CC BY
85
УДК 006.88, 007.51
Иващенко А.В., Бабанин И.О., Кольбова Э.В.
Обеспечение согласованного планирования производственных ресурсов мелкосерийного производства на основе анализа ритмичности взаимодействия в интегрированной информационной среде
Аннотация: в статье рассматривается способ анализа ритмичности взаимодействия программных компонентов в интегрированной информационной среде и аспекты применения его результатов для обеспечения согласованного взаимодействия по планированию производственных ресурсов в мелкосерийном производстве на примере инструментального цеха.
Задача автоматизации управления мелкосерийным производством в настоящее время приобрела высокую актуальность в связи с новыми требованиями к конкурентоспособности такого производства [1] с одной стороны и появлением новых концепций парадигм управления, основанных на проведении аналогии с живыми системами [2] с другой стороны. Для решения этой задачи в последнее время широко применяются мультиагентные технологии [3], которые позволяют создать распределенную сетецентрическую систему автоматизированного управления, учесть индивидуальные особенности планирования ресурсов и обеспечить взаимодействие лиц, принимающих решения, в едином информационном пространстве в режиме реального времени.
Отметим, что для обеспечения эффективности применения такого подхода требуется, чтобы информация о происходящих событиях своевременно поступает в систему и при этом приводила к постоянному обновлению базы знаний об имеющихся ресурсах и особенностях их применения. Например, заказы, поступающие от планово-диспетчерского отдела, должны быть своевременно дополнены необходимой для планирования их выполнения информацией (в основном, содержащейся в описании технологических процессов) и быть преобразованы в конкретные задания на уровне начальников участков или мастеров.
Эти задания уже могут быть запланированы в автоматическом режиме и назначены конкретным исполнителям (рабочим), которые, в свою очередь через терминалы, установленные рядом с рабочими местами, могут обеспечить своевременный ввод данных о текущем статусе выполнения каждого задания. Изменения в процессе выполнения задания (задержка или опережение) должно приводить к изменению общего расписания, при этом кроме распространенных критериев эффективности планирования необходимо учитывать и нежелательность больших изменений: чем ближе время выполнения конкретного плана, тем менее благоприятно перепланирование.
Таким образом, необходимо обеспечить высокую ритмичность обработки событий по поступлению новых заказов, корректировке старых, изменению условий производства и конструкторско-технологической документации. Данное требование особенно актуально для опытного или мелкосерийного производства, где квалификация рабочих требует их включения в процесс согласования управленческих решений, работа обладает высокой сложностью и наукоемкостью, что обуславливает сложность технологической проработки и нормирования.
Современные тенденции в области автоматизации такого рода производства (например, применение мультиагентных технологий) подразумевают создание распределенных систем, охватывающих все аспекты деятельности предприятия. В таких системах широко используются интеллектуальные компоненты, нацеленные на решение разных задач, интегрированные между собой в единую информационно-коммуникационную среду. Практическое применение данного подхода сопряжено с решением задачи сопряжения разнородных компонентов распределенной информационно-коммуникационной среды.
Для того чтобы обеспечить ритмичность в такой среде можно предложить разработку и внедрение в единое информационное пространство программных средств анализа и подстройки процесса обмена сообщениями между интеллектуальными компонентами информационного пространства предприятия. Для решения этой задачи используются алгоритмы взаимного корреляционного анализа потоков событий по обмену сообщениями [4, 5].
Данная задача актуальна в случае, когда единое информационное пространство предприятия строится как совокупность систем управления подразделениями, взаимодействующими по принципу P2P: «каждый с каждым», попарно. Например, такое взаимодействие часто возникает при управлении производственным цехом основного производства и вспомогательным подразделением (с мелкосерийным производством), обеспечивающим этот цех материалами, заготовками или комплектующими.
В отличие от планирования работы основных цехов, планирование заказов для вспомогательных подразделений имеет свои особенности, связанные с необходимостью заранее выпускать продукцию, чтобы в случае потребности в ней основного производства, она была предоставлена без задержек. Опережение в этом случае также не предпочтительно, поскольку возникнет затоваривание в кладовых, и кроме этого, время рабочих будет потрачено неэффективно.
Анализ потоков событий по исполнению производственных заказов основного и вспомогательного подразделений позволяет оценить, насколько согласованным является взаимодействие между этими подразделениями (см. рис. 1 - 2). Применение интервальных корреляционных функций, нечувствительных к небольшим «дрожанием» интервала между запуском вспомогательного производства и использованием его результата в основном, позволяет оценить, насколько ритмично работают выбранные подразделения.
Алгоритм по автоматизированной подстройке механизмов взаимодействия на основе результатов интервально-корреляционного анализа потоков событий может быть представлен следующим образом. Допустим n - это количество циклов переговоров, в течении которых в мультиагентной системе обязательно будет найдено решение, либо показано, что его не существует; T - требуемое время принятия решения. Тогда t = T / n - среднее время возникновение реакции агента на сообщение от другого агента, а At - допустимое отклонение от среднего значения t.
