Структура и
принципы построения системы выбора и замены оборудования для дискретных
производств
Е.Н. Хоботов,
в.н.с., д.т.н, проф, e_khobotov@mail.ru,
К.С. Павлов,
асп., ст. матем., konstantin.pavlov@phystech.edu,
МФТИ, ИПУ РАН, г. Москва
Рассматриваются структура и
принципы построения компьютерной системы, которая предназначена для выбора
оборудования производственных участков при их проектировании и модернизации.
Приводятся и обсуждаются требования к программной реализации создаваемой системы,
состав, назначение и функциональное описание входящих в нее модулей, а также
особенности их программной реализации.
This
paper considers the design of equipment selection software. This system is
developed for designing and upgrading machine building facilities. Software
requirements and structure are considered along with functional description and
implementation peculiarities of system modules.
В
работах [1-3] рассматривались модели и методы выбора оборудования для
производственных систем и участков, когда производится их модернизация или
создается новая система или участок. Для решения задач выбора оборудования в
работе [1] была предложена схема, в соответствии с которой целесообразно
формировать несколько проектов создаваемых или модернизируемых систем, модельно
проверять их работоспособность и на основе проводимых проверок и сравнения
достоинств и недостатков каждого проекта выбирать наиболее подходящий проект
для создаваемой производственной системы. Для программной реализации предложенной
в работах [2-3] схемы моделирования и выбора оборудования для производственных
систем и участков предлагалась и обсуждалась структура компьютерной системы.
В данной работе
рассматриваются результаты дальнейших разработок по созданию такой компьютерной системы, произошедшие изменения в ее
структуре и принципах построения, а также особенности ее программной
реализации.
Цели и задачи моделирования производственных систем
впервые были описаны в [4]. С момента публикации данной работы требования к
математическим моделям производственных систем неоднократно изменялись и
дополнялись. В данной работе описывается программная система, в основу которой
положена методика, описанная в [6-10], усовершенствованная и дополненная.
Разрабатываемая компьютерная система предназначена для решения следующих задач:
· Выбор технологического
маршрута обработки деталей из заданной производственной программы, а также
оборудования из заданного множества оборудования для обработки этой граммы.
· Определение количества оборудования
необходимого для выполнения производственной программы в заданные сроки.
· Учёт ограничений на
стоимость создания и обслуживания производственной системы, на количество
включаемого в систему оборудования, на отведенную для его размещения площадь, а
также на сроки выполнения производственных заданий.
· Выбор лучшей схемы
создаваемой производственной системы на основе проведения моделирования работы
каждой схемы, получения и анализа результатов такого моделирования.
· В случае невозможности
решения задачи при заданных ограничениях система должна указать возможные
варианты разрешения такой ситуации.
Структура и
функциональное описание модулей системы
Система строится по модульному принципу. Модуль
ввода исходных данных предназначен для создания, редактирования, сохранения и
загрузки проектов выбора оборудования. Ввод исходных данных в проект разбит на
несколько этапов.
На первом этапе работы этого модуля заполняется
таблица типов оборудования, которое может быть использовано при создании
производственной системы. О каждом типе оборудования собираются следующие
данные: наименование оборудования, стоимость единицы оборудования, стоимость
обслуживания единицы оборудования, занимаемая площадь. Если рассматривается
задача модернизации, то для каждого типа оборудования можно указать количество
оборудования данного типа, которое уже
имеется в наличии на производстве.
Затем заполняется таблица описания производственных
процессов. В таблицу сначала заносятся данные о производимых деталях, такие как
наименование детали, шифр детали, ее отпускная цена. Затем для каждой детали
описываются технологические маршруты ее изготовления. Для каждого маршрута
сначала вводятся следующие данные: название маршрута и себестоимость
изготовления одной детали по данному маршруту. Затем для каждого маршрута
заполняется набор операций. Каждая операция обладает следующими свойствами:
наименование операции, тип оборудования на котором она выполняется, время
переналадки оборудования для выполнения операции, длительность операции по обработке
одной детали, стоимость комплекта технологической оснастки для выполнения
данной операции.
На втором этапе ввода данных пользователь создает
наборы производственных заданий. Каждое задание обладает следующими свойствами:
планируемым сроком его выполнения, ожидаемым размером прибыли от реализации
изготовленных деталей и размером денежных средств, выделенных на закупку
оборудования и функционирование производственной системы в течение срока
исполнения задания. Также можно указать
«необязательные детали», т.е. детали, от производства которых можно
отказаться. Данная возможность может быть полезной при анализе различных
вариантов производственных систем и заданий.
