Разработка имитационной модели и программного комплекса обработки потоковой информации производственного типа

1. Предложен и обоснован новый концептуально-логистический подход, с помощью которого построена объектно-структурная модель СОПИМП, являющаяся основой для концептуального моделирования системы и представляющая собой ориентированное по материальному потоку дерево, узлы которого обозначают реальные и виртуальные склады, размещенные в соответствии со схемой технологического процесса.

2. Разработана математическая модель элементарного звена СОПИМП - склада-модуля, представляющая собой модель расчета остатков хранящихся в нем товарно-материальных ценностей (ТМЦ).

3. Разработана методика построения эталонной модели СОПИМП, упрощающая процесс создания концептуальной модели системы и повышающая эффективность ее использования на уровнях логического и физического моделирования.

4. Разработана имитационная модель СОПИМП, являющая основой для построения программного комплекса обработки потоковой информации в многопередельном производстве.

Практическая значимость исследования. Разработан ПКОПИ в многопередельном производстве, реализующий функции сбора и обработки учетно-аналитической информации и содержащий гибкие средства построения и модифицирования моделей учета материальных потоков. С помощью данных, полученных в результате вычислительного эксперимента, проведенного на программном комплексе, могут быть своевременно выявлены сверхнормативные технологические потери на ПМТП и выработаны меры по их снижению.

Результаты работы могут найти практическое применение при проектировании автоматизированных систем обработки учетно-аналитической информации для различных ПМТП.

Внедрение результатов работы. Разработанные в диссертационной работе имитационная модель и программный комплекс внедрены в автоматизированную систему производственного учета ООО «Декор-Авто» г. Тольятти, в проект автоматизации и планирования на предприятии ООО «Профтраст» г. Тольятти и в систему автоматизации страховой деятельности ОАСО «АСтрО - Волга» г. Тольятти.

Теоретические и практические результаты работы используются в учебном процессе на кафедре информатики и вычислительной техники Тольяттинского государственного университета.

Внедрение результатов работы подтверждается актами внедрения.

Личный вклад автора. Решение поставленных задач в диссертационной работе, анализ результатов и выводы из них получены автором самостоятельно.

Достоверность результатов, представленных в диссертации, подтверждается корректностью применения математического аппарата и результатами компьютерного моделирования.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались на 2-й Международной научно - технической конференции «Информатизация процессов формирования открытых систем на основе СУБД, САПР, АСНИ и систем искусственного интеллекта» г. Вологда, 2003 г. и на Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и экономике» г. Якутск, 2005 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 работ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Имитационная модель СОПИМП, имеющая трехуровневое представление в виде: эталонной модели на концептуальном уровне представления, визуальной объектной модели на логическом уровне представления и реляционной модели данных и программного комплекса - на физическом уровне представления.

2. Математическая модель элементарного звена СОПИМП «склада-модуля», представляющая собой модель расчета остатков хранящихся в нем ТМЦ.

3. Методика построения эталонной модели СОПИМП, упрощающая процесс создания концептуальной модели системы и повышающая эффективность ее использования на уровнях логического и физического моделирования.

4. Программный комплекс обработки потоковой информации в многопередельном производстве, разработанный на основе имитационной модели СОПИМП и предназначенный для проведения вычислительного эксперимента, с помощью данных которого могут быть своевременно выявлены сверхнормативные технологические потери на ПМТП и выработаны меры по их снижению.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и 4 приложений. Общий объем диссертации составляет 131 страницу, основной текст изложен на 120 страницах. обработка потоковый информация имитационный

Содержание работы

Во введении приводится обоснование актуальности темы, формулируется цель работы, указывается научная новизна и практическая ценность полученных результатов, описывается содержание работы.

Первая глава диссертации посвящена обзору и анализу существующих моделей и программных комплексов обработки потоковой информации в многопередельном производстве.

