТП. Эту активность будем в дальнейшем называть естественной (ЕА).
В целом ряде работ последнего времени выделена специфика элементов такого типа с точки зрения теории управления: переменные, характеризующие их состояние, стремятся к таким значениям, которые соответствуют некоторым соотношениям (в частности, уравнениям баланса), т.е. инвариантным многообразиям в их пространстве состояний. Соответствующее требование Концепции TQM связывает эффективность производства не с компенсацией ЕА, а, напротив, с минимальным ее ограничением при сохранении преимуществ промышленного производства перед ремесленным.
В настоящее время решение задач управления и наблюдения, обеспечивающих необходимый уровень эффективности сложных технических систем (СТС), содержащих неопределенности различной природы, является предметом активных исследований. Для описания таких СТС успешно применяются такие концептуальные и технологические подходы, как концепция полимодельности и многокритериальности (СВ. Емельянов, Н.Н. Моисеев, Б.В. Соколов, В.Ф. Уткин, А.Д. Цвиркун, P.M. Юсупов); интеллектуальные технологии и «вычислительный интеллект» (Л. Заде, В.М. Курейчик, А.С. Нариньяни, Д.А. Поспелов, Г.С. Поспелов, А.В. Ушаков и др.): методы инженерии знаний и поддержки принятия решения (В.Н. Волкова, Т.А. Гаврилова, Е.К. Корноушенко, В.В. Курейчик, О.И. Ларичев, Д.Б. Юдин и др.). Значительные результаты по управлению и наблюдению в условиях неопределенности получены в рамках современной теории автоматического управления (Б.Р. Андриевский, А.А. Бобцов, С.Д. Земляков, П. Иоанноу, П. Кокотович, А.А. Колесников, Р. Марино, И.В. Мирошник, К. Нарендра, В.О. Никифоров, Б.Н. Петров, Е.Н. Розенвассер, В.Ю. Рутковский, П. Томеи, В.Н. Фомин, А.Л. Фрадков, A.M. Цыкунов, ЯЗ. Цыпкин, В.А. Якубович и др.).
Однако, как показывает системный анализ, такой фактор, как ЕА элементов (Э) СТС, остается практически вне поля зрения разработчиков СТС. В то же время присутствие Э с ЕА в промышленной продукции и ТП ее производства создает комплекс проблем, затрудняющих не только решение, но и, в первую очередь, корректную постановку задач наблюдения в соответствующих СТС, что и сформировало проблематику работы.
Можно дать следующее определение Э с ЕА как компонента сложного технического объекта (СТО): Э с ЕА - динамическая подсистема в составе СТО, реализующая необратимое движение части своих переменных состояния к аттрактору, причем сохранение этого движения является существенным с точки зрения эффективности СТО и СТС в целом.
Системный анализ результатов, полученных в целом ряде смежных дисциплин (таких как распознавание образов, представление знаний и т.д.), а также собственные исследования автора позволяют выделить особенности Э с ЕА как компонентов СТО.
ЕА может присутствовать в Э непосредственно (например, в перерабатываемом сырье) или опосредованно (в компонентах с элементами уникальной ручной обработки).
Концепцию Э с ЕА правомерно использовать для моделирования некоторых функций человека (актора) в управляющей СТС: на уровне ЛПР она соответствует целостному выбору (ЦВ) (О.И. Ларичев) на различных предъявлениях, а на уровне оператора - его навыкам, «глубинным» знаниям (Т.А. Гав-рилова).
ЦВ, выполняемый ЛПР, можно рассматривать как формирование частичного упорядочения (ЧУ) V\>Vj>Vt, ... на множестве оценок V предъявляемых ему объектов. Это ЧУ формируется апостериорно как результат интегральной оценки предъявлений с учетом предыдущего опыта, который, особенно в случае проявлений ЕА, не доступен объективному наблюдению или осознанию (рефлексированию); поэтому ЧУ, формируемое ЛПР посредством ЦВ, является достаточно устойчивым, но не всегда соответствует упорядочению, получаемому в результате статистических оценок тех переменных состояния, которые доступны инструментальному наблюдению.
Навыки оператора можно рассматривать как выбор пути на графе возможных технологических операций. При этом полный граф априорно неизвестен, однако на нем существует устойчивое упорядочение по реализуемым актором путям, формируемое за счет его интуиция и опыта.
Указанные особенности затрудняют решение выдвинутой в Концепции TQM задачи мониторинга с точностью прогноза, достаточной для организации эффективного производства. Эти затруднения можно сформулировать как противоречие между доступным показателем эффективности СТО в виде апостериорного ЧУ на выходных состояниях СТО и возможностями существующих моделей мониторинга, ориентированных на априорное задание целевого состояния СТО в виде набора критериальных показателей.
