Полимодельное описание процессов управления развитием сложных изделий

на основе новых информационных технологий

Б.В. Соколов,
зам. дир. по научн. работе, д.т.н., проф., sokol@iias.spb.su,
В.А. Зеленцов,
в.н.с., д.т.н., проф.,
Е.Д. Каргу,
прогр.,
Е.Г. Цивирко,
соиск. уч. степ. д.т.н., к.т.н.,
СПИИРАН, г. Санкт-Петербург

В докладе проводится системный анализ и концептуальное моделирование жизненных циклов новых информационных технологий и систем. Предлагаются методологические основы (концепции, принципы, подходы) комплексного моделирования процессов управления структурной динамикой существующих и создаваемых мобильных информационных технологий и систем.

System analysis and conceptual modeling of mobile technologies and complexes at different stages of their life cycle has been studies. Development of methodological basics (concepts, principles, and approaches) for comprehensive modeling of structure-dynamics control in modern and upcoming mobile systems and technologies are proposed.

В настоящее время насыщение мирового рынка всеми видами продукции, доступность высоких технологий для всех, предельно высокое качество выпускаемой продукции выдвигают на первый план конкурентной борьбы фактор времени. В этих условиях в указанной борьбе выигрывает тот, кто: синхронизирует в РМВ бизнес-процессы и производство (системы ERP, MES,АСУ ТП); быстрее разработает и предложит на рынке новый продукт (системы CAD/CAM/PDM); имеет гибкое эффективное высокоавтоматизированное производство (системы СОТС ТП, MES); сокращает цикл производства (системы MES); сокращает цикл поставок и продаж (системы SCM); сокращает время обработки заказов (CRM); в реальном времени контролирует расход ресурсов; осуществляет в РМВ оперативное управление и диспетчеризацию производства; сокращает время возврата инвестиций; сокращает время анализа и принятия решений (OLAP, моделирование RT, аналитические системы RT); управляет производственной кооперацией в РМВ (e-manufacturing, co-manufacturing). Перечисленные требования и информационные системы, их поддерживающие (они перечислены в соответствующих скобках), объединяет концепция предприятия реального времени, гибкого, адаптивного к быстроменяющемуся конкурентному рынку, не знающему расстояний и границ, моментально реагирующему на все внутренние производственные и внешние рыночные факторы в РМВ [1, 3–4, 7]. Важную роль в практической реализации сформулированной концепции должны сыграть производственные исполнительские системы, на Западе известные под названием MES (Manufacturing Execution Systems), и новые мобильные (беспроводные) информационные технологии. Кратко остановимся на описании и особенностях процессов создания и внедрения данных систем и технологий, так как они являются основными объектами моделирования и исследования в рамках рассматриваемого доклада.

В современных условиях, говоря об успехах в области автоматизации управления сложными организационно-техническими комплексами (СОТС), прежде всего, отмечают системы класса ERP (ранее в нашей стране данный класс систем называли АСУ предприятием), процент успешного внедрения которых в финансовых, административных и торговых организациях несравненно выше, чем в промышленности [1–5]. Кроме указанных систем в данных организациях широкое распространение получили системы управления информационными системами (Open View), системы управления знаниями (Knowledge Management), управления жизненным циклом продукта (CALS, PDM). Анализ низкой эффективности внедрения и использования перечисленных выше средств автоматизации управления на промышленных предприятиях объясняется, прежде всего, тем, что системы класса ERP ориентированы в основном на процессы организационного управления и обеспечивают решение офисных задач на стратегическом уровне, где временной горизонт планирования и управления кратен неделям, месяцам, кварталам. Однако на промышленных предприятиях наряду со стратегическим уровнем управления существуют, по крайней мере, ещё два уровня управления (тактический, оперативный), на которых в реальном масштабе времени реализуются производственные процессы в рамках соответствующих технологий. На данном уровне вместо обычных компьютеров и ручного ввода данных приходится иметь дело с автоматическими источниками информации: датчиками, контроллерами, SCADA-пакетами, фиксирующими и обрабатывающими огромные потоки информации в РМВ. В данной информации содержатся сведения о физических процессах, протекающих на самом нижнем уровне иерархии управления производством (например, данные по давлению, температуре, расходу физических ресурсов — пар, тепло, топливо, электроэнергия).