С позиции логистического подхода СОПИМП может рассматриваться как информационно-логистическая система (ИЛС), управляющая материальным потоком, действующим в логистической цепи «склад сырья - технологический процесс - склад готовой продукции» и генерирующим соответствующий учетно-аналитический информационный поток.

Для отображения сложных структур потоков в логистических цепях используются специальные объектно-структурные модели, описываемые в виде ориентированных взвешенных графов.

Базовыми математическими моделями учета материальных потоков в технологическом процессе производства являются модели, основанные на законе сохранения массы материального потока ³:

- модель баланса материального потока:

(1)

где: - расход сырья за отчетный период T;

- объем выпуска готовой продукции за отчетный период T;

- технологические потери за отчетный период T.

- модель оперативного баланса, частным случаем которой является уравнение материального баланса на складе:

(2)

где: СО_н - остаток ТМЦ на начало отчетного периода T;

- общее количество ТМЦ, принятых на склад за отчетный период T (приход);

- общее количество ТМЦ, отпущенных со склада за отчетный период T (расход);

СО_к - остаток ТМЦ на конец отчетного периода T.

Важно отметить, что количественный учет ТМЦ всегда рассматривается в привязке к местам хранения, которыми являются, например, склады сырья и готовой продукции.

Наиболее проблематичным звеном СОПИМП является оперативный учет незавершенного производства (НЗП) на переделах технологического процесса, остатки которого в количественном измерении вычисляются методом нормативных расчетов. Для контроля данных учета периодически производится инвентаризация НЗП (фактический подсчет, взвешивание, измерение и регистрация).

Как показал анализ, в многопередельных производствах методика нормативного расчета НЗП строго индивидуальна и зависит от особенностей технологического процесса. Вместе с тем, для некоторых технологических процессов (производство трикотажного полотна, паркета и др.) наиболее предпочтительным считается подход, учитывающий технологические потери сырья и полуфабрикатов на каждом переделе с помощью соответствующих коэффициентов. В этом случае приход НЗП для любого момента времени t на i-ом переделе технологического процесса можно определить по формуле:

(3)

где: - расход НЗП на предыдущем переделе в момент времени t;

K_i - коэффициент, зависящий от параметров технологического процесса, который назовем передельным.

Выражение (3) является математической моделью расчета НЗП в

СОПИМП.

При разработке имитационной модели СОПИМП необходимо обеспечить:

- многовариантность расчетов НЗП в рамках фиксированной математической модели (3);

- соблюдение бизнес-логики учета движения НЗП и генерацию унифицированных электронных документов в соответствии с моделью информационного потока на ПМТП (рис. 1);

- интеграцию модели в существующую на предприятии систему управления производством, включающую системы управления производственно-хозяйственной деятельностью, менеджмента качества и т.д. Для этого необходимо, в частности, обеспечить структурный изоморфизм входного и выходного информационных потоков СОПИМП.

Рис. 1. Модель информационного потока типового ПМТП.

Вышеперечисленные факторы позволяют отнести СОПИМП к классу сложных ИЛС, для моделирования которых требуется новый концептуально-логистический подход.

Анализ современных тенденций в области разработки программных комплексов обработки производственной информации показал, что наибольшей популярностью пользуются технологии, базирующиеся на MRP/ERP- методологии проектирования учетно-транзакционных ИС управления предприятием ⁴.

Главным преимуществом этой методологии является использование метода моделирования производственных процессов, который сводится к формализованному их описанию через материальные и информационные потоки. Кроме того, в рамках MRP/ERP - методологии действует собственная имитационная концепция, позволяющая строить адекватные имитационные модели и получать достоверные результаты.

С позиций MRP/ERP-методологии модель системы имеет три уровня представления:

- концептуальный (основан на структурном подходе);

- логический (основан на объектно-ориентированном подходе);

- физический (ИС, реляционная база данных).

На базе описанной модели разрабатываются КИС для сбора, хранения и обработки информации производственного типа.

