Разработка концептуальной модели парка лесотехнической техники как сложной технической системы Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 519.6

РАЗРАБОТКА КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ПАРКА ЛЕСОТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ КАК СЛОЖНОЙ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

А.В. Муратов, К.А. Яковлев

В работе рассматривается механизм построения концептуальной модели парка лесотехнических машин, на основе оптимизации структур и размерности парка и организационных структур управления

Ключевые слова: Концептуальная модель, парк лесотехнической техники, организационная структура, размерность парка, оптимизация бизнес-процессов

Современные лесотехнические предприятия должны функционировать так, чтобы обеспечивался бесперебойный производственный процесс, который заключается в своевременном и качественном предоставлении услуг заказчику. Большинство существующих парков лесотехнической техники имеют устаревшую модель построения, мало эффективную в существующих условиях жестких рыночных отношений.

Обеспечение нормального функционирования и развития парков лесотехнических средств, как сложных технических комплексов, требует специальных методов повышения эффективности их функционирования, основанных на комплексной (системной) оптимизации социально-технических и экономических характеристик. Поэтому неудивителен всеобщий интерес к современным методам усовершенствования организационных структур парков специализированной техники, базирующихся на новейших информационных технологиях.

Анализ литературных источников [1-3], позволил выявить основные бизнес-процессы парка лесотехнических средств. Анализ влияния отдельных выделенных бизнес-процессов, показал, что ключевыми задачами перехода на технологии оптимизации бизнес-процессов являются:

- Оптимизация лесотехнических средств парка;

- Оптимизация организационных структур.

Отсюда вытекает предположение о необходимости построения концептуальной модели парка лесотехнической техники как специализированной системы, которая послужит инструментом для идентификации основополагающих бизнес-процессов - оптимизации парка и организационных структур.1

Объект исследования - парк лесотехнической техники, как сложная специализированная техническая система (СТС). Моделирование функционирования СТС и бизнес-процессов в системе ведем на основе системного подхода, т.е. в виде совокупного множества взаимосвязанных и взаимодействующих подсистем с формализацией цепочек прямых и обратных связей. Таким образом, парк лесотехнических средств

Муратов Александр Васильевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (4732) 43-77-06

Яковлев Константин Александрович - ВГЛТА, канд. техн. наук, доцент, тел. (4732) 43-77-06

как систему представим как совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих подсистем:

СТС = {ПСр|И} (1)

где ПС - компоненты подсистемы;

р - идентификационный номер подсистемы (р = {X, У, г>);

И - идентификация условий функционирования. Элементами или подсистемами назовем части СТС в виде выделяемых групп элементов, так что

ПСр £ СТС . Число подсистем в общем случае

зависит от степени детализации структурной модели СТС. Если использовать большое число подсистем (р>3) на уровне числа структурных подразделений парка, то это затруднит формализацию связей между ними и приведет к разрыву связей выделяемых (исследуемых) параметров СТС с другими независимыми параметрами.

Принимаем р=3:

- подсистема лесотехнических средств ЛТС

(X);

- подсистема лесотехнических работ ЛР

(У);

- подсистема обслуживающего комплекса ОК

(г).

Здесь: X, У, г - главные характеризующие параметры подсистем.

Обобщенная структурная модель (без учета специализации системы) приведена на рис. 1.

Подсистема ЛТС включает в себя в свою очередь подсистемы более низкого уровня - парки ЛТС: автотранспортные средства (ас), специализированная лесотехническая техника (слт), навесное оборудование (но). В целом подсистема ЛТС зависит от т варьируемых параметров, которые можно считать точкой

Х.=(Х,,...,Х„ ) в т-мерном пространстве

параметров подсистемы ЛТС 0 = 1, т). С учетом идентификации по типу ЛТС в структурной модели правомерна следующая запись, отображающая одновременно и структуру и размерность парка (подсистемы ЛТС):

ГХ = {Х ,Х ,Х };

V ас 5 слт 5 но }'

