CC BY
68
При разработке экспериментального образца имитационной модели производственной системы, основанной на знаниях, для сокращения длительности процесса создания и доработки программного обеспечения использован объектно-ориентированный подход к анализу и программированию. Это позволило значительно сократить сроки разработки и отладки модели, привлечь пользователя к созданию базы знаний имитационной модели на ранних стадиях создания модели.
Литература
1. Буч Г. Объектно-ориентированное проектирование с примерами применения: Пер. с англ.-М.: Конкорд, 1992.-519 с.
2. Нейман Дж.фон. Теория самовоспроизводящихся автоматов. - М.: Мир,1971 - 425с.
3. Новиков Н.И., Новиков В.Н. Применение имитационных моделей и экспертных систем при разработке производственных графиков // Казанская наука. Сборник научных статей. № 9 Вып.1. -Казань: Изд-во Казанский Издательский Дом, 2010.-С.186-190.
УДК 681.3
СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ РЕШЕНИЙ ПРИ ОРГАНИЗАЦИИ ГРУППОВОГО
ПРОИЗВОДСТВА
Новиков Николай Иванович, к.т.н., доцент, Уфимский государственный авиационный технический университет, филиал в г. Кумертау, Россия, Кумертау, oka novikov@mail.ru
Важнейшим направлением повышения эффективности машиностроительных предприятий с мелкосерийным и серийным типом производства является применение групповой обработки, что обеспечивает высокую производительность и гибкость производства.
Однако опыт применения групповой обработки в производстве показал, что часто потенциальные возможности этого подхода к организации подготовки и управления производством реализуются недостаточно полно. Анализ причин низкой эффективности групповых производств позволяет выделить следующие причины:
1. Жёсткая централизация процесса подготовки группового производства
(группирование деталей, проектирование групповых технологических процессов изготовления деталей и управляющих программ для станков с ЧПУ, распределение детале/операций за рабочими местами), что приводит к тому, что решения, принятые на верхнем уровне, являются неточными и недостаточно полно учитывают особенности конкретных производственных условий, ориентированы на усреднённые условия производства.
2. Ограниченный («узкий») взгляд на систему проектирования и групповые технологические процессы, предусматривающий в основном решение вопросов точности и качества; вопросы реализуемости спроектированных групповых технологических процессов, вопросы проектирования технологических процессов в условиях неопределённости о производственной среде реализации технологических процессов практически не рассматриваются.
3. Отсутствие эффективных методов поддержки принятия решений на всех этапах жизненного цикла организационно-технологической подготовки группового производства. В существующих системах процесс принятия решений жёстко фиксирован. Системы проектирования не позволяют оперативно проводить изменения исходных организационно-технологических решений в связи с изменившимися условиями производства, а ориентированы на фиксированные состояния.
4. Системы поддержки принятия решений при организации группового производства не позволяют осуществлять оперативный поиск в конкретной производственной
104
ситуации компромиссов между групповой и индивидуальной технологией, между специализацией и универсализацией элементов производственного участка.
5. Имитационные модели используются для локальной проверки каких-либо проектных решений и не являются составной частью системы проектирования технологических процессов. Повышение устойчивости функционирования производственных участков с использованием моделей производится методом проб и ошибок, что требует значительных затрат времени на моделирование и снижает их эффективность.
7. Дестабилизирующее влияние большого количества производственных факторов и отсутствие методик по их выявлению и локализации.
Анализ решаемых задач технологической подготовки производства и управления групповым производством показал, что наиболее часто решаются задачи управления технологическими процессами и оборудованием в связи с необходимостью компенсации более частых по сравнению верхними иерархическими уровнями возмущений, соизмеримых по частотам с динамическими свойствами объекта управления. Для эффективного организационно-технологического проектирования на верхнем уровне управления необходимо знать все конкретные особенности производства: состояние парка
оборудования, технологические процессы изготовления деталей, наличие рабочих и закрепление их за оборудованием, уметь анализировать информацию о ходе производства.
Таким образом, высокие требования к технологической подготовке группового производства со стороны постоянно развивающегося производства требуют совершенствования методов решения задач, связанных с реализацией групповых технологических процессов и оценкой адекватности проектных организационнотехнологических решений.