Далее производится анализ взаимной интервально-корреляционной функции: если 80% всех значений функции больших (как фильтровать по у) лежит в интервале [t - At, t + At], то взаимодействие двух рассматриваемых
агентов можно считать эффективным и неэффективным - в противном случае (см. рис. 3).
Таким образом, во время планирования, каждый агент, проанализировав своё взаимодействие с другим агентом, принимает решение стоит ли дальше продолжать обмен сообщениями или начать переговоры с другим для достижения наиболее выгодной для себя позиции. Рассмотренный выше способ координации деятельности агентов позволил ускорить среднее время планирования в 1.6 раза, что является высоким показателем для высоконагруженных систем.
Применение данного подхода при внедрении мультиагентной системы управления инструментальным цехом доказало его эффективность. Кроме этого, данный подход позволил выявить свойства распределенной системы управления мелкосерийным производством, которые должны быть учтены при построении автоматизированных интеллектуальных систем управления распределением ресурсов. Важно отметить, что при планировании учитываются различные особенности назначения технологических операций рабочим на исполнение, присущие именно мелкосерийному и опытному производству.
Приведем некоторые из них. Рассмотрим процесс обработки поступающих в мелкосерийное производство заказов. Обычно заказ поступает в цех с указанием даты сдачи, набора первичной сопроводительной документации (чертежи, схемы и др), а также с указанием предварительной трудоемкости -эмпирической оценки количества нормо-часов, которые потребуются для изготовления одной сборки заказа. В реальных условиях цеха фактическая сдача заказа может быть произведена как до, так и после сдачи заказа - все зависит от загрузки оборудования и рабочих. Однако цех должен стремиться успеть изготовить заказ максимально в срок с учетом приоритета по типу заказа.
Для поступившего заказа сотрудники планово-диспетчерском бюро (ПДБ) цеха определяют состав заказа, в котором указывается количество каждой детале-сборочной единицы (ДСЕ) на одну сборку. После определения состава заказа технологами создается технологический процесс для каждой ДСЕ сборки. При этом любая из ДСЕ, входящих в состав заказа (их принято называть корневыми ДСЕ), может быть разбита на несколько более простых ДСЕ. Разбивка ДСЕ может продолжаться на неограниченное количество уровней вглубь. Среди ДСЕ заказа могут быть указаны ДСЕ особых типов: инструмент второго порядка и заготовка.
При разработке технологического процесса технологом указываются технологические операции, в которых требуется тот или иной инструмент второго порядка. Возможны случаи, когда одна единица инструмента второго порядка используется для изготовления другого инструмента. Особенность использования инструмента второго порядка при планировании графика работы рабочих и оборудования заключается в том, что в производственном расписании завершение его изготовления должно быть запланировано раньше, чем начнется изготовление использующей его ДСЕ. Оснастка второго порядка может быть использована как для всего заказа - в этом случае нужно изготовить только одну единицу инструмента второго порядка, так и для ДСЕ этого заказа - тогда нужно изготовить столько единиц инструмента второго порядка, сколько их указано в составе заказа.
Например, при изготовлении инструмента второго порядка необходимо обеспечить его готовность к началу соответствующей операции, где он используется (согласно указаниям технологического процесса). Это позволяет планировать его изготовление параллельно с производством изделия, в котором используется этот инструмент, что должно учитываться алгоритмом планирования.
Технологический процесс представляет собой последовательность технологических операций, для каждой из которых определяется:
специальность и разряд рабочего-исполнителя; нормы времени, которые необходимы для выполнения этой операции; время на подготовку к выполнению данной операции; время на транспортировку изделия к оборудованию; время вылеживания после выполнения операции (например, остывание детали после выплавки).
В мелкосерийном производстве высока роль качественного нормирования в силу сложности и неопределенности этого процесса. В связи с этим необходимо, чтобы конечные исполнители работ (рабочие) были вовлечены в процесс оценки норм средствами интегрированной информационной среды: их автоматизированные рабочие места наряду с функциональностью по получению и отметке о выполнении производственных заданий должны предусматривать и такую возможность.
После того, как технологический процесс создан и пронормирован, он попадает в руки начальника участка, который планирует выполнение заказов, поступивших к нему на участок, и занимается составлением расписания рабочих. Выполнение технологической операции возможно строго рабочими указанной специальности. Допускается выполнение технологической операции рабочим, чей разряд равен или выше (но не ниже) указанного в тех. операции, однако приоритет при выборе исполнителя всегда направлен на полное совпадение разряда.
При планировании расписания для рабочих цеха преследуются две цели: выполнение сроков (изготовление максимального числа заказов в срок) и обеспечение максимальной загрузки рабочих. Состав заказов, которые должны быть выполнены в срок, варьируется в зависимости от типов заказа в соответствии с приоритетом: высший приоритетом обладают сторонние заказы, низшим - ремонт оснастки.
Оплата труда рабочих производиться по количеству нормочасов, отработанных рабочим за отчетный период, поэтому максимальная загрузка каждого рабочего выгодна как для всего предприятия, так и для самих рабочих. При этом для каждого рабочего может быть определен так называемый процент выработки норм - коэффициент, увеличивающий число отработанных нормочасов в зависимости от опыта, квалификации и других факторов.