х =(х ,...,х )

асj \ ас^ ’ аст р

X =(х ,...,Х ),

слтj \ слт^ 5 слтт Р

Х =(х ,...,Х )

ноj \ но^ 5 нот Р

j = 1,т

Парк лесотехнической техники

1 1

Подсистема ЛТС Подсистема ЛР Подсистема ОК

Х = {х ,Х ,Х };

V ас’ слт’ но./’

Х =(х ,...,Х );

асj \ ас^ ’ ’ аСт Р

Х =(х ,...,Х )

слт j \ слт^ ’ слт т Р

Х =(х ,...,Х );

HOj V но^ ’ ’ нот Р

j = 1,т

У = {у ,У ,У }

V рр ’ стр ’ трр /'

У = (у у )

ррі V №’•••’ -1ррп/’

у = (у у )

слт і \ слт^ ’ слт п р

у = (у у 'У

трр і V ТО ’ ’ трр п р

і = 1, п

Ъ = {баз , Ъвсп };

Ъбазк = (баз1 , • • • , Ъбазк )

ъ = ( ,...,ъ )

Вспк Всп1 Вспк

к = 1,г

і(х)< 0,Х є ах I і(у)< 0, у є О, і(ъ)< 0,ъ є 02 1

Г(х,у,ъ)< 0,0=Ох и О, и о1

Рис. 1. Обобщенная структурная модель парка лесотехнической техники

Подсистема ЛР включает в себя в свою очередь подсистемы более низкого уровня - комплексы лесотехнических работ: ручные работы с помощью навесного оборудования (рр), лесотехнические работы с помощью специализированной техники (стр), транспортные работы (трр). В целом подсистема ЛР зависит от п варьируемых параметров, которые

можно считать точкой У = ((,..., уп ) в п-мерном пространстве параметров подсистемы ЛР (і =

1,п). С учетом идентификации по вариантам ЛР в структурной модели правомерна следующая запись, отображающая структуру и объем разных видов лесотехнических работ (подсистемы ЛР):

у = {у ,у ,у },

V рр “ стр ’ трр у

у =(у ,...,у )

ррі \ рр^ ’ ррп Р

услТ1 = (услТ1 , , услтп ); (3)

у = (у ,к,у )

Трр; \ Трр^ ’ Тррп Р

і = 1,п

Подсистема ОК включает в себя базовый комплекс (баз) и вспомогательные (всп), а также функциональные элементы и зависит от к варьируемых параметров, которые можно считать точкой гк = (г1,...,гк) в к-мерном пространстве параметров подсистемы ОК (к

= 1,Г). Правомерна следующая запись, отображающая структуру подсистемы ОК:

ъ = {ъ б ,Ъ };

V баз 5 всп Ъ баз к = \Ъбаз, , " * , Ъ баз к Р

к ) 1 \ (4)

ъ = (ъ ,...,ъ )

вспк V всп1 5 5 вспк /

к = 1,г

Уравнения существования ВХ) ^ 0, 1(У) < 0, 1(2) < 0 записываются и формализуются для каждой подсистемы. Для подсистемы ЛТС уравнениями существования будут являться уравнения оценки подвижности и надежности каждого типа и типоразмера ЛТС. Для подсистемы ЛР - взаимозависимости главных характеризующих параметров ЛР (объем, дальность перевозки, интенсивность) и параметров, отражающих специфичность варианторазмеров ЛР. Для подсистемы ОК уравнениями существования будут являться взаимозависимости между параметрами ОК согласно концепции технического обслуживания и ремонта (ТО и Р).

СТС в целом будет зависеть от п3-т4-г2 параметров (рис. 1). Ограничения в» ву, в рассматриваемых

функциональных подсистемах выделяют в п3-т4-г2 -мерном пространстве параметров системы подмножество допустимых параметров в = вх ^ ву ^ в2,

X £ вх, У £ ву, г £ в2.

В определении системы (1) входит и идентификация условий.