При этом, как показывает детальный анализ, существует прямая логическая взаимосвязь ряда ключевых технологических параметров производственного процесса (уровень АСУ технологических процессов (АСУ ТП), SCADA-систем) с показателями материально-хозяйственной и финансовой деятельности (уровень ERP-систем). Например, потребление электрической мощности и других энергоресурсов (газ, вода, тепло) в процессе производства напрямую влияют на себестоимость. Текущий расход сырья или простои оборудования могут определять оптимальное время подачи в цех новой партии сырья. А своевременное выявление нарушения технологии позволяет сократить или исключить вовсе дополнительные затраты, связанные с исправлением брака.

На административно-хозяйственном уровне в рамках ERP-системы осуществляется учёт каждой финансовой операции и каждого документа, на уровне производства подобного детального контроля не производят. Вместе с тем, анализ показывает, что именно на этом уровне рождается прибавочная стоимость, осуществляются основные затраты и скрыты главные источники экономии, обеспечивается производственный план и требуемое качество продукции, а также работают многие факторы, определяющие эффективность и рентабельность предприятия в целом. Другими словами, из контура автоматизированного контроля и управления предприятием выпадает основное звено — производственный блок.

Таким образом, в настоящее время, в большинстве реализованных проектов, связанных с созданием интегрированных автоматизированных систем управления промышленным предприятием существует целый пласт функций, не покрываемых ни классом ERP, ни классом АСУ ТП. ERP-системы не обеспечивают уровень оперативного управления производством, ограничиваясь стратегическим планированием, информационно и логически не взаимосвязаны и не синхронизированы по времени с задачами управления производством в РМВ [1–4]. В этом «неохваченном» информационными технологиями слое оперативного управления производством находится целый класс жизненно важных для предприятия производственных процессов, создающих прибавочную стоимость продукции, и оказывающих значимое влияние на эффективность предприятия в целом.

В настоящее время данный класс процессов поддерживается производственными исполнительными системами (MES — Manufacturing Execution Systems), ориентированными на информатизацию задач оперативного планирования и управления производством, оптимизации производственных процессов и производственных ресурсов, контроля и диспетчеризации выполнения планов производства с минимизацией затрат. Таким образом, в современных условиях, говоря об интегрированных автоматизированных системах управления предприятием, целесообразно выделять три взаимосвязанных уровня управления — АСУ ТП, MES, ERP.

При этом каждый уровень выполняет (реализует) свою технологию управления, характеризуется своим уровнем интенсивности циркулирующей в нём информации, своим масштабом времени, своим множеством целей и решаемых задач.

Так, на самом нижнем уровне (контур управления АСУ ТП) решаются классические задачи управления технологическими процессами. На данном уровне осуществляется самый интенсивный обмен информацией между элементами и подсистемами АСУ ТП, время реакции системы на управляющие и возмущающие воздействия не должно превышать секунды и даже миллисекунды. В верхнем уровне слоя АСУ ТП — в SCADA-системах происходит накопление и обработки большого числа технологических параметров и создаётся информационная база исходных данных для MES-уровня.

Средний (производственный) уровень управления (уровень MES-систем, АСУ производственными процессами (АСУ ПП)) решает задачи оперативного управления процессами производства в целях обеспечения эффективного использования ресурсов (сырья, энергоносителей, производственных средств, персонала), а также оптимального исполнения плановых заданий на уровне участка, цеха, предприятия. Данный контур управления опирается на отфильтрованную и обработанную информацию, поступающую как от АСУ ТП, так и от других служб производства (снабжения, технической поддержки, технологических, планово-производственных и т. п.) [1–4, 7]. Интенсивность информационных потоков здесь существенно ниже и связана с задачами оптимизации заданных производственных показателей (качество продукции, производительность, энергосбережение, себестоимость). Типовые времена циклов управления составляют минуты, часы, смены, сутки. Оперативное управление производством в этом контуре управления осуществляется специалистами (руководители цехов, участков, главные технологи, энергетики, механики), которые более детально, чем высший менеджмент (верхний уровень управления), владеют производственной ситуацией. В связи с этим повышается качество и эффективность принимаемых оперативных решений в пределах делегированных сверху полномочий. И, наконец, на верхнем (административно-хозяйственном) уровне управления предприятием (уровень АСУ предприятием (АСУП)) решаются стратегические задачи, а соответствующая ERP-система обеспечивает управление ресурсами в масштабе предприятия в целом, включая часть функций управления, связанных с поддержкой производства (долгосрочное планирование и стратегическое управление в масштабе: годовое, квартальное, месячное). Поток информации от производственного блока становится минимальным и включает в себя агрегированную управляющую и отчётную информацию по стандартам ERP с типовыми временами контроля кратными декадам, месяцам, кварталам.

