CC BY
26
УДК 681.012 М. И. КАПЛУНОВ
УНИФИЦИРОВАННАЯ МОДЕЛЬ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ ДИСКРЕТНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Введение
Дискретное производство характеризуется физической дискретностью материальных потоков, наличием незавершенного производства и/или технологических заделов, соответствующих промежуточной продукции. Система управления таким производством в качестве одного из объектов управления использует некоторую материальную сущность, которая в ходе технологического процесса претерпевает изменения от материала до конечной продукции. Такая материальная сущность носит название объекта производства.
Объект производства - это продукт, который появляется в результате некоего производственного процесса. Например, деталь насоса, чугун, автомобиль и т.п. Объект производства - это физическая, материальная или финансовая сущность, которая возникает как результат переработки ресурсов и с помощью ресурсов. Помимо объекта производства в качестве объектов управления в дискретном производстве выступают производственные заказы, план производства, отдельные виды ресурсов.
От того, насколько правильно и удачно смоделирован сам объект управления, зависят не только объёмы работ по проектированию и реализации системы управления, но и успешные продажи, эксплуатация и развитие таких систем [5]. Традиционно моделирование объектов управления дискретного производства осуществлялось информационным моделированием отдельных объектов управления с установлением взаимосвязей и отношений между отдельными моделями [2]. Комплексная модель самого объекта дискретного производства состояла из отдельных структур, имитирующих информационный состав конструкторской и технологической документации. Такой, достаточно простой в проектировании и реализации подход к моделированию, и, как следствие этого, наличие в качестве базовой модели объекта управления множества различных по структуре информационных объектов вынуждал и вынуждает разработчиков проектировать индивидуальное программное обеспечение для реализации отдельных подсистем и задач управления. Вследствие этого значительно возрастают трудоемкость и затраты на разработку, эксплуатацию и развитие подобных автоматизированных информационных систем управления производством. Понятно, что унификация информационных структур, лежащих в основе модели объекта управления, унификация алгоритмов и операций по обработке таких унифицированных информационных структур позволит снизить трудоемкость и затраты на разработку и сопровождение систем управления производством. Актуальность проблемы обуславливается, помимо всего прочего, и тем, что на рынке практически отсутствуют отечественные промышленные программные продукты, реализующие функции системы управления производственными процессами.
Определения. Унифицированная модель объекта управления
Дадим определения некоторым важным понятиям и сущностям.
Учетные единицы (УЕ, Items, Item, Item-изделие) являются важнейшим базовым понятием автоматизированной системы управления производством [1] и являются объектами классов, участвующих в производственном или логистическом процессе как учетная материальная составляющая или как учетный объект управления, закупаемое или изготовляемое материальное изделие или вид затрат, услуг, участвующих в производственно-логистических процессах на предприятии:
- сырье и материалы (в том числе и энергоресурсы) - Item, item-материал, Item-purchase;
- изготавливаемые детали, узлы, изделия - Item-изделие, Items-Production;
- объекты основных фондов (ОС, в том числе и оборудование) - Items-fixed assets, Item-ОС;
- малоценные и быстроизнашивающиеся предметы (МБП, в том числе инструменты и приспособления);
- производственные заказы;
- план производства.
К учетным единицам относятся и нематериальные составляющие производственного процесса - затраты и услуги (Item-cost, Item-затрата), производственные заказы и план производства.
Ресурс - физическая, материальная, финансовая или технологическая сущности, применяя, обрабатывая и используя которые, пользователь может создавать новые сущности, в том числе и ресурсы. Каждый ресурс - это класс объектов со своим набором атрибутов и операций. Эти атрибуты включают в себя и единицу измерения ресурса. Каждый ресурс может иметь количественные параметры-атрибуты, временные параметры и стоимостные параметры (прямые и накладные). Операции ресурса должны включать в себя операцию, которая позволяла бы рассчитывать количественные, временные и стоимостные (прямые и накладные) параметры-атрибуты ресурса для входного количества ресурса. Ресурсы могут быть простые и сложные. Примерами ресурсов являются материалы (Item-материал), узлы (Item-изделие), оборудование (Item-ОС), персонал (Адрес), маршрутная технология, производственные площади, энергоресурсы и т.п. Понятие ресурса шире понятия учетных единиц. Ресурс является одним из объектов управления системы управления производством.
