CC BY
47
СМіим мучных пуди 2011
СИТУАЦИОННЫЙ ПОДХОД К УПРАВЛЕНИЮ СТРУКТУРНОЙ ДИНАМИКОЙ В ЦЕПЯХ ПОСТАВОК ВИРТУАЛЬНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ*
1 О
Б.В. Соколов1, А.Я. Фридман, О.В. Фридман, Е.Г. Цивирко2
Современный рынок характеризуется ориентацией на полное удовлетворение потребностей клиентов и индивидуализацией продуктов, глобализацией и интеграцией бизнеса, сокращением времени внедрения инноваций и жизненного цикла изделий, информатизацией. Это приводит к развитию интегрированных производственных и логистических систем, адекватных динамике современного рынка и построенных на принципах стратегического взаимодействия, специализации и кооперации с использованием информационных технологий. В подобных условиях на рынке конкурируют уже не столько отдельные предприятия, сколько продукты или услуги, как следствие, конкуренция перемещается из сферы предприятий в сферу логистических цепей (supply chains), производящих продукцию и предлагающих ее на рынке [13]. Логистическую цепь (ЛЦ) можно определить как совокупность последовательно выполняемых различными предприятиями производственных и логистических бизнес-процессов (ПЛБП) для изготовления и реализации конечного продукта или услуги. Основная идея концепции SCM (Supply Chain Management - управление логистическими цепями) заключается в интеграции всех участников процесса создания конечного продукта (в западной терминологии - процесса создания стоимости) в единую цепь на основании отношений «поставщик-потребитель». SCM - это системный подход к интегрированному планированию и управлению всем потоком информации, материалов и услуг от поставщиков сырья через предприятия и склады до конечного потребителя. Учитывая сложность и комплексность бизнес-процессов в ЛЦ, а также ключевую роль координации и взаимодействия в концепции SCM, важной составной частью идеологии управления ЛЦ является информационная поддержка в виде интегрированных систем управления классов ERP, APS, MES и SCM, а также Интернет-технологий B-2-B, E-Commerce, C-Commerce.
Модель ПЛБП, представленная в [8], может быть расширена на задачу комплексного планирования в пространственно распределенной системе реальных предприятий с целью создания виртуальных
"Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 09-07-00066), Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН (проект 2.3 в рамках текущей Программы фундаментальных научных исследований) и Президиума РАН (проект 4.3 Программы .№3).
^-Петербургский Институт информатики и автоматизации РАН.
2 Администрация, г. С-Петербург.
предприятий (ВП) [7]. Эта задача рассматривается в классе задач управления структурной динамикой ПЛБП и требует многокритериальной оптимизации производительности ПЛБП, а также перераспределения функций управления ПЛБП между вершинами продукционной сети. Виртуальное предприятие - это динамическая открытая бизнес-система (рис.), построенная на основе интернет-технологий и технологических ресурсов (компетенций), временно объединенных на принципах кооперации в рамках единого информационного (виртуального) пространства и принадлежащих автономным экономическим агентам (реальным предприятиям) [1]. На основании кооперации, координации и оперативного распределения этих ресурсов предприятия способны производить конечный продукт или услугу. Основное предназначение виртуальных предприятий состоит во временном совместном динамическом использовании определенным кругом физических и юридических лиц части своих ресурсов с целью получения прибыли от реализации общей задачи.
Обобщенное описание структуры виртуального предприятия
Состояние исследований рассматриваемой проблемы
К основным тенденциям развития концепции SCM относятся стандартизация, виртуализация и интеллектуализация.
В настоящее время происходит эволюция ЛЦ с уровня «обычной» системы (для которой структура и характер взаимодействий между предприятиями являются статическими) до уровня «интеллектуальной» (где эти структуры и взаимодействия являются динамическими).
Структура и функции ЛЦ в ВП формируются динамически в соответствии с требованиями клиентов и потенциальными возможностями предприятий-участников ВП. На содержательном уровне суть проблемы структурно-функционального синтеза ЛЦ в ВП состоит в нахождении наиболее предпочтительного варианта структуры ЛЦ с необходимыми функциональными возможностями (компетенциями) в соответствии с параметрами заказа клиента.