Таким образом, в работе ставится и исследуется актуальная научно-техническая проблема, состоящая в системно-аналитическом обеспечении
эффективности промышленного производства в аспекте организации мониторинга продукции в условиях ориентации на индивидуальные запросы потребителя. Объектом системно-аналитического исследования являются СТО, управляемые СТС, в ситуациях, когда учет ЕАЭ является существенным фактором повышения эффективности в соответствии с требованиями системы стандартов по управлению качеством, а предметом исследования - организация мониторинга эффективности таких СТО.
Цель исследования - разработка системно-аналитических основ организации мониторинга эффективности СТО, управляемых СТС, при наличии ЕАЭ.
Решение поставленной проблемы реализуется как комплекс взаимосвязанных задач.
-
На основе системной интеграции концепций обобщенного системного анализа и теории координации в иерархических многоуровневых системах разработать концепцию организации мониторинга эффективности СТО при наличии ЕАЭ в СТС и СТО.
-
Разработать методологию организации мониторинга эффективности СТО при наличии ЕАЭ в СТО и СТС и различных метрик технологической среды.
-
Выделить основные системообразующие свойства ЕАЭ, существенные с точки зрения организации мониторинга эффективности СТО при наличии ЕАЭ в СТО и СТС.
-
Построить полимодельные комплексы для описания элементов СТС и СТС, обладающих ЕА.
-
Провести апробацию разработанных методов в рамках реализации приборного комплекса, обеспечивающего мониторинг эффективности производства трикотажного полотна.
-
Разработать комплексную систему информационной поддержки технологического процесса компьютерной допечатной подготовки изданий, направленной на повышение его эффективности.
В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты.
-
На основе системной интеграции концепций обобщенного системного анализа и теории координации в иерархических многоуровневых системах разработана концепция организации мониторинга эффективности СТО при наличии ЕАЭ в СТС и СТО. Концепция позволяет комплексно учесть наличие нестохастических неопределенностей типа ЕА, имеющих место при формировании СТО, а также специфику задания желаемого выходного состояния СТО, выполняемого человеком-экспертом на уровне ЦВ.
-
Разработана методология системного анализа и организации мониторинга эффективности СТО при наличии ЕАЭ в СТО и СТС и различными метриками технологической среды. В том числе:
сформулирован проблемно-ориентированный системный принцип стилевого единства;
разработан метод организации экспертизы для формирования оценочного множества для СТО с ЕАЭ на основе ЦВ, выполняемого одним экспертом;
разработан метод организации мониторинга эффективности СТО при нали-
чий ЕАЭ в СТС и метрики технологической среды над бесконечными полями, который позволяет задавать желаемые выходные переменные СТО на уровне ЦВ непосредственно в процессе формирования СТО при сохранении технологических свойств СТС;
- разработан метод организации мониторинга эффективности СТО при нали
чии ЕАЭ в СТС и СТО для случая, когда в технологической среде присутст
вуют компоненты с метриками, задаваемыми над бесконечными и конечны
ми полями. Метод позволяет задавать желаемые выходные переменные
СТО, а также структуру СТС на уровне ЦВ непосредственно в процессе
формирования СТО при сохранении устойчивости СТС.
-
На основе системного анализа установлены основные системообразующие свойства ЕАЭ, существенные с точки зрения организации мониторинга эффективности СТО при наличии ЕАЭ в СТС и СТО.
-
Предложены полимодельные комплексы для описания элементов СТО и СТС, обладающих ЕА, как сочетание формальных моделей, характерных для технической среды, с частично рефлексируемыми процедурами принятия решения на уровне ЦВ и поиска путей на графе технологических операций.
-
Основные схемные, конструктивные и программные решения, полученные в рамках работы, защищены авторскими свидетельствами на изобретения, а также свидетельством о государственной регистрации программного продукта.
Методы исследований. При выполнении работы использовались методы теории координации в иерархических многоуровневых системах, системного анализа, теории управления, в частности, методы пространства состояний (в основном в форме вход-выходных соотношений), теории оптико-электронных систем, теории стохастических процессов, параметризованных и не параметризованных временем, а также прикладной статистики. Достоверность теоретических выводов подтверждена математическими доказательствами и результатами внедренческих акций. Обработка и оценка результатов экспериментальных исследований, реализованных в ходе выполнения работы, проводились по общепринятым статистическим методикам.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что полученные системно-аналитические результаты в целом доведены до уровня инженерных методик, апробированных на практике, а также приборных и программных комплексов технологической поддержки систем мониторинга в составе СТС, получивших промышленное внедрение:
методика поддержки формирования неметризуемой части оценочного множества;
системная методика организации мониторинга эффективности СТС с ЕАЭ на базе теории координации;
методика поддержки решения типовых задач ТП КПП;
методика построения системы мониторинга ТП КПП;
приборный комплекс мониторинга эффективности ТП трикотажного производства;
программный комплекс поддержки мониторинга эффективности ТП КПП.