Простой ресурс не включает в себя никаких других ресурсов.
Сложный ресурс может включать в себя как простые ресурсы, так и другие сложные ресурсы.
Сущность взаимосвязей объектов управления дискретного производства характеризуют следующие
структурные особенности.
Взаимосвязь плана производства и производственных заказов реализуется простым двухуровневым деревом, т.е. отношением типа 1:n.
Рис. 1. Взаимосвязь плана производства и производственных заказов
Точно таким же отношением 1:n связаны объекты производственных заказов и объекты производства.
Рис. 2. Взаимосвязь производственного заказа и объектов управления Если внимательно проанализировать классическую модель объекта дискретного производства, то можно увидеть, что в её основе лежит дерево конструкции изделия (узла). В листьях этого дерева находятся изготавливаемые или покупные детали и прочие учетные единицы. Каждая изготавливаемая деталь (узел, изделие) соответственно связывается с некоторым количеством маршрутно-технологических карт для изготовления этой детали (узла, изделия) по основной и альтернативным технологиям. Каждая МТК также представляет собой дерево технологических операций и переходов. В листьях этого дерева находятся простые ресурсы, используемые в технологических операциях. Если продолжить логическую цепочку построения модели объекта производства, то непременно можно прийти к выводу, что объект производства,
по сути, представляет собой сложный ресурс. В общем, интуитивно это понятно. Трактор может быть объектом производства для тракторного предприятия, и тот же трактор будет всего лишь ресурсом для производства бульдозеров. Объект производства в математической модели может быть изображен деревом ресурсов с бесконечным уровнем входимости ресурсов друг в друга, в листьях которого расположены простые ресурсы. Важно же то, что взаимоотношения между объектами двух уровней иерархии описываются простой взаимосвязью 1:n, причем легко видеть, что это утверждение справедливо от взаимосвязи "план производства - производственные заказы" до взаимосвязи "технологическая операция - простые ресурсы". Можно предположить, что любой объект управления в системе управления производством можно представить в виде простого двухуровневого дерева. А полностью модель объекта управления может быть описана посредством схемы зависимости вхождения одних видов объектов управления в другие и схемы отношения объектов управления.
Схема зависимости объектов управления такой модели должна отображать входимость одних видов объектов управления в другие. По сути, такая схема зависимости отражает, какие виды объектов управления допустимы к использованию на ниженаходящемся уровне иерархии модели. Схема зависимости видов объектов управления может быть задана двухмерной таблицей.
Рис. 3. Схема зависимости видов объектов управления Конкретная входимость объектов управления в родительский объект управления может быть описана двухмерной таблицей, в которой будут заданы отношения между объектами управления. Причем, такие таблицы формально могут описать объект производства целиком: и конструкцию, и технологию. Такая схема отношений в ресурсной модели между объектами управления должна строиться с помощью схемы зависимости между видами объектов управления.
Схема отношений может быть формально описана таблицей.
Таблица 1. Шапка таблицы схемы отношений
Ссылка на К-во по N п/п в Ссылка на К-во по
объект объекту - списке объект объекту -
управления - приемнику управления - источнику
приемник источник
Приведем пример построения предлагаемой модели объекта производства. Например, перечень возможных видов классов - объектов управления:
- Item-production, Item-производство;
- Item-purchase, Item-закупка;
- Item-cost, Item-затрата;
- технологический процесс (Technological Process, TP, МТК);
- внутренняя технологическая операция в МТК;
- внешняя технологическая операция в МТК;
- оборудование;
- инструмент;
- трудовые ресурсы;
- описание технологического процесса;
- описание работ по операции;
- рабочее место;
- центр затрат;
- конструкторская документация (чертежи, спецификации);
- программа для ЧПУ.