В современных условиях предприятиям часто приходится сталкиваться с такими явлениями, как возврат продукции, задержки выполнения заказов смежниками, отмена заказов в связи с низким качеством материалов, слишком большие сроки анализа причин дефектов и т. д. Для преодоления данных трудностей требуется обеспечить своевременную и достоверную обработку информации. А это, в свою очередь, возможно только тогда, когда сбор и обработка данных осуществляется непосредственно в момент возникновения события и как можно «ближе» к его источнику. Попутно следует отметить, что ошибки чаще всего допускаются при выполнении простых и рутинных операций по вводу данных в интегрированные АСУП (ИАСУП) [1, 2, 3].

Перечисленные обстоятельства определяют перспективы внедрения беспроводной связи и соответствующих мобильных технологий и систем в контуры управления различных классов автоматизированных систем [1, 2, 4–7]. Как и в случае проводной связи, в настоящее время существует несколько протоколов и методов обмена сигналами по беспроводным каналам. Эти методы возникли из различных радиочастотных технологий и до сих пор с этими технологиями ассоциируются. Сюда входит и обычная радиосвязь, и сотовая телефония; в последнее время к ним добавились портативные и карманные компьютеры, а также другие подключаемые к персональным сетям (в частности, Bluetooth) мобильные устройства с Web-браузерами (интеллектуальные WAP-телефоны, пейджеры и т. п.).

Анализ возможных вариантов внедрения беспроводной среды доступа к корпоративным приложениям (прежде всего для уровня ERP-систем) показывает, что за счёт мобильных технологий
[1, 2, 3]: сокращается продолжительность цикла сбыта продукции; повышается актуальность информации, содержащейся в корпоративных базах данных и знаний (БД и БЗ); увеличивается объём продаж готовой продукции, сокращаются издержки производства; повышается качество обслуживания клиентов; сокращается численность работников, занятых на операциях учёта поступления заказов, снижаются ошибки, возникающие из-за переноса информации с бумажных носителей в электронный вид; повышается показатель обслуживания заказов, за счёт оперативного доступа к актуальной информации, сокращаются затраты на проведение инвентаризации произведенной продукции; обеспечивается быстрое получение прибыли на инвестированный капитал.

Для уровня АСУ ТП беспроводные мобильные технологии предоставляют возможность пользователям дистанционно программировать процессоры, осуществлять настройку и контроль оконечной аппаратуры, управлять оборудованием, создавать мобильные многофункциональные операторские интерфейсы для больших технических комплексов, а также устанавливать беспроводные устройства ввода/вывода и датчики в тех местах, где прокладка обычных кабелей и возможные неисправности могут обойтись слишком дорого. По оценкам специалистов, за счёт мобильных технологий в ближайшем будущем для отдельных производств ожидается 50% сокращение расходов на кабельную проводку, оплату труда, материалы, тестирование и верификацию (например, пищевая и автомобильная промышленность, горнодобывающая промышленность [1, 2, 3, 5]).

Однако в современных условиях реализация мобильных технологий выдвигает и целый ряд научно-технических проблем, связанных с нестабильностью существующих стандартов беспроводной связи, недостаточной дальностью действия беспроводных сетей, высокой стоимостью разработки мобильных приложений (прежде всего, связующего программного обеспечения), осуществляющих доступ к корпоративной информации в реальном масштабе времени (РМВ). Нет ясности в технологиях синхронизации данных в мобильных средах. Большие затраты времени и денежных средств также требуются для создания и эксплуатации инфраструктуры, обеспечивающей поддержку мобильных технологий.

