Введение к работе
Актуальность проблемы
Повышение эффективности управления производством как большой и сложной организационной системой является важной проблемой, решение которой становится особенно актуальным в современных условиях, характеризующихся как изменением самих производств, так и среды их функционирования. К отличительным особенностям современного производства следует отнести следующие:
• частую сменяемость видов выпускаемой продукции, обусловленную быстро изменяющимися потребностями рынка и возможностями научно-технического прогресса;
• усложнение технологической, организационной и информационной структуры производства, определяемое усложнением самих выпускаемых изделий и внедрением перспективных технологий их обработки и новых информационных технологий;
• сокращение жизненного цикла изделий за счет сокращения сроков на их разработку и изготовление путем внедрения высокоэффективных систем автоматизированного проектирования и средств автоматизации производства.
Функционирование производства в условиях рыночных отношений усложняется, прежде всего, за счет существенной нестабильности среды и направленного противодействия конкуренции целям производственной системы (ПС) по выпуску продукции, соответствующей рыночной потребности. Функционируя в новых условиях, производственные системы находятся под влиянием возмущений среды и внутренних возмущений, обусловленных рассогласованиями в технологическом и производственном процессах, а также участием человека в системе, что в целом снижает их эффективность.
В связи с этим актуальной становится проблема совершенствования методов и алгоритмов управления производственными системами в условиях неопределенности состояний среды, многовариантности ситуаций при производстве и сбыте продукции и ограничений по ресурсам- Повышение эффективности управления системой может быть обеспечено в первую очередь за счет применения моделей и информационных технологий принятия решений на базе перспективных алгоритмов интеллектуального управления.
Современная тенденция к интеграционным процессам в экономике, результатом которых является объединение производственных . систем в производственные комплексы (ПК), выдвинула проблему обеспечения устойчивого взаимодействия систем на различных режимах их совместного функционирования. Актуальной становится проблема исследования динамики функционирования производственных комплексов и разработки эффективных алгоритмов управления ПК с учетом изменчивости внешней среды и ограничений систем по ресурсам. Повышение эффективности управления комплексом может быть достигнуто за счет разработки и применения алгоритмов принятия решений по синтезу моделей и структур отдельных систем, а также решений по синтезу связей между подсистемами на основе анализа устойчивости функционирования комплекса.
С. Петербург В работе с позиций методологической целостности рассматривается проблема построения комплекса взаимосвязанных, устойчивых к внешним возмущениям моделей систем управления производством и производственными комплексами, использующих динамические и интеллектуальные алгоритмы управления. Выбор вида моделей для описания отдельных процессов, протекающих в производственных системах, обосновывается соответствием свойств процессов и возможностей моделей. Сочетание потребностей реальных объектов и описательных возможностей абстрактных моделей оказывается более значимым для обеспечения адекватности, чем разработка глобальной единой модели одного вида. Вьршслительные трудности, возникающие при интеграции моделей разных типов, описывающих многообразие реальных процессов, протекающих в ПС и ПК, преодолимы за счет использования эвристических алгоритмов решения задач и имитационных компьютерных программ. Различные по природе модели и алгоритмы объединены общей целью построения системы управления и выявления эффективных траекторий движения ПС в изменяющейся внешней среде.
Работа посвящена решению актуальной научной проблемы, состоящей в разработке методологических и теоретических основ моделирования и управления сложными производственными системами и комплексами на неравновесных динамических режимах в условиях неопределенности, возмущений внешней среды, ограничений по ресурсам, а также в разработке на их основе математических моделей, методов и алгоритмов управления с целью повышения эффективности функционирования систем.
При решении данной проблемы автор в своих исследованиях опирался на труды отечественных и зарубежных ученых, внесших значительный вклад в развитие теории управления экономическими системами:
• в развитие методов оптимального планирования и управления производством ( В.В. Леонтьев, Л.В. Канторович, Н.Н. Моисеев, В.Н. Бурков, В.В. Кулъба, Г.Ф. Хахулин, Я.З. Цьгакин, Э.Й. Вилкас, Р. Кини, X. Райфа и др.);
• в создание системно-динамических моделей и систем имитационного J моделирования (Т. Нейлор, А.Г. Гранберг, Н.В. Чепурных, А.Л. Новоселов, В.И. Дудорин, Дж. Форрестер, Дж. Стерман, Д.Л. Кауфман, М.Р. Гудман, М. Месарович и др.); i$
• в создание моделей, описывающих закономерности функционирования
макроэкономических систем и используемых при управлении (А.Г. Гранберг,
Р. Аллен, В.М. Глушков, BJL Макаров, Н.Е. Кобринский, Д.С.Львов, А.А.Петров, А.А.Шананин, Ю.Н.Черемных, Э.Дж. Долан, Дж. Грейсон, Я.Р. Рейльян и др.);
• в разработку интеллектуальных алгоритмов принятия решений по управлению (Р.А. Алиев, В.Ф. Венда, В.А. Витгих, Г.С. Поспелов, Д.А. Поспелов, AJ3. Смирнов, А.В. Тимофеев, P.M. Юсупов, И.Ю. Юсупов) и экспертных систем (Э.В. Попов, В.Ф. Хорошевский, Ю.Я. Любарский, Е.И. Ефимов и др.);
• в имитационное моделирование производственных систем (А.А. Вавилов, Б.Г. Тамм, Н.СРайтман, В.МЛадеев, НА.Саломатин), в том числе с использованием динамических подходов ( Дж. Форрестер, Э.М. Браверман, А.А. Колобов, Л.Ф. Шклярский и др.);
• в автоматизацию процессов организационного управления за счет создания функционально-ориентированных автоматизированных рабочих мест я информационных систем (ФЛ Перегудов, Б Л. Советов, И.Г. Поспелов и др.).