С учетом применения вариантов изготовления изделия и альтернативных технологий схему зависимости видов объектов управления можно описать следующим образом. Таблица 2. Схема зависимости видов объектов управления
Вид объекта управления Вид объекта управления - источника Признак Признак
- приёмника варианта/ простого
альтернат. ресурса
Объект производства Item-production В
Item-production Item-production, Item-производство В
Item-purchase, Item-закупка В +
Item-cost, Item-затрата В +
технологический процесс А
Технологический внутренняя технологическая операция в МТК А
процесс внешняя технологическая операция в МТК А
описание технологического процесса А +
конструкторская документация (чертёж) А +
Внутренняя материал (Item-purchase, Item-закупка) А +
технологическая оборудование А +
операция в МТК инструмент А +
трудовые ресурсы А +
описание работ по операции А +
рабочее место А +
центр затрат А +
программа для ЧПУ А +
Внешняя Item-cost А +
технологическая
операция в МТК
Схема отношений объектов при такой схеме зависимости может быть описана следующим образом. Таблица 3. Схема отношений объектов управления
Вид Ссылка К-во N п/п в Ссылка на Ссылка на Вид Ссылка К-во Пр-к
объекта- на объекта- списке вариант альтерн. объекта- на объекта- сложного
приёмника объект - приёмника изготовления технологию источника объект- источника ресурса
приём- источник
ник
Item-prod Iteml 1 1 Типовой Item-prod Item2 2 +
2 Типовой Item-prod Item3 4 +
3 Типовой Item-purch Item4 2 +
4 Типовая Тех. пр. TpItem1 1 +
Item-prod Item2 1 1 Типовой Item-prod Item5 1 +
2 Типовой Item-purch Item6 +
3 Типовая Тех. пр. TpItem2 1 +
Item-prod Item3 1 1 Типовая Тех. пр. TpItem3 1 +
Item-prod Item5 1 1 Типовая Тех. пр. TpItem5 1 +
Item-purch Item4 1 1 Типовая Тех. пр. TpItem4 1 +
Item-purch Item6 1 1 Типовая Тех. пр. TpItem6 1 +
Тех. пр. TpIteml 1 1 Типовая Int. op Op1 1 +
2 Типовая Int. op Op2 1 +
3 Типовая Item-purch Item6 1 +
Тех. пр. TpItem2 1 1 Типовая Int. op Op1 1 +
2 Типовая Int. op Op2 1 +
3 Типовая Item-purch Item6 1 +
Тех. пр. TpItem3 1 1 Типовая Int. op Op1 1 +
2 Типовая Int. op Op2 1 +
3 Типовая Item-purch Item6 1 +
Тех. пр. TpItem5 1 1 Типовая Int. op Op1 1 +
2 Типовая Int. op Op2 1 +
3 Типовая Item-purch Item6 1 +
Тех. пр. TpItem4 1 1 Типовая Ext. op Ext1 1 -
Тех. пр. TpItem6 1 1 Типовая Ext. op Ext2 1 -
Ext. op Ext1 1 1 Типовой Типовая Item-cost Пост1 1 +
Ext. op Ext2 1 1 Типовой Типовая Item-cost Пост2 1 +
Int. op Op1 1 1 Типовой Типовая Труд. рес. Т1 1 -
2 Типовой Типовая Оборуд. Об1 1 -
3 Типовой Типовая Инстр. Ин1 1 -
4 5 Типовой Типовой Типовая Типовая Центр зат. Раб. м. ЦЗ1 РМ1 1 1 -
!п! ор Ор2 1 1 Типовой Типовая Труд.рес. Ф1 1 -
2 Типовой Типовая Оборуд. Об2 1 -
3 Типовой Типовая Инстр. Ин2 1 -
4 Типовой Типовая Центр зат. ЦЗ2 1 -
5 Типовой Типовая Раб .м. РМ2 1 -
Наглядно видно, что в уже сформированную модель объекта производства можно легко добавить новый ресурс. Для этого описывается класс нового ресурса, затем он вводится в схему зависимости объектов, и добавляются записи в схему отношений между объектами.