Современные концепции структурирования ВП основаны на идеи комплексирования элементарных автономных элементов, происхождение которых базируется на концепциях систем производственных «ячеек» [11] и холостических производственных систем [16]. Указанные концепции исходят из того, что совокупность взаимодействующих автономных элементов (ячеек, агентов, холонов) способна реализовывать не только процессы оперативного планирования и управления в ЛЦ, но и процессы формирования структуры ЛЦ. Это означает, что при функционировании агенты способны накапливать некоторые знания, которые используют в дальнейшем для улучшения структуры выполняемых процессов. Применительно к ВП, подобные элементы получили название компетенц-единиц, а их функциональные возможности - компетенций [15]. Структура ЛЦ формируется в результате взаимодействия различных компетенц-единиц, которые определяются их индивидуальными целями с учетом имеющихся функциональных возможностей (компетенций) и ограниченных ресурсов. В последние годы были разработаны методы, модели и алгоритмы для таких задач, как моделирование динамики ЛЦ [14], гибкое структурирование ЛЦ [17], координация в ЛЦ в ВП [10], распределенное динамическое оперативно-календарное планирование ЛЦ [12], взаимодействие информационных ресурсов в ЛЦ [2]. В этих исследованиях, однако, основное внимание было уделено технико-информационным аспектам функционирования ВП. Кроме того, структурная и функциональная стадии синтеза ЛЦ в ВП рассматривались отдельно, на основе различных, не связанных друг с другом методов и моделей. При таком решении задач структурно-функционального синтеза ЛЦ в ВП требуется каждый раз проводить оценивание погрешностей, вызванных такого рода декомпозицией. В указанных условиях особую значимость приобретают вопросы обобщенного описания рассматриваемой проблемы.
Формальное описание проблемы
Предлагаемая общая технология оперативнотактического планирования и управления структурной динамикой цепей поставок для функционирования ВП включает следующие этапы:
• структурно-функциональный синтез конфигураций ЦП, планов и расписаний;
• структурную и параметрическую адаптацию моделей и алгоритмов планирования к прошлым и текущим состояниям ЦП и окружающей среды;
• составление расписаний ЦП, конструирование программ управления структурной динамикой ЦП, имитацию возможных сценариев функционирования ЦП по разработанным расписаниям, структурную и параметрическую адаптацию последних к предсказанным имитационными моделями [3, 4] состояниям ЦП и окружающей среды.
К особенностям ЦП относятся множественность структуры и изменчивость структурных характеристик под влиянием объективных и субъективных факторов на различных стадиях жизненного цикла ЦП. Это требует исследования ЦП как мультиструк-турного процесса.
Согласно теории управления структурной динамикой [3], оно включает управление, как состояниями, так и структурой объекта. Предлагаемый подход к решению проблемы управления ЦП в общем контексте управления структурной динамикой позволяет:
- непосредственно связывать общие цели функционирования ВП с целями реализуемых внутри ЦП процессов управления;
- обосновывать выбор адекватной последовательности задач, которые необходимо решить, и операций, которые требуется выполнить, для реализации нужной структурной динамики (иными словами, синтез и развитие метода управления ЦП);
- находить компромиссные решения по распределению ограниченных ресурсов для произвольного управления структурной динамикой.
Основная идея управления структурной динамикой заключается в функционально-структурном подходе к описанию объектов различной природы. В то же время, задачи управления структурной динамикой представляют собой обобщение задач структурно-функционального синтеза, которые традиционно формулируются в области автоматизации сложных организационно-технических комплексов.
Рассматриваемые комплексные модели управления ВП обеспечивают унифицированную технологию анализа и оптимизации разнородных процессов, касающихся планирования и реализации ЦП. Основное преимущество этих моделей состоит в том, что структурные и функциональные ограничения на управление ЦП задаются в явном виде. Общий концептуальный базис способствует конструированию комплекса унифицированных динамических моделей для управления ЦП, которые описывают функционирование ЦП с учетом процессов производственного сотрудничества. Единое описание разнообразных процессов управления позволяет одновременно синтезировать различные структуры ЦП и, более того, устанавливать отношения зависимости между технологией управления, применяемой к ЦП, и целями управления. Важно отметить, что предлагаемый подход распространяет новые научные и практические результаты, полученные современной теорией управления, на область управления ЦП.