Условия И характеризуют функционирование подсистем следующим образом:

- характеристики ограничений и форма упорядоченности в подсистемах вх, ву,

- характеристики и факторы влияния внешней среды в виде набора признаков воздействия однозначно и неоднозначно отображенные во времени х(1), у(1), z(t) и х у8, 7, (по общей теории управления -возмущения);

- зависимость исследуемых процессов от времени tЄ [0, Т], где Т - длительность периода эксплуатации системы.

Тогда выражение (1) запишется в следующем

виде:

СТС= {Х,У,2|х(і:),у(і:),г(і:),х8,у8,г8,Сх,Су,С2,1:} (5)

Учитывая определенную автономность вышеприведенных подсистем, наличие уравнений существования и собственных ограничений, рассмотрим отдельно структурные модели каждой подсистемы.

Структура и размерность парка ЛТС - это оптимальное количество и соотношение типов и типоразмеров ЛТС по функциональности. Введем в модель идентификацию по типу ЛТС:

- автотранспортные средства (АС),

- специализированная лесотехническая тех-

ника (СЛТ),

- навесное оборудование (НО).

Двумерная матрица с(

Идентификация по типоразмерам (или классам) ЛТС заключается в выборе типоразмеров (классов) по функциональности (коммерческой нагрузке) внутри определенного типа ЛТС. Идентификация по типоразмерам невозможна без идентификации по вариантам ЛР и варианторазмерам ЛР.

Например, для каждого варианта ЛР (ручные работы с помощью навесного оборудования {РР}, лесотехнические работы с помощью специализированной техники {СТР}, транспортные работы {ТРР}) по нашей концепции соответствует свой тип, а для каждого варианторазмера - свой типоразмер ЛТС. Идентификация по варианторазмерам построена на дальнейшем разделении вариантов ЛР по видам с главными характеризующими их параметрами.

Идентификация парка ЛТС (подсистемы ЛТС) заключается в распознавании признаков возможных сочетаний типоразмера ЛТС и варианторазмера ЛР.

Модель структуры и размерности парка в виде матрицы размещается в четырехмерном пространстве, (четырехмерная матрица), что затрудняет визуальное и графическое отображение в целом. Для наглядности показаны фрагменты идентификации на производных двумерных матрицах возможных сочетаний «Тип ЛТС» ~ «вариант ЛР» приведены в табл. 1; «типоразмер ЛТС ~ варианторазмер ЛР» для {СТР} ~ {СЛТ} приведены в табл. 2.

Таблица 1

й «Тип ЛТС» ~ «вариант ЛР»

' —-——___ТипЛТС Вариант ЛР " —— {АС} {СЛТ} {НО}

{РР} 0 0 1

{СТР} 0 1 1

{ТРР} 1 1 0

1 - реальное множество сочетаний; 0 - нереальное множество сочетаний

Таблица 2

Двумерная матрица сочетаний «типоразмер ЛТС ~ варианторазмер ЛР» для {СТР} ~ {СЛТ}

Типоразмер ЛТС ^"'''"-^ЦСЛТ} Варианторазмер ЛР (расчистка участка) Трактор ТДТ-55 Лесовоз Установка ЯС 20 ХР Интервал интенсивности, в год

Распилка деревьев 0 0 1 СП ,5 2,

Измельчение сучьев 0 0 1 1...3

Трелёвка леса 1 1 0 ,5 2, ,5

Вывоз леса 1 1 0 ,5 2, ,5

1 - реальное множество сочетаний; 0 - нереальное множество сочетаний

Основным элементами подсистемы ЛТС является специализированная лесотехническая техника (СЛТ), совокупность которой составляет парк лесотехнической техники.