Очень важным достоинством такой модели объекта управления, помимо простоты описания и составления, является возможность использования единственного унифицированного алгоритма обработки используемой информации - разузловки. "Разузловка" - это фактически метод класса "Схема отношений объектов". Метод "Разузловка" позволяет представить объект управления в виде дерева до самого нижнего уровня иерархии, когда в листьях дерева будут находиться простые ресурсы. Формально понятно, что класс "Схема отношений объектов" - это, по сути, двухмерная таблица для каждого объекта-источника. Признак сложного ресурса в строке такой таблицы означает, что должны существовать ещё записи таблицы, описывающие состав объекта с таким номером учетной единицы, как в этой строке. Это требование обязательно для корректной отработки метода "Разузловка".
Метод "Разузловка" является ключевым и важнейшим для всей автоматизированной системы управления дискретным производством. Практически все задачи управления производством базируются на этом методе и используют результаты его работы. Во внешнем представлении результат "разузловки" отображается связанным списком, каждый элемент которого содержит набор данных:
- номер элемента списка;
- номер уровня иерархии;
- номер элемента списка, предшествующего данному уровню иерархии элемента списка;
- ссылка на объект управления;
- рассчитанное количество в "разузловке";
- признак сложного объекта-ресурса;
- ссылка на предыдущий элемент в списке;
- ссылка на последующий элемент в списке.
Предлагаемый алгоритм "разузловки" строится на рекурсивной процедуре извлечения из базы данных (БД) информации по объектам класса "Схема отношений объектов". Предлагаемые алгоритм метода "Разузловка" и структура внешнего представления результатов работы метода, в отличие от большинства используемых аналогичных алгоритмов, позволяет, помимо решения традиционной задачи "Состав объекта управления", решить ещё одну чрезвычайно важную для производства задачу - сохранить в связанном списке топологию иерархической структуры изделия. Именно этот фактор и позволяет говорить о возможности автоматического построения сетевого графика исполнения изделия [4], а через него и об автоматическом построении сетевых графиков исполнения производственных заказов и плана производства в целом. Алгоритм метода "разузловки" представлен на рис. 5.
Метод "Разузловка" является универсальным. "Разузловку" можно произвести, начиная с любого уровня иерархии, т.е. иерархию входимости объектов можно получить и для узла, и для изделия, и для производственного заказа, и для плана производства. Метод "Разузловка" может быть применен, и результаты его работы могут быть использованы в:
- расчетах потребности в объектах управления (ресурсах) в любых разрезах;
- расчетах плановой себестоимости;
- расчетах сроков планирования запуска изделий в производство;
- прочих задачах управления.
Покажем, как работает метод "Разузловки" для примера, представленного в табл. 3. Предположим, что мы
задаем следующие входные параметры:
Таблица 4. Входные данные для метода "Разузловка"
Вид объекта-приёмника Номер объекта -приёмника Количество объекта -приёмника Номер варианта изготовления Номер альтернативной технологии
Item-prod Кет1 4 Типовой Типовая
Начало
/Получение, установка исходных данных:
- вид объекта управления-приемника
- номер объекта управления;
- количество к "разузловке";
- номер варианта изготовления;
- номер альтернативной технологии.
