CC BY
12Круглый стол
«МЕТОДИКА СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА В ЦИФРОВОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ И МОДЕЛИРОВАНИИ»
Организатор — Лаборатория «Промышленные системы потоковой обработки данных» (ПСПОД) Центра НТИ СПбПУ
Председатель — Болсуновская Марина Владимировна,
канд. техн. наук, доцент, зав. Лабораторией ПСПОД Центра НТИ СПбПУ, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
Секретарь — Кочкина Ксения Николаевна,
ведущий специалист по маркетингу Лаборатории ПСПОД
Центра НТИ СПбПУ, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
УДК 338.48
doi :10.18720/SPBPU/2/id21 -383
Бойков Алексей Владимирович1,
ведущий инженер; Успенский Михаил Борисович1, ведущий программист; Болсуновская Марина Владимировна^,
канд. техн. наук, заведующий лабораторией
КОМПЛЕКСНОЕ РЕШЕНИЕ ПО ЦИФРОВИЗАЦИИ НА ПРИМЕРЕ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ЯЧЕЙКИ
12 3
' ' Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Лаборатория «Промышленные системы
потоковой обработки данных» Центра НТИ СПбПУ,
1 2
alexey.boykov@spbpu.com, mikhail.uspenskiy@spbpu.com, 3 marina.bolsunovskaia@spbpu.com
Аннотация. Целью данной работы является разработка концепции проведения цифровой трансформации типового производственного участка на основе выполненного обследования предприятия и изучения международного опыта проектирования и реализации проектов цифровой трансформации в схожих отраслях промышленности. Исследование направлено на формирование перечня нормативных документов и определения требований к разработке этих документов. В рамках данного исследования был проведен анализ предметной области, в ходе которого был рассмотрен ряд актуальных публикаций из баз данных РИНЦ и Scopus в сфере цифровой трансформации в различных отраслях промышленности с подробным
изучением конкретных примеров, в т. ч. подразумевающих использование имитационного моделирования как средства оценки изменения сложных технических систем. Были сформированы целевые показатели и определены ограничения для их расчетов. В результате настоящего исследования была разработана универсальная имитационная модель производственного участка и проведен сравнительный анализ расчетных показателей проведения цифровой трансформации участка.
Ключевые слова, цифровая трансформация, цифровизация, имитационное моделирование, анализ, производство.
Alexey V. Boykov1, Lead Engineer;
Michail B. Uspensky2, Lead Software Engineer;
Marina V. Bolsunovskaya3, Head of Laboratory
COMPREHENSIVE DIGITALIZATION SOLUTION ON THE EXAMPLE OF A PRODUCTION CELL
12 3
' ' Laboratory of Industrial Systems for Streaming Data Processing of the SPbPU National Technology Initiative Center for Advanced Manufacturing Technologies, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic
University, St. Petersburg, Russia,
1 2
alexey.boykov@spbpu.com, mikhail.uspenskiy@spbpu.com, 3 marina.bolsunovskaia@spbpu.com
Abstract. The purpose of this work is to develop a concept for the digital transformation of a typical production area based on the performed enterprise survey and the study of international experience in the design and implementation of digital transformation projects in similar industries. The study is aimed at forming a list of regulatory documents and determining the requirements for the development of these documents. As part of this study, an analysis of the subject area was conducted, during which a number of relevant publications from the RSCI and Scopus databases in the field of digital transformation in various industries were reviewed with a detailed study of case studies, including those involving the use of simulation modeling as a means of assessing changes in complex technical systems. Targets were formed and constraints for their calculations were defined.
As a result of this study, a universal simulation model of the production area was developed and a comparative analysis of the estimated indicators of the digital transformation of the area was carried out.
Keywords. digital transformation, digitalization, simulation modeling, analysis, production.