Состав парка СЛТ в 1-м году можно записать в виде уравнения:

МЕ(1)=МЕ(1-1)+ПБЕ(1)-СПЕ(1), (6)

где N^-1) - состав парка ЛТС в предыдущем, (1-1)-м году;

ПБ^) - приобретенные ЛТС в 1-м году;

СП2(1) - списанные ЛТС в 1-м году. Идентификация размерности парка выражается слагаемыми состава парка ЛТС в 1-м году:

N^(1)=

2 N*0, (1) +2 N слт, (1) +2 N (1) (7)

И И М

т

где 2 ^с. (1) - состав парка автотранспортных

j=i

средств в 1-м году;

т

2 N СЛТ, (1) - состав парка специализированной лесотехнической техники в 1-м году;

т

2 N НО, (1) - состав парка навесного оборудования в 1-м году.

Х АС, ( = 1,т ); АС, = 1 АСт - параметрический ряд автотранспортных средств в парке лесотехнических машин.

ХСЛТ ( = 1,т); СЛТ, = 1,СЛТ -

СЛТ, ? /’ , ^ т

параметрический ряд специализированной лесотехнической техники в парке лесотехнических машин.

xноj(j =1,m); H0J= i, ног

- па-

НО , , т

раметрический ряд навесного оборудования в парке лесотехнических машин.

Слагаемое ПБ2(1) определяет программу закупок ЛТС парка в 1-м году.

ПБ2(1)=

т т т

2 ПБ *0, (1) +2 ПБСЛТ, (1) +2 ПБ (1)

■=1 ,=1 ,=1

(8)

т

где 2 ПБ *0,(1) - программа закупок автотранс-

■=1 ■

портных средств из параметрического ряда

АС = 1, АС в 1-

в t-м году;

m ( \

2 ПБСЛТ ^ (t ) - программа закупок специа-

j=i

лизированной лесотехнической техники из парамет-

рического ряда

СЛТ = 1, СЛТ в t

в t-м году;

m

2 ПБН0. (t ) - программа закупок

навесного

j=i

оборудования из параметрического ряда НО, = 1, НО т в 1-м году.

Моделирование структуры парка ЛТС имеет свою специфику для автотранспортных средств, специализированной техники и навесного оборудования для различных видов работ. Поэтому необходим

специальный подход к построению универсальной методики структуризации парка ЛТС, учитывающей суммарный объем лесотехнических работ (Р) без конкретизации составляющих операций, но попадающих в двумерные матрицы сочетаний «типоразмер ЛТС ~ варианторазмер ЛР», приведенных в табл. 1 и 2.

Модель размерности парка ЛТС состоит из последовательности выражений (6) - (8), в которых

2N*0,(1), 2NСЛТ,(1) 2Nно,(1 )

,=1 ,=1 и

определяются в областях предпочтительного применения ву. Области предпочтительного применения (01III) - это области, в которых можно выделить в пространстве всех возможных параметров лесотехнических работ совокупность тех работ, которые эффективно могут быть выполнены определенным типом ЛТС с учетом эксплуатационной надежности.

В 01III для каждого типа ЛТС:

fd(x )

/ а\ d. (x )

i \ слтj /

d (x )

1 V но )

(10)

существует соответствующий параметрический ряд типоразмеров ЛТС:

ас.

1, ас,

слт. = 1, слт.

j ’ j

(11)

но. = 1, но.

В работах [4, 5] было показано, что:

- в 01 II I

d i (XaCj )

выражение

ас = 1,ас„

- параметрический ряд автотранспортных средств, подготовленных к закупке в t-м году;

- в 01 II I d ix ) выражение

1 \ слтj J *

слт, = 1, слт п - параметрический ряд специализированной лесотехнической техники, подготовленной к закупке в 1-м году;

- в 01III ё. (х ) выражение но ■ = 1,ноп

1 \ но, / ■

- параметрический ряд навесного оборудования, подготовленного к закупке в 1-м году.

Каждое значение выражения (10) является областью достижимых заданий в совокупности (системно они выделяются в ву).

Под размерностью парка понимается абсолютная совокупность разных типов и типоразмеров ЛТС в парке лесотехнической техники.