I
-Да^ Конец J
Нет
Рис. 5. Алгоритм разузловки в унифицированной модели объекта управления Результат разузлования для входных параметров, заданных в таблице 4 - объекта ^ет1 в количестве 4 и данных в табл. 3 должен быть следующим:
Таблица 5. Результат разузловки для данных примера
Номер Сквозной Тип Пр-к Номер Номер Номер объекта Кол-во Ссылка
уровня номер объекта сложн. вар. альт. объектов на
входим. объекта изготовл. технол. объект
1 1 Item-pr + Тип Тип Item2 8 Ref
2 1.1 Item-pr + Тип Тип Item5 8 Ref
3 1.1.1 Тех. пр. + Тип Тип TpItem5 8 Ref
4 1.1.1.1 Int. op + Тип Тип Op1 8 Ref
5 1.1.1.1.1 Тр. рес. - Тип Тип T1 8 Ref
5 1.1.1.1.2 Оборуд. - Тип Тип Об1 8 Ref
5 1.1.1.1.3 Инстр. - Тип Тип Ин1 8 Ref
5 1.1.1.1.4 Центр з. - Тип Тип ЦЗ1 8 Ref
5 1.1.1.1.5 Раб. м. - Тип Тип РМ1 8 Ref
4 1.1.1.2 Int. op + Тип Тип Op2 8 Ref
5 1.1.1.2.1 Тр. рес. - Тип Тип T2 8 Ref
5 1.1.1.2.2 Оборуд. - Тип Тип Об2 8 Ref
5 1.1.1.2.3 Инстр. - Тип Тип Ин2 8 Ref
5 1.1.1.2.4 Центр з. - Тип Тип ЦЗ2 8 Ref
5 1.1.1.2.5 Раб. м. - Тип Тип РМ2 8 Ref
4 1.1.1.3 Item-purch + Тип Тип Item6 8 Ref
5 1.1.1.3.1 Тех. пр. + Тип Тип TpItem6 8 Ref
6 1.1.1.3.1.1 Ext. op + Тип Тип Ext2 8 Ref
7 1.1.1.3.1.1.1 Item-cost + Тип Тип Пост2 8 Ref
2 1.2 Item-purch + Тип Тип Item6 24 Ref
3 1.2.1 Тех. пр. + Тип Тип TpItem6 24 Ref
4 1.2.1.1 Ext. op + Тип Тип Ext2 24 Ref
5 1.2.1.1.1 Item-cost + Тип Тип Пост2 24 Ref
2 1.3 Тех. пр. + Тип Тип TpItem2 8 Ref
3 1.3.1 Int. op + Тип Тип Op1 8 Ref
4 1.3.1.1 Тр. рес. - Тип Тип T1 8 Ref
4 1.3.1.2 Оборуд. - Тип Тип Об1 8 Ref
4 1.3.1.3 Инстр. - Тип Тип Ин1 8 Ref
4 1.3.1.4 Центр з. - Тип Тип ЦЗ1 8 Ref
4 1.3.1.5 Раб .м. - Тип Тип РМ1 8 Ref
3 1 ..3.2 Int. op + Тип Тип Op2 8 Ref
4 1 ..3.2.1 Тр. рес. - Тип Тип T2 8 Ref
4 1 ..3.2.2 Оборуд. - Тип Тип Об2 8 Ref
4 1 ..3.2.3 Инстр. - Тип Тип Ин2 8 Ref
4 1 ..3.2.4 Центр з. - Тип Тип ЦЗ2 8 Ref
4 1.3..2.5 Раб. м. - Тип Тип РМ2 8 Ref
3 1.3.3 Item-purch + Тип Тип Item6 8 Ref
4 1..3.3.1 Тех. пр. + Тип Тип TpItem6 8 Ref
5 1..3.3.1.1 Ext. op + Тип Тип Ext2 8 Ref
6 1..3.3.1.1.1 Item-cost + Тип Тип Пост2 8 Ref
1 2 Item-prod + Тип Тип Item3 16 Ref
2 2.1 Тех.пр. + Тип Тип TpItem3 16 Ref
3 2.1.1 Int.op + Тип Тип Op1 16 Ref
4 2.1.1.1 Тр.рес. - Тип Тип T1 16 Ref
4 2.1.1.2 Оборуд. - Тип Тип Об1 16 Ref
4 2.1.1.3 Инстр. - Тип Тип Ин1 16 Ref
4 2.1.1.4 Центр з. - Тип Тип ЦЗ1 16 Ref
4 2.1.1.5 Раб.м. - Тип Тип РМ1 16 Ref
3 2.1.2 Int.op + Тип Тип Op2 16 Ref
4 2.1.2.1 Тр.рес. - Тип Тип T2 16 Ref
4 2.1.2.2 Оборуд. - Тип Тип Об2 16 Ref
4 2.1.2.3 Инстр. - Тип Тип Ин2 16 Ref
4 2.1.2.4 Центр з. - Тип Тип ЦЗ2 16 Ref
4 2.1 ..2.5 Раб. м. - Тип Тип РМ2 16 Ref
3 2.1.3 Item-purch + Тип Тип Item6 16 Ref
4 2.1.3.1 Тех. пр. + Тип Тип TpItem6 16 Ref
5 2.1.3.1.1 Ext. op + Тип Тип Ext2 16 Ref
6 2.1.3.1.1.1 Item-cost + Тип Тип Пост2 16 Ref
1 3 Item-purch + Тип Тип Item4 8 Ref
2 3.1 Тех. пр. + Тип Тип TpItem4 8 Ref
3 3.1.1 Ext. op + Тип Тип Ext11 8 Ref
4 3.1.1.1 Item-cost + Тип Тип Пост1 8 Ref
1 4 Тех. пр. + Тип Тип TpItem1 4 Ref
2 4.1 Int.op + Тип Тип Op1 4 Ref
3 4.1.1 Тр.рес. - Тип Тип T1 4 Ref
3 4.1.2 Оборуд. - Тип Тип Об1 4 Ref