Введение
Цифровая трансформация — это процесс существенных изменений бизнес-процессов за счет использования цифровых технологий, таких как аналитика, облачные вычисления, интернет вещей, технологии ма-
шинного обучения с целью повышения качества ведения хозяйственной деятельности и внедрения инноваций в модели управления. В реалиях существующей глобальной конкуренции со стороны бизнеса есть постоянный запрос на повышение эффективности оказания услуг или производства товаров. Одним из вариантов повышения эффективности является цифровая трансформация бизнеса в целом или отдельных его участков с низкой степенью цифровизации.
В секторе промышленности предъявляются особо высокие требования к точности проектирования и планирования работ по модернизации ввиду большого объема капиталовложений, необходимых для этого. Достаточная точность может быть обеспечена путем методологической проработки процессов проектирования, реализации цифрового объекта, оценки целевого состояния объекта.
В данной статье рассматриваются особенности разработки концепции цифровой трансформации на примере типового производственного участка и применение способов имитационного моделирования для оценки достижения целевых показателей.
1. Постановка задачи
1.1. Описание предметной области
Процессы цифровой трансформации актуальны и широко распространены в современном обществе уже более века, с момента появления компьютерной техники, но в действительности в различных сферах жизни внедряются с разной скоростью. В сфере производственной деятельности такие процессы появились существенно раньше и на данный момент являются более развитыми, чем в остальных сферах, ввиду непосредственной взаимосвязи с получением экономических благ.
Для проведения исследования необходимо однозначно определить термины цифровизации и цифровой трансформации, т. к. в изученных источниках они нередко используются в разных значениях. Под цифро-визацией принято понимать материальный процесс преобразования аналоговых потоков информации в цифровые данные [1]. Синонимом термина «цифровизация» можно считать понятие «оцифровка», на английском языке — "digitization". В свою очередь цифровая трансформация — это комплексное преобразование хозяйственной деятельности, направленное на успешный переход к новым бизнес-моделям, каналам коммуникаций с клиентами и контрагентами, продуктам, бизнес-процессам, производственным и технологическим процессам, которые базируются на принципиально новых подходах к управлению данными с использованием цифровых технологий, с целью существенного повышения его эффективности и долгосрочной устойчивости [2].
В то же время использование указанных терминов как синонимов допускается, принципиальным в данном случае является понимание кон-
текста, в котором термины будут использоваться. В данной статье рассматривается комплексное решение по цифровизации на примере производственной ячейки именно в значении цифровой трансформации.
Процессы цифровой трансформации стоит рассматривать как кросс-дисциплинарное явление, сочетающее в себе изыскания как в области экономики и менеджмента, так и в области информационных технологий и системного анализа. Первое использование термина «цифровая трансформация» можно найти в эссе 1971 года, опубликованном в журнале North American Review [3].
Существует большое количество публикаций по вопросам проведения цифровой трансформации в различных областях экономики. Анализ мирового опыта показывает, что каждый случай обусловлен различными задачами, и зачастую менеджерам приходится руководствоваться практическом опытом и знаниями в отрасли в большей степени, чем классическими подходами. В статье, описывающей проведение цифровой трансформации на предприятии агропромышленной отрасли, подробно рассматриваются типы и показатели эффективности работы предприятия [4]. Подход к формированию показателей основан на анализе стратегической документации предприятия и изучении его экономической модели.
Более детальный анализ показывает, что процесс цифровой трансформации проникает во множество отраслей, но отрасли не принимают трансформацию в одно и то же время и на одном и том же уровне внедрения и использования [5].
Данная статья основана в первую очередь на практическом опыте по разработке концепции цифровой трансформации для одной типовой производственной единицы в виде производственного участка, а также на обзоре статей из баз научных публикаций РИНЦ и Scopus за последние пять лет (2017-2021 гг.) и более ранних.
1.2. Постановка задачи
Несмотря на то, что в данный момент уже существует ряд разработанных рекомендаций и методических пособий, например, методические рекомендации по цифровой трансформации государственных корпораций и компаний с государственным участием, для решения конкретной задачи по цифровизации какой-либо производственной системы необходимо выполнить методическую проработку в рамках существующих условий.