Под структурой парка ЛТС будем понимать относительную совокупность в парке типов и типоразмеров ЛТС: автотранспортных средств, специализированной лесотехнической техники, навесного оборудования, т.е. (виды модификаций и размеры внут-

ри определенного типа).

В областях предпочтительного применения размерность потребного парка каждого типа ЛТС определяется из выражений:

- для автотранспортных средств:

с. К (хЛ

2 N (1) = —1 / у 2 ■ " )т

т / \ п т / \ 2 N „(1 )=22 N ,„(1);

(12)

,=1 1=1 ,=1

- для специализированной лесотехнической техники:

21ЧТ () = Р1. {Д1.(х-л-..)} .

2 ‘л,"() П,{(х„Г,} ’

.=1

(13)

2 N ,л.,(1 )=22 N сл„(1)

,=1 1=1 ,=1

- для навесного оборудования:

™ ()= Р {)1 (х)}

2 ”'() П { (х ' }

(14)

2N „,(1 ) = 2 2N ();

>1 1=1 ,=1

Тогда, с учетом сложившегося парка лесотехнической техники, характеризуемым показателем N2(1 - 1) и определяемым по выражениям (12) - (14), а также с учетом потребной размерности парка по областям предпочтительного применения (01III) для разных типов ЛТС N21), корректируем размерность парка планом закупок (ПБ2) и планом списаний ЛТС (СП2) в расчетном (1-м), году.

Таким образом, определяется структура парка ЛТС для конкретного парка лесотехнической техники.

Эффективность функционирования парка лесотехнической техники как системы возрастает при применении ЛТС не на всей его области достижимых заданий, а на более узкой области, задающей оптимальное сочетание его универсальности и специализации (выполняются экономические закономерности: снижение затрат при аналогичном объеме работ повышает эффективность всей системы). Такие области назовем зонами рационального применения 0(х,у)у =кр1/Кзф е[]Д]} (15)

Очевидно, что В(ху)ъ О В(х,у)слг О Б(ху)[Е=0 - не пересекаются, решаются как задачи оптимального распределения и ограничены возможностями типов ЛТС.

Многообразие возможностей каждого типоразмера ЛТС в одной выделенной операции (ьый вид лесотехнических работ) выражает свойство универсальности и характеризуется областью достижимых

заданий ё. (х ), ё. (х ) или ё. (х ). Эта

1 \ ас, р 1 \ слт, / 1 \ но, /

область выделяет в пространстве параметров заданий у совокупность тех лесотехнических работ, каждая из которых может быть выполнена эффективно толь-

ко определенным типом и типоразмером ЛТС с учетом эксплуатационной надежности.

В этом случае возможность выполнения некоторого задания у некоторым видом техники (Хас,,

Х слт, или Х но ) определяется условием:

у е ё(х ), у е ё (х ),

J ас 1 \ ас, р слт 1 \ слт, р

У е ё-(х ). (16)

-'но 1 \ но, / у '

Это условие выделяет на множестве X допустимые множества вектор-параметров Хас, , Х слт, и

X но,, выполняющих конкретный вид лесотехнических работ у1:

Ху ={х е X: у е ё (х)} (17)

Параметры СТС - множества, которые выделяются из хевХ, уеву zеGz в результате получения областей предпочтительного применения и зон рационального применения.

В этом случае соотношение количества типов ЛТС представляется в виде упорядоченной тройки

XI {^а^ хслт хно}:

х

х

и

,=1

т

и

,=1

х

х

х

и

,=1

х

(18)

Множество параметров X, определяемое как путем аналитического расчета и из банка данных ЛТС, включает всю возможную совокупность видов ЛТС рассматриваемых классов, реализуемых на данном техническом уровне. Это дает возможность путем изменения исследуемых параметров получить не только оптимальную совокупность и соотношение различных видов ЛТС в парке, но и определить, при каких совокупных параметрах ЛТС реализуется оптимальная с экономической и организационной точки зрения СТС. Использование модели для этой цели позволяет получить оптимальный конечный результат по отношению структуры парка СТС.