На рынке программных продуктов, ориентированных на задачи отечественных производственников, особенно популярны КИС среднего класса, к которым относятся программные комплексы производственного учета фирм-разработчиков «1С», «Парус», «БЭСТ» и др.

При детальном рассмотрении известных КИС, можно увидеть общие особенности их построения, среди которых выделяются следующие:

- архитектура «клиент/сервер»;

- реляционная база данных;

- автоматизированный электронный обмен документов;

- возможность информационного обмена с другими системами;

- возможность создания новых моделирующих конструкций и изменения существующих с помощью встроенных гибких механизмов (объектно-ориентированного языка программирования, содержащего конструкции из исследуемой предметной области);

- наличие развитых средств визуализации и формирования отчетности оценок показателей работы системы, определяемых пользователем.

Недостатками известных КИС применительно к задачам, решаемым в диссертационной работе, являются их функциональная избыточность и ограниченность выбора готовых решений для различных ПМТП.

В этой связи представляется целесообразной разработка программного комплекса обработки потоковой информации в многопередельном производстве, основанная на комплексном подходе, учитывающем функциональные особенности СОПИМП и преимущества MRP/ERP-методологии построения ИС.

Вторая глава диссертационной работы посвящена разработке имитационной модели СОПИМП, имеющей трехуровневое представление (рис. 2.).

Рис. 2. Уровни представления имитационной модели СОПИМП.

Ключевая идея концептуального моделирования заключается в применении так называемой эталонной модели, которая представляет собой формализованное описание типовых особенностей, присущих исследуемому классу систем, что в конечном итоге обеспечивает ускорение процесса создания концептуальной модели и повышает эффективность ее использования на уровнях логического и физического моделирования системы. В соответствии с существующим подходом к моделированию логистических систем процесс формирования концептуальной модели разбит на три этапа.

На этапе анализа СОПИМП построена контекстная диаграмма потоков данных (рис. 3), анализ которой показал, что достижение поставленной в диссертационной работе цели возможно только при качественно новой модели подсистемы учета незавершенного производства (ПУНП), ориентированной на особенности технологического процесса многопередельного производства.

На завершающей стадии анализа функционального аспекта системы строится объектно-структурная модель СОПИМП, в которой и производится декомпозиция ПУНП.

Рис. 3. Начальная контекстная диаграмма потоков данных СОПИМП: Склад сырья, Склад готовой продукции - внешние сущности;1-ПУНП; Расход сырья (RS), Приход готовой продукции (GP) - входной и выходной информационные потоки.

В диссертации предложен и обоснован новый концептуально-логистический поход к созданию объектно-структурной модели СОПИМП. Его суть заключается в том, что СОПИМП рассматривается на концептуальном уровне как последовательность объектов типа «склад». В таком подходе есть определенное преимущество. Оно заключается в следующих основных моментах:

1. Предлагаемая модель позволяет дифференцированно подойти к процедуре учета материального потока в технологическом процессе, ограничив набор возможных операций над потоком складскими операциями перемещения и хранения. Это не противоречит концепции стандартного количественного учета ТМЦ и позволяет существенно упростить процесс построения и исследования эталонной модели СОПИМП.

2. В предлагаемой модели СОПИМП отсутствуют циклические связи, что позволяет использовать для ее построения простейший класс графов - ориентированные деревья.

Объектно-структурная модель СОПИМП (рис. 4) представляет собой ориентированное по материальному потоку дерево, начальный и конечный узлы которого обозначают соответственно реальные склады сырья и готовой продукции_, между которыми согласно технологическому маршруту процесса производства размещены узлы, обозначающие виртуальные склады на переделах технологического процесса, причем дуги дерева нагружены учетно-аналитическим информационным потоком.

Для описания модели используются следующие определения:

Реальный склад - размещенный на конкретном производстве физически существующий склад, выполняющий операции перемещения и хранения ТМЦ.

