CC BY
46
УДК 621.87
В.Ю. Анцев, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872)33-22-88, anzev@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
А.Н. Шафорост, магистрант, 8-905-626-82-17, akar06@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ВНУТРИЦЕХОВОГО ТРАНСПОРТА МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ
В статье рассматривается: методика оптимизации структуры транспорт-но-накопительных систем внутрицехового транспорта машиностроительных предприятий, методика расчета необходимого количества оборудования и приведенных затрат на создание и эксплуатацию транспортной системы.
Ключевые слова: приведенные затраты, морфологический анализ, морфологический синтез, метод «ветвей и границ».
Радикальное реформирование отечественной экономики и связанный с этим возросший объем работ по реконструкции и техническому перевооружению машиностроительных предприятий делает актуальным вопрос о сокращении сроков их проектирования, в том числе и проектирования транспортных систем. Подъемно-транспортные и погру-зочно-разгрузочные работы являются важными и трудоемкими элементами производственных процессов машиностроительных предприятий, от методов организации, и оснащения которых в значительной степени зависит общий уровень производительности. Основной задачей при проектировании транспортной системы является сокращение объема подъемно-транспортных операций и снижение трудозатрат при заданном объеме работ.
Конкретные формы механизации и автоматизации транспорта и виды применяемого на определенном заводе специального оборудования зависят от особенностей изготовляемой продукции, от типа производства, характера подъемно-транспортных операций, размера грузооборота и др. В производственных системах предприятий важнейшую роль играет транс-портно-накопительная система (ТНС), без которой невозможно эффективное функционирование производства, так как она является основным организующим и связующим звеном производственного процесса, осуществляя накопление, хранение, учет, распределение и транспортирование заготовок, деталей, инструмента и т. п.
При проектировании ТНС возникает задача сокращения количества анализируемых вариантов этих систем. Для ее решения предлагается использование следующей методики - отсеивание неперспективных вариантов на основании анализа производительности оборудования ТНС и приведенных затрат на создание и эксплуатацию транспортной системы.
В зависимости от объемов грузопотоков, формируемых в производственной системе предприятия, в состав транспортной системы включается определенное количество подъемно-транспортного оборудования. В общем виде требуемое количество подъемно-транспортного оборудования вычисляется по следующей формуле [1]:
1
где zzp - число грузопотоков в производственной системе предприятия, одновременно обслуживаемых ТНС; Qpj - расчетная величина i-го грузопотока, т/ч; q3i - эксплуатационная производительность единицы оборудования ТНС на i-м грузопотоке, т/ч.
Анализируя полученные результаты производительности и расчетного количества транспортного оборудования, уже на начальной стадии проектирования транспортной системы возможно отсеивание неперспективных вариантов.
Приведенные затраты на создание и эксплуатацию транспортной системы вычисляются по следующей формуле:
П = sR + Э ^ min,
где в - нормативный коэффициент экономической эффективности капитальных затрат; К - капитальные затраты на ТНС, руб.; Э - ежегодные эксплуатационные затраты на ТНС, руб./год.
Рассчитав годовые приведенные затраты на создание и эксплуатацию ТНС, которые используются в качестве целевой функции при проведении поиска оптимального варианта транспортной системы, можно перейти к дальнейшему анализу технологических, технических и организационно-экономических показателей. Данные показатели необходимо свести в единую математическую модель. С наибольшим эффектом в этом смысле может быть использован морфологический метод поиска технических решений [2], состоящий в реализации следующих этапов:
- точная формулировка решаемой задачи (описание желаемых функциональных свойств исследуемой системы);
- выявление максимально полного перечня основных классификационных признаков системы;
- определение различных альтернативных значений каждого из выявленных ранее классификационных признаков и генерирование всех возможных вариантов рассматриваемой системы, каждый из которых состоит из цепочки, содержащей ровно по одному значению каждого классификационного признака;
- определение эффективности вариантов системы;
- выбор и реализация наиболее предпочтительного варианта.
119
Первые три этапа представляют собой морфологический анализ технических систем, а последние два - морфологический синтез оптимальных вариантов этих систем.
Морфологический анализ - это совокупность операций выделения функционально важных классификационных признаков морфологической системы и операций разбиения морфологической системы на морфологические подсистемы по набору выделенных признаков. Результатом проведения морфологического анализа является построение морфологической таблицы (МТ) (рис. 1).
Классификационные признаки Значения классификационных признаков Число значений
К1 к; к,2 2
к2 К21 К22 2
К3 Кз1 К32 2
к4 к41 К42 К43 3
к5 К51 К52 к53 3
Кб К61 К62 2
к7 к71 К72 ... к716 16
К8 к81 к82 Кв3 3
к9 к91 К92 К93 К94 4
К-ю Кю1 Кю2 Кю3 3
Кц Кц1 Кц2 ... Кц6 6
к12 К121 К122 к123 К124 4
Рис. 1. Морфологическая таблица ТНС
Общее число всех возможных вариантов ТНС N, описываемых данной МТ, определится так:
m
N = П»! ,
/=1
где - число возможных значений /-го классификационного признака;
ш - общее число классификационных признаков рассматриваемой системы.