Для формального описания проблемы структурно-функционального синтеза логистических цепей в виртуальном предприятии введем следующие множества:
В = {В^ г еМ = {1,..., т}} - множество реальных предприятий (РП) (объектов первого типа); В ={5|.,/еМ ={1,...,й}} - множество заказов (множество объектов второго типа), выполняемых виртуальным предприятием, образованным на основе ресурсов (каналов) РП; В = В и В - множество объектов, рассматриваемых при структурно -
функциональном синтезе логистических цепей в ВП; С = {С[1),1еЛ1,/'еМ} - множество каналов (аппаратно-программных и технико-технологических средств), имеющихся на ВП и используемых при выполнении соответствующих заказов;
С ={С)(0ДёЛ|.,/ёМ} - множество атрибутов, параметров выполняемых заказов;
Б = ф(с) и{£)^)},/',у еМ,дгеК\0) - множество макро-операций и операций, выполняемых в ВП; О(0 = ее1,м= -5,,,, л\ ) - множество опе-
раций, входящих в состав соответствующей ЛЦ и вьшолняемых при реализации д. заказа;
п(сЛ)= 41%%}и{1?^}и{фз)}1
\е М,м> е Ы)¥<0,/ еШ(ц'),г/1е ЫН1 - множество макро-операций, выполняемых при функционировании сети ВП; (1)^} - множество макро-операций,
описывающих процесс функционирования ВП И, в макро-состоянии на гц-м цикле управления; М |1.....шXII" |1....... к$}, },
ЫН = {1,...,®!} - соответственно множества номеров ВП, номеров макро-состояний объекта ВП В, номеров мест ВП В,■ в макро-состоянии с номером «\г». номеров циклов управления ВП В;, {Б^} -
множество вспомогательных макро-операций; Ц/1} - множество макро-операций, описывающих
процесс перехода ВП Bi из текущего макро-состояния Л’,,,'," в требуемое макро-состояние
ф= ^)}и{Ф^)},/еМ, п е К(*’г> = {1,..., £(рД)},
/Л £ 4^,(р,2) = {1 ,...Д,(рД)} - множество ресурсов, используемых в ВП при выполнении соответствующих заказов; Ф5'(,) = фл'^'.тгс А’:1’-11 -множество не складируемых ресурсов, используемых на ВП В(,); ФМ^ = фл/г^\|аеАТ1(р’2) -множество складируемых
ресурсов, используемых на ВП В(,); р= \
- множество потоков, образующихся при функционировании сети ВП; рО) = <Ь(0 \/ем,эг'еК<:0),реК(п) - множество
ч <33 ’ I ~ I _
внутренних потоков (энергетических, вещественных, информационных), образующихся при функциони-
ровании ВП 5(,); РЫ) = ^)>,/, ] еМ,М, ре Кг(п) -
множество потоков (энергетических, вещественных, информационных), образующихся при выполнении заказа на ВП //' О = ,%<= Ш - множество
возможных типов структур как ЛЦ, так и ВП, среди которых, в первую очередь, выделяются топологическая, технологическая (функциональная), организационная и техническая структуры, структуры программно-математического и информационного обеспечения.
Для связи перечисленных множеств друг с другом используется динамический альтернативный мультиграф, описанный в [6]. Графовая интерпретация рассматриваемых задач управления структурной динамикой ЛЦ в ВП в этом случае сводится к поиску такого многоструктурного состояния 5д £ {5ь Бк } и такой последовательности
(композиции) выполнения операций отображения многоструктурных состояний сети ВП друг на друга во времени, при которых обеспечивается выбор и реализация оптимальной (с точки зрения обобщённого показателя эффективности [6]) программы управления структурной динамикой ЛЦ в ВП, обеспечивающей переход всей динамической системы ВП из заданного в требуемое многоструктурное состояние.
С целью учета возможных отказов и опасных ситуаций мы выдвигаем гипотезу, что их моделирование следует базировать на модели нормального функционирования ПЛБП, поскольку опасности возникают из обычных режимов работы либо при выходе некоторых параметров за допустимые пределы, либо при появлении запрещенного сочетания параметров. Моделирование производится в обобщенном дискретном пространстве, метрика которого формируется экспертным путем и позволяет исследовать как числовые, так и шкалированные переменные [9]. В такой постановке общая степень опасности для некоторого объекта (ситуации) может быть оценена как взвешенная сумма весов опасных значений ресурсов, связанных с этим объектом (ситуацией), с применением того же критерия и алгоритмов, которые используются для классификации ситуаций [5]. Для предупреждения возникновения и минимизации последствий техногенных аварий авторами разработана информационная технология поддержки принятия решений о модификации структуры ПЛБП, обеспечивающая автоматизированный синтез сценариев аварий и оценку риска с учетом природноклиматических воздействий и человеческого фактора [4]. Вопросы координации локально организованной иерархической системы динамических объектов исследованы в [5].
Указанный подход позволяет унифицировать программную среду исследования нормальных и критических режимов ПЛБП, а также повысить степень детальности анализа опасных ситуаций и сценариев до отдельного ресурса, что увеличивает возможность выявления многократных и комбиниро-
ванных отказов, приводящих, как показывает практика, к наиболее тяжелым последствиям.
К настоящему времени предложено несколько направлений конкретизации разработанной теоретико-множественной модели управления структурной динамикой применительно к сложным техническим системам. Предварительный анализ показывает, что указанные научно-практические результаты можно использовать при решении проблемы структурнофункционального синтеза ЛЦ в ВП.
В целом, применение ситуационного подхода к моделированию промышленных бизнес-процессов и цепей поставок посредством многокритериального операционного планирования в контексте управления структурной динамикой виртуального предприятия обладает следующими преимуществами: динамическая интерпретация оперативного планирования для виртуального предприятия обеспечивает детальное описание и исследования взаимоотношений и взаимодействий бизнес-процессов с процессами обработки, хранения и обмена информацией; цели планирования могут быть непосредственно соотнесены с целями бизнес-процессов, что обосновывает выбор операций структурной динамики (технологии управления виртуальным предприятием); могут быть найдены эффективные компромиссные решения по распределению управляющих функций среди элементов цепей поставок, в том числе с учетом реконфигурации в случае отказов.