Введенная пользователем информация сохраняется в базе
данных и передается в модуль выбора оборудования, в котором просчитывается
заданная пользователем модель выбора оборудования для каждого из заданий. Типы
и количество оборудования, полученные в результате расчетов модели, сохраняются
в базе данных и отправляются в модуль построения расписаний обработки деталей.
С использованием этого модуля строится расписание обработки задания на
выбранном для этого оборудовании. Если построенное расписание устраивает
пользователя и заказчиков, то информация о выбранном оборудовании передается в
модуль размещения оборудования. Разработка концепции создания и структуры
модуля размещения оборудования в настоящее время завершается и начата его
программная реализация. Назначением данного модуля является построение двухмерной
и трехмерной визуализации расстановки выбранного оборудования на площади,
повторяющей форму и размеры производственного цеха или участка, где это
оборудование должно быть размещено. Наличие такой визуализации существенно
увеличит наглядность результатов и эффективность моделирования.
Если пользователя и заказчиков устраивает выбранное
оборудование, расписание его работы и размещение на выделенной для участка
площади, то данный набор оборудования приобретает статус схемы
производственного участка или системы и заносится в базу данных для дальнейшего
тестирования.
Если пользователя и заказчиков не устраивает
выбранное оборудование или расписание его работы или возникают проблемы,
связанные с размещением выбранного оборудования на выделенной для участка площади,
то данный набор оборудования не приобретает статус схемы производственного
участка и с ним может производиться ряд работ. Например, пользователь может
изменить этот набор оборудования путем включения в него дополнительного
оборудования, исключения из него какого-либо оборудования или замены
какого-либо оборудования на другое. В результате этих действий появляется новый
набор оборудования, который передается в модуль построения расписаний обработки
деталей. Для этого набора оборудования строится расписание обработки и
производится его размещение на выделенной для этого площади. После этого опять
рассматривается вопрос о предоставлении этому набору оборудования статуса схемы
производственного участка или системы и занесения в базу данных для дальнейшего
тестирования.
Пользователь может также изменить какие-либо
исходные данные, например, увеличить средства, выделенные на создание или
модернизацию производственного участка или системы и направить измененные
данные в модуль выбора оборудования. Выбор оборудования для этих данных,
построение для него расписания и размещение выбранного оборудования на заданной
для этого площади производится по описанной выше схеме.
После формирования достаточного набора схем
производственного участка или системы с помощью модуля тестирования
производится проверка работоспособности этих схем и сбор необходимой информации
по результатам тестирования. Для проверки работоспособности сформированных схем
строится долгосрочная производственная программе, имеющая длительность в 12-18
месяцев, на выполнении которой модельно проверяется работа каждой схемы. В эту
программу целесообразно включать «неудобные» и «экстремальные» задания, а также
типичные задания, для выполнения которых создается или модернизируется
производственная система или участок. Выполнение заданий моделируется путем
построения расписаний обработки деталей производственного задания на
оборудовании тестируемой схемы.
По результатам модельного выполнения каждого
задания, рассчитанного обычно на выполнение в течение одного месяца, из такой
долгосрочной программы собирается информация о работе данной схемы.
Собранная информация по запросам пользователя может
быть представлена в виде таблиц и диаграмм, в том числе и диаграмм Гантта.
Эта информация включает в себя время выполнения
тестируемой схемой каждого задания, отклонение от планового времени выполнения
задания, стоимость оборудования схемы, стоимость обслуживания оборудования
схемы в течение времени выполнения каждого задания, коэффициенты загрузки
оборудования и прибыль от реализации обработанных деталей и т. д.
Пользователю предоставляется возможность просмотра
расписания обработки деталей из каждого производственного задания долгосрочной
программы и диаграмму получившейся при этом загрузки оборудования.
На основе результатов долгосрочного тестирования
пользователь сравнивает их работоспособность и выбирает наиболее подходящую
схему. Сравнение схем производится с использованием модуля принятия решений, в
котором предполагается использовать несколько традиционных методов принятия
решений. С использованием этих методов предполагается производить выбор
наиболее подходящей схемы.
В основу модулей выбора оборудования и тестирования
положены математические модели, описанные на языке AMPL, который является
стандартом для описания задач математического программирования. В описываемой
системе использовались решатели Gnu linear programming
toolkit и gurobi optimization software, но возможно и подключение любого другого AMPL-совместимого
решателя. В компьютерной системе выбора оборудования использовались
многопоточные решатели, так как они наиболее полно используют архитектуру
современных многоядерных процессоров. Однако можно использовать и однопоточные
решатели на многоядерных системах. В этом случае целесообразно запускать
параллельно несколько процессов решателя для одновременного моделирования
различных вариантов производственных систем.