Доля СЛТ в парке лесотехнических машин ,-го

типоразмера определяется величиной N СЛТукст(1) -

количество техники ,-го типоразмера, необходимых (потребных) для выполнения 1-го варианторазмера в виде выборки из вариантов: {ручные работы с помощью навесного оборудования, лесотехнические работы с помощью специализированной техники, транспортные работы} при к-м виде базирования в ст-классе парка в 1-м году рассматриваемого периода {0, Т}.

Размерность парка специализированной лесотехнической техники всех типоразмеров определяется величиной

N СЛТ1кст (1 ) = 2 N СЛТукст (1) (20)

,=1

N СЛТ1кст(1) - количество специализированной лесотехнической техники, необходимой для выполнения 1-го варианторазмера из выборки вариантов {РР, СТР, ТРР} при к-м виде базирования в СТ -классе парков лесотехнической техники в 1-м году периода {0, Т}.

Размерность парка лесотехнических средств всех варианторазмеров лесотехнические работы с помощью специализированной техники:

NСЛТкст (1 )=22 N СЛТ1кст (1) (21)

у2 1=1

NСЛТкст (1) - количество специализированной лесотехнической техники для выполнения лесотехнических работ при к-ом виде базирования в ст-классе лесотехнических парков в 1-м году периода {0, Т}.

Аналогично выражение (21) запишется для:

-ручные работы всех видов с помощью навесного оборудования

СЛТкст (1 ) = 22 N СЛТ1кст (1) (22)

у 1 1=1

-транспортные работы всех видов

СЛТкст (1 ) = 22N СЛТ1кст (1) (23)

у3 1=1

Размерность парка специализированных лесотехнической техники при всех видах базирования и всех классов лесотехнических парков в 1-м году периода {0, Т} определяется выражением

SK пт

N СЛТ (t )= ZZZZZ N„Tp„(t) (24)

c=1 k=1 y i=1 j=1

Аналогичные выражения получаются и для автотранспортных средств - N ас (t) , навесного оборудования - N НО (t).

Таким образом, в данной работе для описания и анализа бизнес-процессов парка лесотехнической техники разработаны математические модели процессов функционирования парка, выявлены основные бизнес-процессы, оптимизация которых - суть совершенствования системы управления парком. Предложена концепция, по которой суммарный потребный парк определяется в областях предпочтительного применения.

Литература

1. Апсин В.П. Моделирование процессов восстановления машин. - М.: Транспорт, 1996. - 311 с.

2. Лукинский B.C. Прогнозирование надежности автомобилей / B.C. Лукинский, Е.И. Зайцев - Л.: Политехника, 1991. - 224 с.

3. Кузнецов, Е.С. Техническое обслуживание и надежность автомобилей. М: Транспорт, 1972. 223 с.

4. Портников Б.А. Факторно-статистический анализ типового предприятия / В кн.: Прогрессивные технологии в транспортных системах: Сб. докл. шестой Российской научно-техн. конф. - Оренбург: ГОУ ОГУ, 2003. - С. 169 - 176.

5. Портников Б.А., Султанов Н.З. Тенденции развития и технико-экономический анализ состояния качества воздушного транспорта / В к. Прогрессивные технологии в транспортных системах: Сб. докл. шестой Российской научно-техн. конф. -Оренбург: ГОУ ОГУ, 2003. - С. 177 - 181.

Воронежский государственный технический университет Воронежская государственная лесотехническая академия

DEVELOPMENT CONCEPTUAL MODEL TIMBER ENGINEERING PARK AS DIFFICULT TECHNICAL SYSTEM

A.V. Muratov, K.A. Yakovlev

In operation the mechanism of construction conceptual model of timber engineering park, on the basis of optimisation structures and dimension park and handle organizational structures is considered

Key words: Conceptual model, timber technics park, organizational structure, dimension of park, optimization of business processes.