В контексте рассматриваемой ситуации у предприятия есть цель провести глобальную цифровую трансформацию, и на начальной стадии выполнить пилотный проект на одном типовом производственном участке. На участке установлено оборудование, произведенное в середине прошлого века и, соответственно, не адаптированное для взаимодействия
в цифровой экосистеме. Также для участка характерна большая доля ручного труда и потребность в большом количестве рабочего персонала в виде мастеров, отсутствие электронного документооборота и средний уровень брака. Таким образом, для проведения цифровой трансформации необходимо обновить парк оборудования, обеспечить возможность цифрового управления и наладки с высокой степенью автоматизации производственных и технологических операций, возможность организации электронного документооборота, а также провести организационную модернизацию, включающую в себя оптимизацию и переобучение рабочего персонала участка.
Для проведения цифровой трансформации необходимо выполнить этап концептуального проектирования, в который входят: анализ и описание текущей ситуации на предприятии, формирование целевого образа участка и оценка целевых показателей, достижение которых требует от трансформации бизнес.
Целевые показатели были сформулированы следующим образом:
• Доступность участка.
• Количество брака.
• Степень автоматизации.
Доступность участка измеряется как процент времени работы участка относительно максимально возможного рабочего времени участка.
Количество брака измеряется в штучных показателях готовой продукции, не прошедших контроль качества на выходе из участка или внутри него. На основе данного показателя также рассчитывается относительный показатель к общему объему выпуска.
Степень автоматизации измеряется как процент временных затрат на ручные операции по отношению ко всем технологическим затратам на участке при производстве готовой продукции.
Данные целевые показатели среди прочих содержатся в подходах, описанных в статье по опыту проведения цифровой трансформации на предприятии машиностроительного комплекса.[6] Подход к формированию показателей основывается на декомпозиции требований со стороны аппарата управления.
На основании анализа ряда конкретных примеров цифровизации производственной деятельности были выделены несколько общих ключевых требований:
• Цифровая трансформация должна начинаться «сверху». Модернизация процессов такого масштаба должна полностью поддерживаться управленческим аппаратом. Архитектура объекта в целевом состоянии должна формироваться на основе стратегических целей организации.
• Цифровая трансформация должна выполняться командой квалифицированных сотрудников. Проектирование и реализация объекта с цифровым управлением накладывает определенные требования к компетенциям в части информационных технологий, системного анализа и управления.
• Цифровая трансформация должна быть обеспечена достаточными ресурсами организации. Высокие требования к автоматизации производственного оборудования, аппаратному и программному обеспечению влекут за собой высокие затраты на реализацию. Зачастую замена решений на более дешевые аналоги значительно ограничивает возможности и снижает эффект от проведения цифровой трансформации, тем самым уменьшая ее экономическую обоснованность.
• Цифровую трансформацию не следует проводить только ради цифровой трансформации. Проектирование цифровой производственной единицы начиная со стадии концепции должно осуществляться с целью достижения целевых показателей эффективности, определенных экономической организацией предприятия [7].
В статье Центра технических исследований Финляндии УТТ выделяется 4 уровня, на которых могут происходить изменения в процессе цифровой трансформации деятельности организации:
1. Процессы;
2. Организация;
3. Деловая сфера;
4. Общество [8].
В рамках данной статьи рассматриваются изменения, затрагивающие первые два уровня.
В итоге были сформулированы две группы требований, которые должны быть отражены в концепции цифровой трансформации: 1. Технологические требования (уровень «Процессы»):
• Разработка целевой цифровой архитектуры участка;
• Формирование требований к интеграции производственного оборудования с управляющими информационными системами;
• Формирование требований к программным и техническим решениям;
• Формирование описаний цифровых двойников и требований по их созданию;
• Формирование требований к обновлению производственного оборудования участка;
2. Организационные требования (уровень организация):
• Формирование требований к составу персонала на участке, к программе переподготовки персонала.