3 4.1.3 Инстр. - Тип Тип Ин1 4 Ref
3 4.1.4 Центр з. - Тип Тип ЦЗ1 4 Ref
3 4.1.5 Раб. м. - Тип Тип РМ1 4 Ref
2 4.2 Int. Op + Тип Тип Op2 4 Ref
3 4.2.1 Тр. Рес. - Тип Тип T2 4 Ref
3 4.2.2 Оборуд. - Тип Тип Об2 4 Ref
3 4.2.3 Инстр. - Тип Тип Ин2 4 Ref
3 4.2.4 Центр з. - Тип Тип ЦЗ2 4 Ref
3 4..2.5 Раб. м. - Тип Тип РМ2 4 Ref
2 4.3 Item-purch + Тип Тип Item6 4 Ref
3 4.3.1 Тех. пр. + Тип Тип TpItem6 4 Ref
4 4.3.1.1 Ext. op + Тип Тип Ext2 4 Ref
5 4.3.1.1.1 Item-cost + Тип Тип Пост2 4 Ref
В результате работы алгоритма "разузловки" получен связанный список, содержащий не только состав объектов-ресурсов, необходимых для изготовления изделия, но и топологию дерева объектов, что в конечном итоге позволит автоматически построить сетевой график изготовления изделия.
Выводы
Основная идея предложения заключается в предположении относительно иерархичности ресурсов и объектов управления дискретным производством и использовании универсального алгоритма "разузловки", позволяющего получить это дерево объектов. На основе данной идеи предложена унифицированная модель объекта управления.
Привлекательность такой унифицированной модели объекта управления очевидна, а именно:
- универсальность предлагаемой модели, которая может быть использована для любого типа производств - от машиностроения до производства мороженого;
- объект управления, в широком понимании, может быть произвольным: как изделием (объект класса Item-production), производственным заказом (объект класса Item-order), так и договором (объект класса Item-contract), либо отдельно выполняемой работой, описываемой отдельным классом;
- простота моделирования;
- один-единственный алгоритм "разузловки" для обработки данных модели;
- легкость включения в модель новых типов ресурсов.
Для того, чтобы смоделировать и описать объект любого производства, необходимо:
- описать классы объектов управления;
- составить и задать схему зависимости видов объектов управления;
- задать схему отношений между объектами.
Результаты "разузловки" можно использовать самым разнообразным способом. Необходимо отметить, что из результатов "разузловки" достаточно просто можно извлечь, в частности, разузлованную конструкторскую спецификацию.
Очень перспективным является использование предлагаемой модели объекта управления в производствах и задачах, сводящихся к анализу наличия и использования различных видов ресурсов. Эта перспектива обуславливается простотой и универсальностью модели, а именно: вся информация об объекте производства укладывается в одной таблице, и обработка информации производится одним методом -методом "разузловки".
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Колесников С.Н. Стратегия бизнеса. - Москва: Статус-Кво 97, 1999. - 169 с.
2. Колянов Г.Н. Консалтинг при автоматизации предприятий. - Москва: Синтег, 1997. - 316 с.
3. Кристофидес Н. Теория графов: Пер. с англ. - Москва: Мир, 1978. - 432 с.
4. Зуховицкий С.И., Радчик И.А. Математические методы сетевого планирования. - Москва: Наука, 1965. - 296 с.
5. Гуриев В. Системы класса ERP; Internet | http://www.computerra.ru/.