Виртуальный склад - фиктивный склад, имитирующий выполнение операций перемещения и хранения ТМЦ на переделе технологического процесса и существующий только в электронном виде.

Рис. 4. Объектно-структурная модель системы обработки потоковой информации для N - передельного производства.

Как следует из рис. 4, объектно-структурная модель СОПИМП формально может быть определена в виде конечного ордерева G (S,D), для которого установлены следующие свойства и ограничения:

1) ордерево строго ориентировано по материальному потоку;

2) S={s₁, s₂,..., s_N, s_N+1, s_N+2} - конечное непустое множество узлов, обозначающих реальные и виртуальные склады;

3) D={d₁, d₂,..., d_N+1} - конечное непустое множество дуг, нагруженных информационным потоком, причем d_i=f_i(d_i-1,z_i) для i=2,3,…,N+1, где f_i F - конечное непустое множество весовых функций, а z_i Z- конечное непустое множество параметров состояния узла;

4) корнем ордерева является узел s_1, соответствующий реальному складу сырья;

5) концевой вершиной ордерева является узел s_N+2, соответствующий реальному складу готовой продукции;

6) узлы s₂,…, s_N+1 соответствуют виртуальным складам на переделах технологического процесса;

7) для всех узлов, кроме s_N+2, полустепень исхода равна 1;

8) общее количество узлов в ордереве равно N+2.

На этапе синтеза концептуальной модели каждый узел рассматривается как элементарное звено логистической цепи (ЭЗЛЦ) СОПИМП, для описания которого используется метод агрегативного моделирования. С этой целью введено понятие склада-модуля, выполняющего операции перемещения и хранения ТМЦ, что позволило свести задачу формализации ЭЗЛЦ к постановке и решению задачи расчета остатков ТМЦ, хранящихся в нем. Внешние события склада-модуля инициируются входным информационным потоком, внутренние - изменением технологической схемы.

Как следует из рис. 4, между входным и выходным информационными потоками для всех ЭЗЛЦ с номерами i =2,3,N+1 существует зависимость:

D'=f (D, Z)

где f(D, Z) - функция преобразования информационного потока, реализуемая складом-модулем СОПИМП, которую назовем передельной.

Если MA- множество номенклатурных номеров ТМЦ, производимых на ПМТП, то для любого m MA структура входного потока данных формально может быть определена в виде кортежа:

D =< c, e₁, e₂, d_t, u >, где

c СD, где СD - движения ТМЦ в натуральном выражении;

e_1, e₂ - основная и альтернативная единицы измерения ТМЦ;

d_t - дата/время проведения складской операции;

u UD , где UD - прочие атрибуты оперативного складского учета.

Состояние склада-модуля также описывается в виде кортежа:

Z= <p, c_о, v, k >

где p PZ , где PZ - множество уникальных номеров ЭЗЛЦ в маршруте ордерева СОПИМП;

c_о СO, где СО - текущие остатки ТМЦ в натуральном выражении;

v - вид учета ТМЦ;

k KT, где KT - множество учетных технологических коэффициентов, среди которых при расчете НЗП в многопередельном производстве используются следующие:

k₁ - коэффициент учета технологических потерь (0< k₁ <=1);

k₂ -коэффициент пересчета из одной единицы измерения в другую (k₂ >0).

Исходя из выражения (2), остаток ТМЦ (сырья, НЗП или готовой продукции) на любом p-м складе-модуле по m-й номенклатурной позиции (m MA) на конец отчетного периода T, задаваемого в виде интервала времени [T_i-1, T_i], где i=1,2,…,I, для многопередельного производства можно вычислить по формуле:

(4)

где - остаток ТМЦ на p-м складе-модуле по m-й номенклатурной позиции на начало отчетного периода;

- приход ТМЦ на p-й склад-модуль по m-й номенклатурной позиции в отчетном периоде;

- расход ТМЦ с p-го склада-модуля по m-й номенклатурной позиции в отчетном периоде;

- приход НЗП на p-й склад-модуль по m-й номенклатурной позиции в отчетном периоде, где:

- вид учета ТМЦ на p-м переделе по m-й номенклатурной позиции;

передельная функция.