• Формирование перечня организационных мероприятий и дорожной карты проведения цифровой трансформации.
Необходимо было оценить возможность достижения целевых показателей работы участка при проведении цифровой трансформации. Для выполнения оценки было предложено решение, основанное на применении методов имитационного моделирования. Имитационное моделирование используется для изучения сложных систем, в т. ч. технических, т. к. обеспечивает возможность расчета большого числа взаимоувязанных показателей с учетом вероятности наступления различных событий, что необходимо для более эффективного проектирования таких систем [9]. В статье Института информационных технологий Национальной академии наук Азербайджана описываются подходы к проектированию производственных участков с использованием математического моделирования [10]. Данный подход используется в Технопарках, в которых в настоящий момент реализуется ряд проектов в нескольких отраслях промышленности.
Также был изучен опыт применения имитационного моделирования для анализа текстильного производства, подробно рассматривается процесс технической модернизации одного производственного участка [11].
Для сравнения показателей работы участка в исходном состоянии и в целевом в рамках данного исследования необходимо разработать имитационные модели «как есть» и «как должно быть», выполнить имитационное моделирование и сравнить расчетные показатели обеих моделей.
2. Предложенное решение
2.1. Состав концептуального проекта
При формировании концепции цифровой трансформации были проанализированы различные статьи и обзоры, посвященные проектированию цифровых производственных объектов [11]. Был сформирован базовый состав концепции на основе комбинирования нескольких подходов из смежных отраслей. На основании сформированных требований и с использованием подготовленной базы было выполнено концептуальное проектирование цифровой производственной ячейки и разработана проектная документация, в которую вошли:
• Отчет о проведенном обследовании текущей ситуации на участке;
• Пояснительная записка к концептуальному проекту цифрового производственного объекта;
• Дорожная карта проведения цифровой трансформации объекта;
• Проекты нормативных документов:
о Описание процессов и процедур, выполняемых для обеспечения функционирования цифрового объекта; о Требования к входным и выходным данным; о Требования к информационным системам и программно-
аппаратному обеспечению; о Требования к производственному и технологическому оборудованию;
• Технические задания на отдельные компоненты цифрового объекта;
• Программа перепрофилирования персонала объекта.
Отчет о проведенном обследовании формируется на основании анализа технологической, производственной и организационной документации и общих и индивидуальных интервью с сотрудниками объекта и владельцами процессов, задействованных в технологических и информационных цепочках на предприятии. В ходе обследования выявляются все информационные системы, с которыми должна быть обеспечена интеграция либо которые должны быть заменены или устранены.
На основании исходных данных, собранных на этапе аудита, выполняется концептуальное проектирование цифрового производственного объекта, и формируется пояснительная записка. В рамках проекта разрабатывается целевая цифровая архитектура и формируются требования к входным и выходным данным, цифровым двойникам и процессу их разработки, требования по интеграции с существующими информационными системами, требования к организационным изменениям.
Дорожная карта цифровой трансформации содержит этапы и сроки необходимых мероприятий и разрабатывается в соответствии со стратегическими документами предприятия.
На основании требований к целевому состоянию объекта формируются функциональные и технические требования ко всем компонентам архитектуры для обеспечения процессов функционирования объекта с учетом существующей и обновляемой цифровой архитектуры и разрабатывается ряд соответствующих нормативных документов. На основании нормативных документов разрабатываются технические задания на разработку или закупку компонентов.
С учетом сформированных требований к процессам функционирования цифрового объекта разрабатывается программа переобучения для работников объекта, а также сопутствующие образовательные модули для всех владельцев смежных процессов, которые также были преобразованы в ходе цифровой трансформации.
Таким образом формируется подробное описание исходного и целевого состояний производственного объекта. Для оценки достижения сформированных целевых показателей при проведении цифровой
трансформации было решено использовать метод имитационного моделирования.