В работе рассмотрены с системных позиций основные направления повышения эффективности организационно-технологического проектирования групповых автоматизированных производств.
Организационно-технологическое проектирование для групповых производств связано с использованием различных моделей (групп деталей, групповых технологических процессов, производственной системы, процессов организационно-технологического проектирования и др.). Эти модели должны представляться на разных стадиях жизненного цикла организационно-технологических решений в различной форме и с различной степенью детализации. При этом модели должны функционировать в единой программной среде.
Разнородность информации, неопределенность и неполнота исходных данных на каждом этапе технологической подготовки производства определяют сложность разработки информационно-математического и программного обеспечения. Для эффективной обработки информации в этих условиях средства автоматизации должны обладать широкими возможностями представления знаний смежных дисциплин, так как пользователями информации являются различные специалисты: технологи, нормировщики и мастера.
В этих условиях необходимо применение системы поддержки принятия решений, позволяющей представлять слабо формализуемые знаний экспертов, создавать базу знаний непосредственно специалистами предметной области.
В предлагаемой системе поддержки принятия решений мастера, диспетчера, технологи и другой персонал при подготовке и управлении производством обеспечиваются важной информацией, тактическими планами, и сведениями о приоритетах целей, а главное -принятие решений выполняется более быстро, точно и качественно, нежели с помощью существующих систем поддержки принятия решений.
Система поддержки принятия решений, базирующаяся на применении принципов искусственного интеллекта, помогает разрешать противоречия между технологическими и организационно-плановыми решениями, устранять конфликты взаимодействия, определять, какую информацию считать критически важной, и выдавать рекомендации по устранению узких мест, прекращать или изменять текущие действия, изменять приоритеты в обработке и другие параметры.
105
Структура системы поддержки принятия решений при организации группового производства приведена на рисунке 1.
В предлагаемой системе организационно-технологические решения до реализации в производстве проверяются с помощью имитационной модели производственной системы
Повышение эффективности организационно-технологического проектирования групповых производственных систем в условиях воздействия на систему внешних и внутренних возмущений возможно и целесообразно за счет избыточности структуры технологических процессов, а также элементов производственной системы. При этом избыточность структуры технологических процессов, а также элементов производственной системы должна быть предусмотрена заранее.
Необходимость использования избыточности объясняется следующим. Минимальное значение длительности производственного цикла изготовления партий деталей существует при определенном сочетании параметров и носит локальный характер. При этом незначительные изменения одного из параметров системы смещают минимум длительности производственного цикла в ту или иную сторону. В связи с этим локальные, несистемные решения, принимаемые для уменьшения длительности производственного цикла, позволяют стабилизировать функционирование участка только на короткий период времени, а иногда, наоборот, могут усугубить ситуацию.
Рис.1- Структура системы поддержки принятия решений при организации группового производства
Поэтому поддержание устойчивого функционирования участка в условиях действия внешних и внутренних возмущений существующими методами, не имеющими в своем составе средств для своевременного выявления возможных отклонений и принятия комплексных решений по их локализации, представляет определенные трудности.
Введение избыточности структуры технологического процесса, а также элементов производственного участка с целью повышения устойчивости функционирования производственного участка должно осуществляться при проектировании технологических процессов в максимальной степени. При этом использование при функционировании производственного участка должно быть гибким. Это обеспечивает в момент реализации минимальную, но достаточную избыточность структуры технологического процесса, а также элементов производственного участка. Частичное введение избыточности структуры
106
технологического процесса, а также элементов производственного участка и жесткое (без учета производственной ситуации) ее использование не даст значительного эффекта.
Введение избыточности структуры технологических процессов изготовления деталей возможно и целесообразно путем придания дополнительных структурных свойств (в данном случае адаптационных) технологическим процессам изготовления деталей.
Реализация принципа основана на введении в базу данных базового технологического процесса дополнительной (избыточной) информации о вариантах технологического маршрута и операций, вводимой на стадии проектирования технологических процессов изготовления деталей. При этом знания об условиях ветвления технологических процессов должны встраиваться в виде базы знаний в модель технологического процесса и использоваться при логическом анализе складывающихся производственных ситуаций и выборе из заданного множества адекватной структуры технологического процесса, исходя из производственной ситуации.