Автор также опирался на опыт применения новых технологий и стандартов SADT, IDEF, ISO, корпоративных информационных систем, универсальных информационных и технических средств управления, разработанных зарубежными фирмами, таких как R/3, BAAN IV, CA-MAN-MAN/X, TimeLine, WorkFlow, LLnkWorks и др., а также отечественных комплексных программных средств учета и управления, таких как БОСС - Компания, Парус - 97, Галактика, Олимп, NS2000 и др.
Однако к настоящему времени до конца не разработана общая методология исследования и эффективного управления производственной системой как сложным динамическим объектом, находящимся под воздействием внешних и внутренних возмущений, управляемым человеком в условиях неопределенности и ограничений по ресурсам. Среди большого количества моделей экономической динамики не удается выделить одну или несколько, способных в целом отразить особенности функционирования ПС в условиях неопределенности рыночных отношений и обеспечить разработку и применение алгоритмов, повышающих эффективность управления.
Область исследования и построения моделей неравновесной динамики производственных комплексов, обеспечивающих их устойчивое функционирование, является малоизученной.
Цель н задачи исследований
Цель работы - решение важной научно-практической проблемы, состоящей в разработке методологических и теоретических основ анализа, синтеза и интеллектуального управления неравновесными состояниями производственных систем и комплексов в условиях рынка на основе имитационного моделирования и в применений полученных результатов для решения практических задач повышения эффективности функционирования данного класса систем за счет интеллектуализации процессов принятия решений при планировании, производстве и сбыте продукции.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
1. Разработать методологию исследования, моделирования и интеллектуального управления сложными динамическими, плохо формализуемыми производственными системами и комплексами.
2. Разработать математические модели динамики функционирования многопродуктовых производственных систем и управляемых производственных комплексов с учетом возмущающих факторов со стороны внешней среды.
3. Разработать теоретические основы построения эффективных структур системы интеллектуального управления производством.н сбытом как единым динамическим объектом, а также синтеза структур управляемого производственного комплекса. 4. Разработать интеллектуальную систему поддержки принятия решений для эффективного управления производством а сбытом продукции в условиях рынка. 5. Разработать автоматизированную систему имитационного моделирования (АСИМ) динамики функционирования ПС и поддержки принятия решений по управлению производством, а также АСИМ динамики функционирования управляемого производственного комплекса.
6. Разработать комплексную методику анализа и проектирования системы интеллектуального управления производством. Провести исследования эффективности предлагаемых моделей, структур и алгоритмов и выработать практические рекомендации для ситуационного управления ПС в конкурентных условиях рынка. Провести исследования динамики функционирования управляемого производственного комплекса при действии возмущений внешней среды и структурных изменениях ПК, а также выработать практические рекомендации по управлению организацией взаимодействия производственных подсистем в составе комплекса.
Методы исследования
При разработке теоретических и методологических основ моделирования и « интеллектуального управления производством используются методы системного анализа. Разработка моделей проводится с использованием методов общей теории систем, теории автоматического управления, теории иерархических систем. \
Синтез интеллектуальных алгоритмов осуществляется с использованием методов искусственного интеллекта, ситуационного управления и теории алгоритмов. Для разработки имитационных моделей применяются численные методы моделирования и методы проектирования информационных систем.
Результаты, выносимые на защиту
На зашиту выносятся следующие научные положения и праюические результаты.
1. Методология исследования, моделирования и интеллектуального управления производственными системами и комплексами, функционирующими в условиях неопределенности рыночных отношений, основанная на использовании системологических принципов и общенаучных подходов применительно к сложным динамическим плохо формализуемым ПС и ПК.