Комплекс приборов и методик мониторинга эффективности ТП трикотажного производства, внедренный на ведущих предприятиях г. Санкт-Петербурга, превосходит лучшие зарубежные аналоги по ряду существенных показателей. Комплекс методик и программ информационной поддержки мониторинга эффективности ТП КПП, внедренный в СПбГУ ИТМО, позволил в 8 раз (по сравнению с нормативными показателями) увеличить объем подготавливаемых к печати изданий при сохранении допустимого уровня ошибок всех типов.
Внедрение и реализация работы. Работа выполнялась на кафедрах оптико-электронных приборов и технологий профессионального обучения, а также в редакционно-издательском отделе Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики (СПбГУ ИТМО). Диссертационная работа является составной частью научно-исследовательских работ, выполненных при участии автора в рамках: договора №89139 между СПбГУ ИТМО (ранее СПбГИТМО(ТУ)) и ЦНИИАГ (г. Москва) «Оптический анализ технологического процесса вязания»; договора № 89126 между СПбГИТМО(ТУ) и АООТ «Вулкан» (г. Санкт-Петербург) «Создание датчика по обнаружению дефектов полотна кругловязальных машин»; государственного контракта № 776 от 30.09.2005 «Проведение Интернет-олимпиад и творческих конкурсов студентов и школьников по информационным технологиям и программированию и разработка системы мониторинга и сетевой поддержки олимпиад»; НИР РНП 3.2.3.13088 № 0120.0 852799 «Разработка методик использования сетевых интеллектуальных игр для формирования у молодежи адекватных представлений о карьере в области информационных технологий»; НИР № 0120.0 710967 «Разработка средств организационно-технического обеспечения проекта «Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики (перевод в электронную форму) ».
Результаты диссертационной работы получили следующее внедрение.
Теоретические и прикладные результаты диссертации используются в работе редакционно-издательского отдела СПбГУ ИТМО.
Комплекс оптико-электронной аппаратуры для мониторинга эффективности ТП трикотажного производства получил промышленное внедрение на таких предприятиях, как СПбПТО «Ника» (г. Санкт-Петербург), ТОО ПКФ
«Дом моделей» (г. Санкт-Петербург), СПбТО «ЛАК» (г. Санкт-Петербург), гардинно-кружевное объединение (г. Санкт-Петербург).
- Результаты исследования ЕА акторов в информационных технологиях ис
пользованы при разработке систем поддержки и мониторинга Всероссий
ских и межрегиональных Интернет-олимпиад студентов и школьников.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих симпозиумах, конференциях, совещаниях и семинарах:
международных научно-технических, научно-практических и научно-методических конференциях и симпозиумах «Интеллектуальные системы» и «Интеллектуальные САПР» (Дивноморское, 2004, 2006, 2008), «Искусственный интеллект-2002» (Таганрог, 2002), «Анализ систем на рубеже тысячелетия: тео-
рия и практика-2003» (Москва, 2003), «Системный анализ в проектировании и управлении» (Санкт-Петербург, 2001, 2002), «Телематика'2001» (Санкт-Петербург, 2001), «Высокие интеллектуальные технологии образования и науки» (Санкт-Петербург, 1998, 1999), «Прикладная оптика-94» (Санкт-Петербург, 1994);
Всероссийских научно-технических, научно-практических и научно-методических конференциях и симпозиумах «Телематика» (Санкт-Петербург, 1999, 2003, 2004), «Системный анализ в проектировании и управлении» (Санкт-Петербург, 2003);
Всесоюзных научно-технических, научно-практических и научно-методических конференциях и симпозиумах «Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе» (Барнаул, 1984, 1986, 1991), «Оптоэлектронные информационные системы и средства» (Москва, 1990), «Эл-липсометрия - метод исследования поверхности твердых тел» (Новосибирск, 1989), «Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные приборы на их основе» (Барнаул, 1985), «Измерение и контроль при автоматизации производственных процессов» (Барнаул, 1982);
а также отраслевых и межотраслевых научно-технических конференциях и семинарах.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 65 научных работ, в том числе 16 статей, напечатанных в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, выпускаемых в Российской Федерации, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 424 наименования. Работа изложена на 378 страницах машинописного текста, содержит 96 рисунков и 32 таблицы.