В целом создание и развитие ИАСУП, как и любой другой сложной организационно-технической системы (СОТС) представляет собой сложный многоэтапный процесс, характеризующийся значительными капиталовложениями, длительным сроком внедрения и реализации, а также существенной неопределённостью, связанной с возможными изменениями как целей проектирования и применения, так и воздействий различного рода возмущений внешней среды на ИАСУП на различных этапах жизненного цикла, имеющих как объективный, так и субъективный характер.

Центральной задачей при разработке и модернизации крупномасштабной СОТС (в том числе и интегрированной АСУП (ИАСУП)) является выбор её структуры, под которой понимается состав элементов, соответствующая система взаимосвязей (отношений) между элементами и распределение функций, выполняемых ИАСУП. Применительно к ИАСУП принято выделять следующие базовые структуры [2, 4, 9]: структуру целей, функций и задач ИАСУП, технологическую структуру, техническую, организационную, топологическую структуры, структуры информационного, математического и программного обеспечения (ИО, МО, ПО) ИАСУП. Перечисленные шесть видов структур являются инвариантными для любого класса АС и должны рассматриваться в первую очередь при системном исследовании и комплексном моделировании соответствующей ИАСУП.

Важность задачи синтеза вышеперечисленных структур применительно к СОТС состоит в том, что от того какой окончательный вариант структуры СОТС выбран, во многом зависит эффективность применения указанной СОТС по целевому назначению. Дополнительную особенность рассматриваемая задача синтеза приобретает в том случае, когда учитывается такой важный аспект как динамика развития и реконфигурации структур проектируемой (эксплуатируемой) СОТС, которые, в свою очередь, обусловлены большой продолжительностью общего периода создания и использования СОТС, необходимостью учёта изменения и уточнения технических требований к параметрам и характеристикам СОТС по этапам развития; расширением круга решаемых задач; необходимостью учёта пространственно-временных, технических, технологических ограничений, связанных с проектированием, производством, испытанием, поставкой, внедрением, применением и совершенствованием основных элементов и подсистем СОТС.

Таким образом, на практике мы сталкиваемся постоянно со структурной динамикой СОТС. В этих условиях для повышения (сохранения) уровня работоспособности и возможностей СОТС, либо обеспечения наилучших условий функционирования при возможной деградации указанных систем необходимо осуществлять управление их структурами (в том числе управление реконфигурацией структур СОТС). Задачи управления структурной динамикой СОТС по своему содержанию относятся к классу задач структурно-функционального синтеза облика СОТС и формирования соответствующих программ управления их развитием [5–7].

Главная трудность и особенность решения задач рассматриваемого класса состоит в следующем. Определение оптимальных программ управления основными элементами и подсистемами СОТС может быть выполнено лишь после того, как будет известен перечень функций и алгоритмов обработки информации и управления, который должен быть реализован в указанных элементах и подсистемах. В свою очередь, распределение функций и алгоритмов по элементам и подсистемам СОТС зависит от структуры и параметров законов управления данными элементами и подсистемами. Трудность разрешения данной противоречивой ситуации усугубляется ещё и тем, что под действием различных причин во времени изменяется состав и структура СОТС.

Следует отметить, что в ходе реализации указанных этапов жизненного цикла СОТС очень часто наблюдаются ситуации, при которых на довольно длительных интервалах времени (определяемых внешней рыночной конъюнктурой, финансовыми возможностями организации и т. п.) одновременно существуют и взаимодействуют как элементы и подсистемы «старой» (функционирующей) СОТС, так и «новой» (внедряемой) СОТС. Для таких ситуаций очень важно разработать такие планы и программы управления развитием структур СОТС, при которых не происходило бы ухудшение показателей качества деятельности соответствующей организации.

Подводя краткий итог сказанному, следует подчеркнуть, что в настоящее время существует большое разнообразие альтернативных вариантов создания и развития СОТС (в том числе и ИАСУП), каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. При этом, как показывает анализ, эвристический (интуитивный) выбор какого-либо одного из указанных вариантов может привести к большим экономическим и временным потерям в организациях, осуществляющих данный реинжиниринг. В этих условиях особую значимость и актуальность начинают приобретать вопросы научного обоснования решения проблемы структурно-функционального синтеза и управления развитием СОТС.