2.2. Имитационное моделирование производственного объекта
Имитационное моделирование — способ исследования сложных систем, содержащий логико-алгоритмическое описание элементов системы, их поведения и правил их взаимодействия, отображающих последовательность событий, возникающих в системе.
Подход, основанный на имитационном моделировании, часто используется при изучении различных сложных систем с дискретным характером работы. Одним из вариантов таких систем являются системы массового производства. Для таких систем наиболее распространённым инструментом являются временные диаграммы.
Основной задачей, которую решает имитационная модель производственного и технологического процессов, является оценка функционирования объекта с точки зрения достижения целевых показателей проведения цифровой трансформации.
Имитационная модель может быть также использована как инструмент для решения задач планирования производства, таких как:
• Оценка возможности обеспечивать плановый выпуск готовой продукции.
• Определение максимальных объёмов выпуска при определенных производственных и трудовых ресурсах.
• Определение оптимальных партий запуска для достижения плановых или максимальных объёмов выпуска.
В работе модели используется два основных типа параметров, характеризующих длительность процессов и материальные потоки. Целевые показатели эффективности определяются следующим образом. Доступность объекта в значительной степени зависит от состояния оборудования, инфраструктуры и персонала и в имитационной модели представляется варьируемым параметром. Доступность объекта параметри-зируется путем задания регулярных и единоразовых технологических перерывов. Количество брака на объекте определяется технологической процедурой и состоянием оборудования и оснастки, а также квалификацией персонала и в имитационной модели также представляется варьируемым параметром. Степень автоматизации определяется как доля ручного труда в общем производственном процессе и является расчетным показателем в имитационной модели.
При разработке имитационной модели учитываются следующие условия:
• Существующая и целевая планировка объекта и его окружения;
• Состав и расположение основного и вспомогательного оборудования в текущем и целевом состоянии;
• Существующий и планируемый персонал объекта;
• Существующий и планируемый режим работы основных и вспомогательных рабочих;
• Технологические процессы и технологические маршруты в текущем и целевом состоянии;
• Временные характеристики технологических операций, в том числе подготовительно-заключительное, вспомогательное и машинное время;
• Временные характеристики производственно-логистических операций и операций контроля качества.
Таким образом, создана имитационная модель объекта в исходном и целевом состоянии, с помощью которой можно выполнить моделирование различных сценариев изменения производственного и технологического процессов для оценки воздействия планируемых изменений на показатели деятельности, в том числе на целевые показатели.
Было проведено моделирование различных сценариев работы объекта в исходном и целевом состоянии для выполнения сравнительного анализа. Рассмотрим два основных сценария работы модели. В первом случае устанавливается ограничение в виде определенного объема выпуска готовой продукции и оцениваются необходимые временные затраты. Во втором случае устанавливается ограничение по времени работы объекта и оценивается максимально возможный объем выпуска продукции в нужной номенклатуре.
В таблице 1 приведены результаты имитационного моделирования работы производственного участка.
Таблица 1
Результаты имитационного моделирования работы производственного объекта в исходном состоянии и целевом состоянии
Расчетный показатель ИМ исходного состояния ИМ целевого состояния
Выпуск готовой продукции, шт. 15626 44200
Автоматизация производства на объекте, % 79,43 98,16
Время, затраченное на производство готовой продукции, ч. 10516 7214
Время, затраченное на ручные операции, ч. 2163 133
Доля брака на объекте, % 5,59 0,6
Количество брака, шт. 56 17
В показателе «Время, затраченное на производство готовой продукции» также учитывается время простоя заготовки в ожидании следующей производственной операции.
Для оценки автоматизации производства на объекте в модели принято ограничение в виде включения в производственные процессы только тех процессов, которые выполняются непосредственно на объекте рабочим персоналом.
На рисунке 1 представлены сравнительные графики значений расчетных параметров имитационного моделирования.