Литература
1. Иванов, Д.А. Виртуальные предприятия и логистические цепи: комплексный подход к организации и оперативному управлению в новых формах производственной кооперации /Д.А. Иванов. -СПб.: Изд-во СПбГУЭФ, 2003. - 86 с.
2. Некрасов, А.Г. Взаимодействие информационных ресурсов в логистических цепочках поставок (на примере транспортной отрасли)/ А.Г. Некрасов. -М.: Изд-во «Техполиграфцентр», 2002. - 205 с.
3. Охтилев, М.Ю. Интеллектуальные технологии мониторинга и управления структурной динамикой сложных технических объектов / М.Ю. Охтилев, Б.В. Соколов, Р.А. Юсупов. - М.: Наука, 2006.
- 410 с. 1БВМ 978-1-84882-951-0.
4. Соколов, Б.В. Комплексное моделирование катастрофоустойчивых информационных систем / Б.В. Соколов, А.Я. Фридман // Теория и практика системной динамики: тр. 111-ей Всерос. научной конф. г. Апатиты, 30 марта - 2 апреля 2009. -Апатиты: КНЦ РАН, 2009. - С.41-47.
5. Фридман, А.Я. Достаточные условия координи-руемости локально организованной иерархии динамических систем / Искусственный интеллект. Интеллектуальные системы (ИИ-2009): материалы Х Междунар. научно-технической конф. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - С.115-117.
6. Фридман, А.Я., Фридман, О.В. Моделирование безопасности на основе модели нормального функционирования I А.Я. Фридман, О.В. Фридман // Моделирование и анализ безопасности и риска в сложных системах: тр. Междунар. науч. школы МАБР - 2007, 4-8 сентября 2007 г. - СПб: Изд-во ГУАП, 2007. - С.165-170.
7. Arkhipov, A. Intelligent supply chain planning in ‘virtual organization’ I A. Arkhipov, D. Ivanov, B. Sokolov IIProceedings of 5th IFIP Working Conference on Virtual Enterprises (PRO-VE’04), Toulouse, France, August 22-27, 2004. -Vol.S, part S. -Р.215-224
S. Sokolov, B., Fridman A. Integrated Situational Modelling of Industry-Business Processes for Every Stage of Their Life Cycle II Proceedings of 4th International IEEE Conference “Intelligent Systems” (IS 2008), Varna, Bulgaria, September б-S, 200S, Vol.1. - Р^-40.
9. Fridman, A., Fridman О. Situative Approach to Modelling of Performance and Safety in Nature-Technical Complexes II Applied Information Technology Research - Articles by Cooperative Science Network (ed. by Juha Lindfors): University of Lapland, Finland, 2007. - Р.44 - 59. ISBN 952-4S4-046-4. ISSN 179б-4474.
10. Gangli, Q., Jiaben Y. Temporal Decentralized Co-Evolutionary Learning Agent Model for Enterprises Collaborative System II In Proceedings of the 13 th International Conference on flexible Automation & Intelligent Manufacturing, Tampa, USA, 2003, -P.679-6S7.
11. Shaw, M.J.P. Dynamic scheduling in cellular manufacturing systems: a framework for networked decision making I International Journal of Production Research, 19S7, №7. -Р^3-94.
12. Silva, C.A, Runkler T., Sousa J.M., Palm R. Optimization of logistic processes using ant colonies. Proceedings of Agent-Based Simulation, №3. -Р.143-Ш.
13. Supply Chain Council (2000): SCOR Operations Reference-Model. Overview of SCOR Version б.0, http:IIwww.supply-chain.org.
14. Swaminathan, J.M, Smith S.F, Sadeh N.M. Modeling Supply Chain Dynamics: A Multiagent Approach II Decision Science, 199S, № 29(3). -Р.607-632.
15. Teich, T. Extended Value Chain Management (EVCM) - Ein Konzept zur Koordination von Wert-schopfungsnetzen II Habilitationsschrift, TU Chemnitz, Fakultat fur Wirtschaftswissenschaften, Februar 2003.
16. Wang, L., Norrie D.H. Process Planning and Control in a Holonic Manufacturing Environment. Journal of Applied Systems Studies, 2001, №2(1). -P.106-126.
17. Zeng, D.D., Sycara K.P. Agent-Facilitated Real-Time Flexible Supply Chain Structuring II Proceedings of Workshop on Agent Based Decision-Support for Managing the Internet-Enabled Supply-Chain, Seattle, Washington, 1999. -F.21-2S.