На первом шаге решения предложенной обобщённой проблемы синтеза облика СОТС и управления её структурной динамикой необходимо, прежде всего, рассмотреть вопрос формирования методологических основ проведения соответствующих исследований. Масштабность и сложность рассматриваемой в этой связи проблемы требует выбора в качестве базовой методологии — принципы, концепции, подходы современного обобщённого системного анализа, представляющего собой одно из главных направлений реализации системного подхода, в рамках которого на основе гармоничного сочетания формально-математических и логико-эвристических методов осуществляется конструктивное решение разнородных и многоуровневых задач анализа и синтеза СОТС на различных этапах их жизненного цикла. Применительно к современным СОТС в качестве основных этапов проведения обобщённого системного анализа рассматриваемой проблемы можно выделить [5–7]: этап ретроспективного критического сравнительного анализа существующих отечественных и зарубежных разработок в области создания и применения СОТС; этап оценивания эффективности существующей СОТС; этап постановки обобщённой задачи синтеза облика СОТС и управления её структурной динамикой; этап анализа целей и задач, которые требуется решать СОТС на новом этапе её развития, формирования системы показателей эффективности функционирования создаваемой СОТС на различных этапах её жизненного цикла; этап анализа основных пространственно-временных, технических, технологических, стоимостных и ресурсных ограничений, связанных с процессом создания и применения СОТС; этап анализа (конструирования) альтернативных вариантов структур перспективной СОТС; этап многокритериального оценивания указанных вариантов структуры СОТС и выбора из них наиболее предпочтительных; этап формирования, оценивания и выбора оптимальных эволюционных планов перехода от существующей СОТС к создаваемой («новой», перспективной) СОТС без снижения эффективности их применения.

Конструктивное решение рассматриваемой проблемы поиска и выбора наилучших вариантов создания и развития СОТС предполагает, во-первых, построение соответствующего полимодельного комплекса, описывающего различные аспекты жизненного цикла существующей и создаваемой СОТС, во-вторых, разработку методов, алгоритмов и методик многокритериального синтеза структуры перспективной СОТС, и, в-третьих, разработку многоэтапной интерактивной процедуры поиска решения задачи синтеза СОТС и программ их развития. Применительно к такому виду СОТС как АСУ активными подвижными объектами (АПО), которые можно рассматривать как примеры современных сложных изделий [6–7], предлагаемый полимодельный комплекс, в рамках соответствующей имитационной системы (ИмС), должен включать следующие модели: модели функционирования АСУ АПО и объектов обслуживания (ОБО) (блок I); модели оценки и анализа состояния КА, АСУ АПО, оценки обстановки (блок II); модели принятия решений в АСУ АПО (блок III).