Для эффективного управления введенной избыточностью структуры технологического процесса, а также элементов производственного участка применена экспертнодиагностическая система.
Необходимость использования экспертно-диагностической системы обусловливается тем, что объективно существующая динамичность производственного участка не позволяет выполнить приемлемое аналитическое описание взаимосвязей между параметрами системы.
При этом для показателя устойчивости функционирования производственного участка важным является время с момента выхода показателя устойчивости за предельные значения до момента выхода из неустойчивого состояния. Это время должно быть минимальным. Эффективной можно считать систему, обеспечивающую минимальное время реакции системы на возмущение, с одной стороны, и, с другой стороны, позволяющую предсказывать приближение показателя устойчивости к предельному значению и выбирать регулирующие воздействия, препятствующие снижению устойчивости функционирования участка.
Такой подход объясняется тем, что традиционные методы технологической подготовки производства не способны работать в условиях слабой формализации задач. Поэтому наиболее адекватным подходом в этих условиях является подход на основе экспертных систем. В предлагаемой системе экспертные знания встраиваются в процессы принятия решений в виде базы знаний.
Это позволило эффективно решить поставленные в работе задачи анализа и формирования структур технологических процессов с позиций повышения устойчивости функционирования участка. Они требуют высокого уровня экспертиз, логического вывода и использования эвристики.
При формализации сложных процессов технологической подготовки группового производства возникают задачи, в которых число переменных и связей очень велико. В таких случаях задачи оптимизации не поддаются решению в лоб стандартными методами математического программирования.
Одним из направлений решения указанных проблем является применение объектноориентированной технологии анализа и разработки программного обеспечения, что позволяет снизить существующий барьер между аналитиками и разработчиками (дизайнерами и программистами), повысить надежность системы, упростить сопровождение, а также интеграцию с другими системами [1].
Основной идеей объектно-ориентированного подхода является использование языковых средств, которые на базе концепции абстрактных типов данных позволяют специфицировать новые классы программных объектов, образующих вычислительную среду, ориентированную на конкретную предметную область и позволяющие моделировать предметную область.
Ключевым при разработке системы поддержки принятия решений было проведение объектно-ориентированного системного анализа: формализация предметной области и
107
осмысление системы поддержки принятия решений как совокупности компонент. Системный анализ позволил:
• лучше понять «что надо делать»;
• упростить общение между участниками проекта (аналитики, разработчики, руководители, пользователи);
• отслеживать во времени изменения модели.
Была выполнена декомпозиция предметной области на базе фреймового подхода [2], что позволило подойти к анализу сложных систем с точки зрения иерархических структур данных или иерархий объектов со свойствами инкапсуляции, наследования и полиморфизма. Таким образом, объектно-ориентированный системный анализ позволил создать комплекс моделей, которые отображают не только данные и их взаимосвязи, но и методы обработки данных. Объектно-ориентированный анализ позволил получить более естественную формализацию системы в целом [3].
Применение объектно-ориентированной методологии анализа, проектирования и программирования позволило переходить от исходных требований к реализации создаваемой системы поддержки принятия решений при организации группового производства.
Использование объектно-ориентированного подхода позволило также решить проблемы сложности при создании системы поддержки принятия решений при организации группового производства.
При исследовании охватываемых проблемой объектов и процессов их взаимодействия использован системный подход и объектно-ориентированный подход, обеспечивающие необходимую глубину, комплексность за счет наличия функционального, морфологического и информационного аспектов исследования, методическое единство в решении отдельных задач проблемы, преемственность результатов на этапах анализа, проектирования, программирования и развития сложных программных систем.
На основе изучения особенностей автоматизированных производственных участков, методов организационно-технологической подготовки группового производства разработан комплекс объектно-ориентированных моделей, позволяющий исследовать и проектировать объект как единое целое.
Выполнена классификация объектов (классов), определение классов, определена форма определения, выделены наиболее важные связи между классами, сформирован словарь предметной области.
Для каждого фрейма - класса разработаны соответствующие методы.