Применяемые модели выбора оборудования и тестирования производственных систем
являются задачами смешанного целочисленного линейного программирования. Решение
данных задач достаточно ресурсоемко и требует применения достаточно мощных
процессоров (желательно наличие 8 и более ядер). В связи с этим при разработке
системы выбора оборудования была применена клиент-серверная архитектура и
разделен ввод данных и вычисления. При использовании данной архитектуры
становится возможным при необходимости установить решатель на отдельном
компьютере, тем самым избегая неудобств и затруднений, связанных с производительностью,
которые могут возникнуть при работе решателя непосредственно на компьютере
пользователя.
Для реализации модуля ввода данных и отображения
данных других модулей использовался веб-интерфейс. Преимуществом веб-интерфейса
является отсутствие необходимости установки и настройки какого-либо
программного обеспечения на компьютер пользователя и независимость от
операционной системы, установленной на его компьютере. В данном случае
компьютер пользователя будет использоваться только для ввода и отображения
данных.
Использование веб-интерфейса требует наличия
веб-сервера для взаимодействия с ним. В рассматриваемой системе для реализации
серверной части модулей использовался язык программирования python.
Стандартная поставка данного языка уже включает веб-сервер, кроме того данный
язык является кросс-платформенным, не требует компиляции и весьма прост. Эти
особенности языка значительно облегчили реализацию модулей системы и их
доработку в случае необходимости.
Для хранения данных на стороне сервера также
требуется база данных. Так как используемая системой структура данных является
иерархической и не подразумевает использование сложных аналитических запросов,
рекомендуется использовать NoSQL базы данных, например, MongoDB.
Их использование в данном случае дает существенный прирост производительности
по сравнению с традиционными базами данных и облегчит доработку системы в
случае такой необходимости.
Литература
1. Павлов
К.С., Хоботов Е.
Н. Модели выбора и замены оборудования в производственных системах машиностроительных
предприятий // Журнал «Автоматика и телемеханика». – 2015. - № 2, 125-140 стр.
2. Павлов
К.С., Мелкишев В.Н.. Хоботов
Е. Н. Выбор оборудования для создания и модернизации производственных
систем. Журнал «Автоматизация в промышленности». – 2015. - № 3, 56-58 стр.
3.
Павлов К.С., Хоботов Е. Н. Модели и методы выбора
оборудования в задачах проектирования и модернизации производственных участков.
Труды 14-й международной конференции «Системы проектирования,
технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла
промышленного продукта» (CAD/CAM/PDM − 2014). Москва 14-16 октября 2014 г. Стр.
233-236.
4. Papaioannou G., Wilson J.
M. The evolution of cell formation problem
methodologies based on recent studies (1997–2008): Review and directions for
future research // European journal of operational research. – 2010. – Т. 206.
– №. 3. – С. 509-521.
5. Miller D. M., Davis R. P. The machine requirements problem // The international journal of
production research. – 1977. – Т. 15. – №. 2. – С. 219-231.
6. Graves S., Whitney D. A mathematical programming procedure for equipment selection and system
evaluation in programmable assembly // 1979 18th IEEE Conference on Decision and
Control including the Symposium on Adaptive Processes. – 1979. – №. 18. – С.
531-536.
7. D.T. Pham Artificial Intelligence in Design // 2012. – Springer Science &
Business Media. – 499 С.
8.
Dağdeviren M. Decision making in
equipment selection: an integrated approach with AHP and PROMETHEE //Journal of
Intelligent Manufacturing. – 2008. – Т. 19. – №. 4. – С. 397-406.
9.
Павлов К. С., Хоботов Е. Н. Модели выбора и замены
оборудования в производственных системах машиностроительных предприятий
//Автоматика и телемеханика. – 2015. – №. 2. – С. 125-140.
10. Хоботов Е.Н.
Оптимизационно-имитационный подход к моделированию сложных систем. I // Изв.
РАН. Теория и системы упр. 1996. № 1. С. 111 - 117.
11. Хоботов Е.Н.
Оптимизационно-имитационный подход к моделированию сложных систем. II // Изв.
РАН. Теория и системы упр. 1996. № 2. С. 109 - 115.
12. Хоботов Е.Н. Использование
оптимизационно-имитационного подхода для моделирования и проектирования
производственных систем. I //
АиТ. 1999. № 8. С. 163-176.
13. Хоботов Е.Н. Использование оптимизационно-имитационного
подхода для моделирования и проектирования производственных систем. II // АиТ. 1999. № 9. С.
154-161.