Анализируя реализованные компоновочные структуры ТНС и входящие в них компоненты, можно выделить 13 основных классификационных признаков, используемых в МТ, которые наполняются следующим содержанием:
К - по назначению транспортной системы (К"1 - внутрицеховые,
2
К - межоперационные);
1 2 К2 - по принципу движения (К2 - периодические, К2 - непрерывные);
Кз - по направлению движения (К1 - однонаправленные, К2 -разнонаправленные);
К4 - по уровню расположения рабочей ветви (К9 - напольные,
К2 - эстакадные, К4 - подвесные);
1 2 з
К 5 - по принципу работы (К 5 - несущие, К 5 - толкающие, К 5 -тянущие);
12 К 6 - по конструктивному исполнению (К 6 - рельсовые, К 6 - безрельсовые);
К7 - средства транспортирования (К^1, где ql = 1,2,...16 соответствует: краны-штабелеры, краны мостовые, рельсовые тележки, шаговые конвейеры, пластинчатые конвейеры, ленточные конвейеры, роликовые конвейеры, цепные конвейеры, подвесные грузонесущие конвейеры, подвесные толкающие конвейеры, монорельсовый транспорт, транспортно-перегрузочные роботы, индуктивные тележки, самоходные тележки с инерционным управлением, подвесные роботы, подъемники);
К § - способ загрузки технологического оборудования (К1 - ручной, К2 - механизированный, К§ - автоматический);
К9 - оборудование для загрузки рабочих позиций (К9 - манипуляторы, Кд - роботы, К9 - устройства смены спутников, К4 - загрузка осуществляется транспортным средством);
К10 - устройства для обслуживания склада (К9о - краны-штабелеры, К120 - мостовые краны, К1з0 - напольные роботы);
К11 - способ хранения грузов ( К111 - в стеллажном складе с на-
2
польным штабелером, К11 - в стеллажном складе с подвесным штабеле-
з4 ром, К11 - в складе элеваторного типа, К11 - в пристаночном накопителе,
К151 - на конвейере, К161 - в подвесном складе кассетного типа);
К12 - способ транспортирования заготовок ( К112 - в поддоне, К122 -
на спутнике, К92 - в кассете, К^ - на палетах).
121
Таким образом, разработанная морфологическая таблица содержит описание 1 990 656 альтернативных вариантов проектируемой транспорт-но-накопительной системы.
Под морфологическим синтезом понимается совокупность операций поиска на морфологическом множестве вариантов описаний ТНС, соответствующих исходной цели поиска - условиям задачи.
Под поиском понимается последовательность: 1) операций выбора («извлечения» из морфологической таблицы) варианта описания функциональной системы; 2) операций оценивания совместимости подсистем, образующих выбранный вариант, и соответствия варианта требованиям к искомой функциональной системе, которые должны содержаться в корректной формулировке условий задачи.
Морфологический синтез предполагает формирование вариантов ТНС как выборку значений признаков по одному из каждой строки морфологической таблиц, т. е.
w, к q2,..., Ki™ },
где K(jl - qi-е значение j-го признака, где (q^ = 1,2,...,&j; &j - число значений j-го признака.
Морфологическая таблица при этом описывает конечное множество вариантов:
W = {Wl}, W = W1,W2,...,WN.
Для решения задачи морфологического синтеза оптимального варианта ТНС из большого количества методов дискретной оптимизации предлагается использовать метод «ветвей и границ» [3].
Для всей группы алгоритмов, входящих в общую схему метода ветвей и границ, характерным является применение следующей основной идеи: последовательное использование конечности множества вариантов решения задачи и замена полного их перебора направленным. Полного перебора удается избежать за счет отбрасывания неперспективных множеств вариантов, т. е. таких, которые заведомо не могут содержать искомого оптимального решения задачи.
При морфологическом синтезе вариантов ТНС процедуру последовательного разбиения множества допустимых решений целесообразно осуществлять с использованием алгоритма последовательного анализа вариантов, что позволяет улучшить сходимость метода.
Методика генерации, анализа и отбора вариантов предполагает отсеивание невыгодных (бесперспективных) вариантов на начальных стадиях их построения. Поскольку при отсеивании бесперспективных вариантов отсеивается и множество их продолжений, то происходит значительная экономия времени в вычислительной процедуре.
Отсеивание бесперспективных вариантов осуществляется с использованием матрицы бинарных отношений совместимости элементов. Вариант считается бесперспективным при появлении первого нулевого значения индикатора совместимости элементов. Один из возможных графов решения задачи морфологического синтеза с применением метода последовательного анализа вариантов представлен на рис. 2.
В результате выполнения этого алгоритма мы получаем несколько возможных вариантов ТНС, обеспечивающих требуемую производительность транспортной системы и минимальные приведенные затраты на ее создание и эксплуатацию. Окончательное решение о выборе оптимально варианта из них целесообразно принимать на основании результатов имитационного моделирования транспортных систем, осуществляемого с использованием общецелевой системы имитационного моделирования GPSS
[3].
Рис. 2. Граф решения
Представленный подход к автоматизации проектирования транспортных систем позволяет осуществить анализ максимального числа их
возможных альтернативных вариантов и выбрать среди них оптимальный по критерию минимума приведенных затрат на создание и эксплуатацию транспортной системы и максимальной ее производительности при сокращении сроков проектирования и повышении качества получаемых проектных решений.
Список литературы
1 Зуев Ф.Г. Курсовое проектирование по механизации погрузо-разгрузочных, транспортных складских работ. - М.: Колос, 1995. - 416 с.
2 Сергиенко И.В. Математические модели и методы решения задач дискретной оптимизации. 2-е изд. доп. и перераб. - Киев: Наук. думка, 1988. - 472 с.
3 Томашевский В., Жданова E. Имитационное моделирование в среде GPSS. - М.: Бестселлер, 2003. - 416 с.
V.Y. Anzev, A.N. Shaforost
OPTIMAL DESIGN OF STRUCTURE OF INTRA SHOP TRANSPORT OF MACHINE-BUILDING ENTERPRISES
The method of optimization of structure of transport and accumulative systems of intra shop transport of machine-building enterprises and the design procedure of necessary quantity of the equipment and quantity of the given expenses for creation and operation of transport system are considered in this article.
Key words: the given expenses, the morphological analysis, morphological synthesis, «branches and borders» method.
Получено 19.06.12