2. Математические модели многопродуктовых производственных систем и их подсистем, модели управляемых многокомпонентных производственных комплексов, отражающие динамику систем и описывающие процессы их функционирования и управления на неравновесных динамических режимах с учетом действия возмущающих факторов со стороны внешней среды.
3. Теоретические основы построения структур и математических моделей управляемых производственных систем и комплексов, разрабатываемых на принципах построения кибернетических систем, включая методы синтеза интеллектуальных алгоритмов управления производством в условиях неопределенности рыночной среды.
4. Интеллектуальная система поддержки принятия решений по управлению производством и сбытом, базирующаяся на нейро - нечетких моделях ситуационного управления производственной системой в условиях рынка, дозволяющая решать задачи идентификации, классификации ситуаций и выбора решений формализованными процедурами, снижающими субъективность при принятии решений человеком в процессе оперативного управления производством.
5. Автоматизированная система имитационного моделирования динамики функционирования ПС и поддержки принятия решений по управлению производством, реализованная в форме интерактивного диалога с пользователем и предназначенная для анализа эффективности алгоритмов интеллектуального управления, для анализа и прогнозирования поведения системы в изменяющихся условиях внешней среды.
АСИМ динамики управляемого производственного комплекса, позволяющая проводить исследования устойчивости функционирования ПК при действии возмущающих факторов со стороны внешней среды Й при структурных изменениях внутри комплекса и предназначенная для синтеза структур ПК, обеспечивающих его устойчивое функционирование.
6. Комплексная методика анализа и синтеза системы интеллектуального управления производством, в том числе методика обучения ситуационному управлению. " Результаты исследований эффективности управления многопродуктовой производственной системой в конкурентных условиях рынка и результаты исследований динамики функционирования управляемого производственного комплекса при действии внешних н внутренних возмущений, полученные с использованием разработанных систем имитационного моделирования.
Научная новизна результатов
? Новизна предлагаемой методологии исследования, моделирования и интеллектуального управления производственными системами и комплексами заключается в том, что она объединяет в единую систему этапы синтеза, моделирования, анализа и управления производством как динамическим объектом на основе использования системных принципов и общенаучных подходов применительно к данной предметной области;
? новизна разработанных математических моделей производственной системы и ее элементов состоит в том, что они описывают в виде нелинейных дифференпиальных уравнений поведение ПС на неравновесных динамических режимах в конкурентных условиях рынка при действии возмущающих факторов со стороны внешней среды.
Новизна разработанных динамических моделей и структур управляемого производственного комплекса заключается в том, что ОЙИ позволяют анализировать отношения между производственными подсистемами на динамически неравновесных режимах и синтезировать связи между ними из условия обеспечения устойчивого функционирования комплекса как единого целого; новизна предложенного подхода к построению интеллектуальных систем управления ПС заключается в системном согласовании и реализации различных функций по планированию, прогнозированию и управлению производством на основе сочетания нечетких алгоритмов и нейросетевых структур;
• новизна предложенных алгоритмов управления производственной системой заключается в декомпозиции ситуаций на отдельные классы на основе
I нейросетевого моделирования и в формировании для них алгоритмов принятия решений на основе нечеткой логики.
Практическая ценность и внедрение результатов Практическая ценность разработанных научных основ построения интеллектуальных систем управления производством заключается в том, что они позволили разработать и внедрить в практику:
• модели, структуры и алгоритмы интеллектуального управления производством в условиях неопределенности;
• модели и структуры управляемого производственного комплекса, обеспечивающие его устойчивое функционирование на динамически равновесных и неравновесных режимах;
• автоматизированную систему имитационного моделирования динамики и поддержки принятия решений по управлению производством, обеспечивающую компьютерную имитацию различных ситуаций, возникающих на рынке, которые не были предусмотрены при планирований, и позволяющую формировать эффективную, в смысле получения прибыли, тактику поведения ПС в условиях неопределенности рыночных ситуаций;
• комплексную методику применения автоматизированной системы имитационного моделирования и поддержки принятия решений при анализе ПС и процессов управления производством и сбытом продукции, а также при обучении методам принятия решений по управлению производством;
• автоматизированную систему имитационного моделирования динамики управляемого производственного комплекса и методику ее применения для проведения исследований и анализа устойчивости функционирования ПК.
В учебный процесс Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ) и Башкирской Академии госслужбы и управления внедрены математическое, алгоритмическое и программное обеспечение моделирующего комплекса, а также методика его использования для решения задач моделирования динамики процессов производства и сбыта продукции, оперативного управления производством и процессов функционирования управляемого производственного комплекса (свидетельства Роспатента об официальной регистрации программ для ЭВМ №99005, №99006, №2001610640,№20026П510).