При подборе рабочих для выполнения той или иной тех. операции следует учитывать следующие нюансы. В цехе есть рабочие, которые, хотя и имеют одну и ту же специальность, не могут выполнять одинаковый спектр операций. К примеру, не все шлифовальщики могут выполнять координатношлифовальные работы, некоторые из них имеют опыт только при выполнении плоско-шлифовальных работ. Также, к примеру, не все заточники могут обрабатывать твердые сплавы. Поэтому, во избежание большого количества
брака, при составлении рабочего расписания исполнитель для такого рода работ подбирается очень аккуратно.
Кроме этого, все однотипные операции одного технологического процесса (например, слесарные) должны планироваться одному рабочему. Это связано с тем, что он, начиная с первой операции, лучше знает особенности сложного изделия и может на более поздних операциях компенсировать неточности выполнения работ в начале технологического процесса. Такое правило позволяет снизить брак. К примеру, все слесарные операции для корневой ДСЕ заказа должен выполнять один слесарь. При этом в слесарных технологических операциях технологического процесса для ДСЕ могут быть указаны различные разряды рабочего.
Мелкосерийное производство может состоять из нескольких участков, на каждом из которых работает несколько смен рабочих. В смене могут присутствовать рабочие разных специальностей и разрядов. В технологической операции в этом случае указывается приоритетный участок или смена. Это означает, что первоначально исполнителя для данной тех операции следует подбирать именно в этой смене. Если все рабочие, подходящие для выполнения операции, в данный момент заняты, нужно перейти к рабочим других смен данного участка. Если на участке нет подходящего исполнителя, подбор ведется в рамках всего цеха.
Мелкосерийное производство обычно располагает большим количеством оборудования: станки, печи, и т.д. Каждая единица оборудования характеризуется своей моделью и предельными возможностями обработки деталей исходя из их габаритов. В зависимости от квалификации и опыта рабочих, в цехе установлено соответствие между рабочими и оборудованием. Каждому рабочему сопоставляется список оборудования, с которым он умеет работать. При этом возможны ситуации, когда на одной и той же единице оборудования могут работать несколько рабочих.
При автоматизированном планировании расписания рабочих начальник участка должен избегать те только «накладки» заданий для занятого в определенный момент рабочего, но и учитывать занятость оборудования. Кроме того, должны учитываться периоды недоступности: для сотрудников это отпуска, отгулы, периоды ухода на больничный, для оборудования - ремонт или профилактика.
Реализация такого подхода в разработанной системе выполнена с помощью описания для ресурсов онтологических свойств. Для одного рабочего может быть задано несколько онтологических свойств и в случае совпадения значения каждого из них со значениями соответствующих онтологических свойств планируемой операции приоритет данного ресурса при назначении будет изменяться. Для ресурсов указываются как свойства, повышающие этот приоритет, так и понижающие.
Заполнение онтологических свойств производится автоматически путем сравнения значений параметров технологической операции со значениями имеющихся свойств ресурсов. Например, допустим, у рабочего установлена в онтологическом свойстве марка материала, с которой он работает. В случае если у технологического процесса, к которому относится планируемая операция, задан материал, в описании которого имеется указание соответствующей мар-
ки, приоритет этого рабочего при планировании будет повышен. Таким образом, при планировании кроме кода квалификации и разряда рабочих (имеющих наибольшее значение) учитываются онтологические свойства рабочих и операций, что позволяет повысить адекватность создаваемых расписаний.
Литература
1. Андреев М.В., Иващенко А.В., Карсаев О.В., Самойлов В.В., Скобелев П.О., Царев А.В. Поддержка процессов коллективного принятия решений по управлению инструментальным производством на основе мультиагентной системы планирования ресурсов в реальном времени // Материалы научнотехнического семинара «Управление в распределенных сетецентрических и мультиагентных системах. - СПб.: ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2010. - с. 75 - 80
2. Leitao P. Holonic rationale and bio-inspiration on design of complex emergent and evolvable systems / Trans. on large-scale data and knowledge centered systems I, LNCS 5740, Springer-Verlag, 2009 - pp 243 - 266
3. Андреев М.В., Иващенко А.В., Мартышкин Д.М., Скобелев П.О., Уланова Л.В., Царев А.В. Применение мультиагентных технологий динамического планирования персональных задач при организации коллективного взаимодействия в автоматизированных системах управления распределением ресурсов // Мехатроника. Автоматизация. Управление, 2010. - № 7 - с. 21 - 27
4. Иващенко А.В. Интервально-корреляционный анализ ритмичности взаимодействия в интегрированной информационной среде предприятия / Системы управления и информационные технологии, 2010, № 1(39) - с. 32 - 36
5. Иващенко А. В. Поддержка взаимодействия пользователей интегрированной информационной среды предприятия // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки, 2010. - № 2 (14) - с. 13 - 20
Рис. 1. Взаимная интервально-корреляционная функция моделируемых потоков согласованной деятельности цехов
Рис. 2. Взаимная интервально-корреляционная функция моделируемых потоков несогласованной деятельности цехов
Рис. 3. Значения взаимной интервально-корреляционной функции двух эффективно взаимодействующих агентов