Важной подсистемой в системе поддержки принятия решений является имитационная модель производственной системы. С помощью имитационной модели можно проверять организационно-технологические решения в различных режимах (детерминированный, стохастический).
При необходимости можно изменять различные входные параметры:
• коэффициент сменности оборудования;
• режим работы оборудования;
• срок поступления заготовок на участок;
• сроки запуска партий деталей в обработку;
• периодичность запуска партий деталей в обработку;
• очерёдность запуска партий деталей в обработку;
• структуру группового технологического процесса изготовления детали;
• дробление партий запуска деталей;
• изменение объёма выполняемых работ;
• изменение номенклатуры деталей производственного плана;
• вид движения партий деталей;
• специализацию рабочих мест.
108
В разработанной модели, в соответствии с принятым ранее объектно-ориентированным подходом к исследованию и программированию, знания о составе, структуре и поведении отдельных элементов производственного участка представлены в виде объектов, взаимодействующих между собой.
При этом методы функционирования каждого объекта в модели заложены в виде заранее определенных наборов методов. Набор действий по имитации производственных процессов описывается в терминах объектно-ориентированного подхода. На основе этой последовательности действий (сообщений) динамически формируется необходимая конфигурация оборудования, необходимая для обработки партий деталей
Для описания знаний о групповом производственном участке выбрана и программно реализована модель представления знаний, представленная в виде фрейма-класса в объектно-ориентированной среде.
При анализе предметной области выделены следующие фрейм - классы: оборудование участка, детали, изготавливаемые участком, партии запуска деталей в обработку, технологические процессы изготовления деталей и др.
В разработанной системе для повышения эффективности технологической подготовки группового производства вводится двухуровневая процедура формирования организационнотехнологических решений.
На первом уровне формируются обобщенная группа деталей и групповой технологический процесс изготовления детали, который характеризуется высокой степенью избыточности структуры технологического процесса по отношению к базовому. Введение избыточности в технологические процессы объясняется невозможностью заранее сформировать ограниченное количество вариантов технологических процессов изготовления детали, удовлетворяющих в будущем конкретной производственной ситуации.
На втором уровне на этапе функционирования участка на базе обобщенного технологического процесса формируется оперативный технологический процесс изготовления партии деталей исходя из складывающейся производственной ситуации.
На каждом шаге процесса диагностирования производственной системы уменьшается неопределенность в связи с появлением дополнительной информации о функционировании производственного участка. Однако полностью устранить неопределенность практически невозможно. Поэтому в системе предусмотрен доступ пользователю, как лицу, принимающему решение (ЛПР). ЛПР на каждом шаге может вводить различные ограничения, приоритеты. Давать экспертные оценки, выбирать единственное решение из предлагаемого системой множества вариантов в случае, если эти варианты неразличимы по заранее заданным критериям.
В результате выполненных исследований разработана система поддержки принятия решений при организации группового производства.
Совершенствование системы поддержки принятия решений при организации группового производства выполнено с использованием объектно-ориентированного подхода и принципов искусственного интеллекта.
В предлагаемой системе поддержки принятия решений при организации группового производства используется комбинированный способ представления знаний: продукционнофреймовый. Формализм представления инженерных знаний основан на использовании преимуществ фреймов и систем продукций. Фреймы положены в основу построения внешней языковой модели проблемной области и спецификации задач, а система продукций - в создание набора правил решения задач на базе фрейма.
Создание комплекса моделей системы поддержки принятия решений при организации группового производства на основе многоязыковой программной среды и объектноориентированного подхода, позволило наиболее адекватно описать реальные объекты и процессы.
Литература
109
1. Буч Г. Объектно-ориентированное проектирование с примерами применения: Пер. с англ.-М.: Конкорд, 1992.-519 с.
2. Минский М. Фреймы для представления знаний: Пер. с англ.-М.: Энергия, 1979.
3. Новиков Н.И. Объектно-ориентированный анализ процессов организационнотехнологического проектирования для групповых автоматизированных производств // «Проблемы развития естественных, технических и социальных систем» Материалы международной научной конференции-часть 3 - Таганрог: Изд-во «Антон», ТТИ ЮФУ, 2007
110