На ФГУП "Уфимское агрегатное производственное объединение" внедрены комплексная методика построения системы управления производством, включающая процедуру расчета планов выпуска изделий, алгоритмы эффективного поведения предприятия в изменяющихся условиях рынка и программное обеспечение поддержки решепий при управлении.
Основания для выполнения работы
Работа выполнена в период 1991-2002 гг. на кафедре технической кибернетики УГАТУ и связана с выполнением хоздоговорных научно-исследовательских работ (НИР) с АО "Концерн БЭТО"-НИР № ИФ-ТК-24-91 (1991-1993ГТ.) и госбюджетных НИР (1993-2001 гг.).
Работа поддержана в рамках научно-исследовательской программы "Математические методы моделирования сложных систем и применение их в народном хозяйстве Башкортостана", проводимой в Институте математики с ВЦ Уфимского научного центра (УНЦ) РАН в 1993-1995п\, в рамках Государственной программы "Информатизация РФ1 , проект "Информатизация УГАТУ" (1993-1996гп), в рамках Федеральной целевой программы "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-200lir.", контракт № 21-76, в рамках Государственной научно-технической программы Республики Башкортостан "Фундаментальные проблемы физики, математики, механики; эксперимент, теория, математическое моделирование", проводимой в Институте механики УНЦ РАН в 1998-1999 гг., а также в рамках гранта по фундаментальным исследованиям в области экономических наук "Диагностика состояния и интеллектуальное управление поведением предприятия в условиях рынка на основе имитационного моделирования", проект № 4-33,1999-2000 гг.
Апробация работы и публикации
І Основные положения и результаты работы регулярно докладывались и обсуждались на научных конференциях различного уровня, в их числе: Всероссийская научная конференция "Непрерывная логика и ее применение в технике, экономике и социологии" (Пенза, 1994);
Международная научно-техническая конференция (НТК) "Непрерывно логические методы и модели в науке, технике и экономике" (Пенза, 1995);
Международная научно-техническая конференция "Непрерывно-логические модели и нейронные сети" (Ульяновск, 1995);
Международная научно-техническая конференция Информационные технологии в моделировании и управлении" (С.-Петербург, 1996);
Международная научно-практическая конференция "Математические методы и компьютеры в экономике" (Пенза, 1996,1997,1999);
Международная научно-техническая конференция "Конверсия, приборостроение, рынок" (Владимир, 1997);
Международная конференция "Информатика и управление" (С.-Петербург, 1997); 8-й симпозиум ГРАС "Большие системы: теория и применения" (Патрас, Греция, і 998);
Международная конференция "Подходы жизненного цикла к производственным системам: менеджмент, управление и контроль" (Бремен, Германия, 1998; Левен, Бельгия, 1999; Бордо, Франция, 2000);
Всероссийская НТК "Нейроинформатика-99 " (Москва, 1999); 2-й Международный семинар AMETMAS-NOE "Передовые концепции управления производственными системами" (С.-Петербург, 1999);
Международная конференция "Проблемы управления" (Москва, 1999);
Международный семинар "Информатика и информационные технологии" (Уфа, 2000,2001, Патрас, Греция, 2002);
Симпозиум IFAC "Производство, моделирование, менеджмент и управление" (Патрас, Греция, 2000); 2-я Международная конференция "Проблемы управления и моделирования в сложных системах" (Самара, 2000); Российская научно-методическая конференция "Управление экономикой: методы, модели, технологии" (Уфа, 2001); 8-я Международная конференция по нейролнформатике (Шанхай, Китай, 2001).
Результаты диссертационной работы отражены в 75 публикациях, в том числе в 3 монографиях, 32 статьях, в 24 трудах конференций, 8 свидетельствах Роспатента о регистрации программ для ЭВМ, а также в 3 опубликованных методиках проведения деловых игр и 5 компьютерных практикумах по моделированию процессов управления производством и построению систем поддержки принятия решений по управлению.
Структура работы
Работа включает введение» 7 глав основного материала, заключение, библиографический список и приложения. Работа изложена на 303 страницах машинописного текста, кроме того, содержит 61 рисунок и 13 таблиц, размещенных на 59 страницах. Библиографический список включает 230 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному консультанту, заслуженному деятелю науки и техники РФ и РБ, профессору Ильясову Б.Г. за постоянное и заинтересованное обсуждение совместно проводимых в течение многих лет исследований, а также за методическую и организационную помощь при подготовке диссертации к защите. Автор выражает искреннюю благодарность профессору Исмагиловой Л.А. за многолетнее полезное сотрудничество в области исследования проблем управления производством, а также аспиранту Валеевой Г.Р. за большой труд по подготовке и оформлению рукописи диссертации.