Блок моделей функционирования АСУ АПО, ОБО, в свою очередь, включает в себя: модели функционирования АПО, системы АПО, группировки систем АПО (блоки 1, 2, 3); модели функционирования отдельного командно-измерительного комплекса (ОКИК) (блок 4), подсистем наземного комплекса управления (НКУ) (ОКИК, пункты управления (ПУ), блок 5), НКУ (блок 6); модели взаимодействия основных элементов и подсистем АСУ АПО между собой и ОБО (блок 7); модели функционирования ОБО (блок 8); модели воздействия внешней среды на АСУ АПО (блок 9); модели имитации результатов целевого применения АСУ АПО (блок 10). В общем случае функционирование АПО предполагает информационный, вещественный, энергетический обмен с ОБО, с другими АПО, внешней средой, функционирование аппаратуры, расход (пополнение) ресурсов АПО, перемещение АПО. Блок моделей оценки и анализа состояния АПО, АСУ АПО, оценки обстановки включает в себя: модели и алгоритмы оценки и анализа состояния движения, аппаратуры, ресурсов и обмена АПО (блок 11); модели и алгоритмы оценки и анализа состояния ОБО (блок 12); модели и алгоритмы оценки и анализа ситуаций и обстановки (блок 13). В блок 3 входят: модели и алгоритмы долгосрочного и оперативного планирования ОВ в АСУ АПО (блок 14); модели и алгоритмы управления структурами АСУ АПО (блок 15): топологической (блок 16), технической (блок 17), технологической (блок 18), организационной (блок 19); структурой СПМО (блок 20), информационной структурой (блок 21); модели и алгоритмы коррекции долгосрочных и оперативных планов проведения ОВ в АСУ АПО (блок 22); модели и алгоритмы решения задач координации в АСУ АПО на этапах планирования (блок 24), коррекции (блок 25), оперативного управления (блок 26); модели и алгоритмы оперативного управления элементами и подсистемами АСУ АПО (блок 23). Кроме того, в состав полимодельного комплекса должны входить - система управления, сопряжения и интерпретации, в которую входят: общая диалоговая система управления СПМО (блок 27), локальные системы управления и сопряжения (блок 28), блок обработки, анализа и интерпретации результатов планирования, управления, моделирования (блок 30), блок формализации сценариев моделирования (блок 31), блок параметрической и структурной адаптации СПМО (блок 32), блок выработки рекомендаций по организации процедур моделирования и принятия решений (блок 29). Важную роль в решении задач анализа и синтеза АСУ АПО играет информационное обеспечение, включающее в себя: базы данных о состоянии КА (блок 33), АСУ АПО (блок 35), ОБО (блок 34), в целом по обстановке (блок 35); базы данных об аналитических и имитационных моделях функционирования и принятия решений в АСУ АПО (блок 36). Используя предложенную имитационную систему, к настоящему времени удалось успешно решить широкий спектр задач управления структурной динамикой АСУ АПО [6–7]. При этом была разработана оригинальная обобщённая методика решения задач комплексного планирования модернизации и функционирования АСУ АПО в условиях динамично изменяющейся обстановки, которая включает две основные фазы. На первой фазе должно осуществляться формирование (генерирование) допустимых вариантов многоструктурных макросостояний АСУ АПО или, говоря другими словами, оперативный структурно-функциональный синтез нового облика АСУ АПО, соответствующего целям проводимой модернизации и складывающейся (прогнозируемой) обстановке, связанной с возможной деградацией структур создаваемой и существующей АСУ АПО. На второй фазе проводится выбор конкретного варианта многоструктурного макросостояния АСУ АПО с одновременным синтезом (построением) адаптивных комплексных программ управления ее переходом из текущего в заданное макросостояние. Данная работа выполнялась при финансовой поддержке РФФИ (гранты 09–07–00066, 10–07–00311, 11–08–01016, 10–07–01071, 10–08–90027-Бел_а), ОНИТ (проект 2.3).

Литература

1. Леньшин В.Н., Куминов В.В. Производственные исполнительные системы (МЕS) – путь к эффективному предприятию //Мир компьютерной автоматики, 2002, № 1-2, с.53-59.

2. Ростовцев Ю. Г. Основы построения автоматизированных систем сбора и обработки информации: Учебник. – СПб., ВИКИ им. А.Ф.Можайского, 1992. – 717 с.

3. Велихов Е.П., Бетелин В.Б., Кушниренко А.Г. Промышленность, инновации, образование и наука в Росси/ Е.П. Велихов, В.Б. Бетелин, А.Г. Кушниренко; Научно-исследовательский институт системных исследований РАН – М.: Наука, 2009.- 141..

4. Зацаринный А.А., Ионенков Ю.С. Тенденции развития современных информационных технологий с учетом концепции сетецентрических войн // Системы и средства информатики, выпуск 17. М.: Наука, 2007. С. 47–64

5. Цвиркун А. Д., Акинфиев В. К., Филиппов В. А. Имитационное моделирование в задачах синтеза структуры сложных систем. – М.: Наука, 1985.

6. Калинин В. Н., Соколов Б. В. Многомодельный подход к описанию процессов управления космическими средствами// Теория и системы управления, 1995, N1-с.149-156.

7. Охтилев М.Ю., Соколов Б.В., Юсупов Р.М. Интеллектуальные технологии мониторинга и управления структурной динамикой сложных технических объектов. М.: Наука, 2006. 410 с.