Выпуск готовой продукции
Автоматизация производства на объекте
Затраченное время на ручные операции
Затраченное время на производство готовой продукции
Доля брака на объекте
Количество брака
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
Исходное состояние ■ Целевое состояние
Рис. 1. Сравнительные графики результатов имитационного моделирования производственного объекта в исходном и целевом состояниях
В рамках проведенных разработок было выполнено моделирование различных сценариев и режимов работы объекта в обоих состояниях. Значения расчетных показателей моделирования, в т. ч. целевых показателей, используются для оценки достижения этих показателей и будут использованы для принятия решения о проведении цифровой трансформации и детализации требований к реализации.
Заключение
В ходе исследования были изучены публикации из базы данных РИНЦ и Scopus, содержащие описание опыта проведения цифровой трансформации в различных отраслях с подробным изучением конкретных примеров, а также касательно использования имитационного моделирования как средства оценки изменения сложных технических систем.
На основе проведенного обследования предприятия была сформирована концепция цифровой трансформации, состав которой рассматривается в данной статье.
На основании анализа результатов работы имитационных моделей в исходном и целевом состояниях был сделан вывод о целесообразности выполнения цифровой трансформации с точки зрения достижения целевых показателей.
Также в ходе имитационного моделирования был разработан инструмент в виде имитационной модели, который может быть использован при производственном планировании для оценки изменения в номенклатуре выпускаемой продукции, в технологии, технологических маршрутах и циклах изготовления готовой продукции, составе персонала объекта и режимах работы.
Список литературы
1. Avdeeva I. L., Polyanin A. V. and Golovina T. A. Digitalization of industrial economic systems: problems and consequences of modern technologies. // News of the Sar Un. New Ep. Ser of Econ., Man., Law. - 2019. No. 19(3). - Pp. 238-245.
2. Bertola P., Teunissen J. Fashion 4.0. Innovating fashion industry through digital transformation. // Research journal of textile and apparel. - 2018. - Vol. 22, no. 4. -Pp. 352-369.
3. Schallmo D.R.A., Williams C.A. History of Digital Transformation. // Digital Transformation Now! Springer Briefs in Business. - Cham: Springer, 2018.
4. Shamin A., Frolova O., Makarychev V., Yashkova N., Kornilova L., Akimov A. Digital transformation of agricultural industry. // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. - 2019.
5.Kutnjak А., Pihiri I., Furjan M.T. Digital Transformation Case Studies Across Industries - Literature Review. // 42nd International Convention on Information and Communication Technology, Electronics and Microelectronics (MIPRO). - 2019. -Pp. 1293-1298.
6. Novikov S., Sazonov A. Digital transformation of machine-building complex enterprises. // Journal of Physics: Conference Series. - 2020.
7. Kaidalova J., Sandkuhl K., Seigerroth U. How Digital Transformation affects Enterprise Architecture Management - a case study. // IJISPM - International Journal of Information Systems and Project Management. - 2018. - Vol. 6, no. 3. - Pp. 5-18.
8. Parviainen P., Tihinen M., Kääriäinen J., Teppola S. Tackling the digitalization challenge: how to benefit from digitalization in practice. // International Journal of Information Systems and Project Management. - 2017. - Vol. 5, no. 1. - Pp. 63-77.
9. Ivanov R., Sherstennikov Y., Porokhnya V., Grynko T. Mathematical model for imitation of management of the enterprise's logistical system. // SHS Web Conf. - 2021.
10. Aliyev A., Shahverdiyeva R. Application of Mathematical Methods and Models in Product - Service Manufacturing Processes in Scientific Innovative Technoparks. // International Journal of Mathematical Sciences and Computing (IJMSC). - 2018. - Vol. 4, no. 3. - Pp.1-12.
11. Morakanyane R., Grace A., O'Reilly P. Conceptualizing Digital Transformation in Business Organizations: A Systematic Review of Literature. // BLED Proceedings. -2017.