Тогда, исходя из уравнения (3), получим следующую формулу:

(5)

где: - расход ТМЦ (сырья или НЗП) с (p-1)-го склада-модуля по m-й номенклатурной позиции в отчетном периоде;

K_p^(m) - передельный коэффициент на p-м переделе по m-й номенклатурной позиции, определяемый как произведение всех задействованных учетных технологических коэффициентов:

 (6)

При вычислении передельного коэффициента следует учесть, что остатки и движения ТМЦ в формуле (4) должны быть приведены к одной единице измерения.

Формула (4) является математической моделью элементарного звена СОПИМП - склада-модуля.

Результатом концептуального моделирования является эталонная модель СОПИМП, при разработке методики построения которой были приняты во внимание следующие положения ⁵:

- для каждой изготавливаемой номенклатурной позиции уполномоченными подразделениями ПМТП должна быть описана хотя бы одна технологическая схема (маршрут) ее производства;

- выработанное на данном переделе НЗП расходуется в полном объеме на следующем переделе, поэтому для формирования маршрутного листа движения НЗП достаточно рассчитать его приходы на заданную дату/время.

В соответствии с предлагаемой методикой построение эталонной модели СОПИМП осуществляется в следующей последовательности:

1) на основании принятой технологической схемы процесса строится ордерево СОПИМП: первому узлу ордерева ставится в соответствие реальный склад сырья, последнему узлу - склад готовой продукции, а промежуточным узлам - виртуальные склады, размещенные в порядке следования переделов технологического процесса;

2) каждому узлу в порядке иерархии присваивается номер;

3) для одного и того же количества расхода сырья на заданную дату/время по формуле (3) рассчитывается приход НЗП на каждом переделе - CП;

4) строится математическая модель в виде матрицы смежности, элементы которой определяются из выражения:

(7)

Если СР₁ - расход сырья со склада S₁, то исходя из выражение (5), матрица смежности (7) в табличной форме будет иметь вид:

Таблица 1. Матрица смежности эталонной модели СОПИМП

Полученная с помощью предлагаемой методики математическая модель (7) является эталонной моделью СОПИМП.

На этапе проверки адекватности концептуальной модели реальной системе оценивается ее качество с помощью методики, основанной на когнитивном подходе.

С целью описания условий проверки даны определения стандартной и нестандартной ситуаций СОПИМП, исследовано влияние технологических коэффициентов на ситуацию, выработаны сценарии перехода из одной стандартной ситуации в другую и приведения нестандартной ситуации к стандартной, подтверждена целесообразность применения механизма бизнес-транзакций. Следует отметить, что адекватность модели проверяется на стадии реализации предлагаемых сценариев.

На логическом уровне имитационная модель СОПИМП представлена в виде визуальной объектной модели, разработанной с помощью метода дискретно-событийного моделирования с применением объектно-ориентированного подхода. Визуальная объектная модель СОПИМП состоит из следующих построенных и исследованных средствами языка моделирования UML диаграмм: диаграммы вариантов использования, диаграммы классов и диаграммы последовательности.

С помощью диаграммы вариантов использования, отражающей организационный аспект системы, выявлены две базовые подсистемы СОПИМП - Кладовщик и Технолог, выполняющие соответственно сценарии оперативного учета материального потока и моделирования расчета НЗП.

На этапе построения диаграммы классов (рис. 5), отражающей статический аспект системы, с помощью метода объектной декомпозиции разработан и описан базовый обобщающий объектно-ориентированный класс (супертип) «склад-модуль», формализующий ЭЗЛЦ СОПИМП.

Рис. 5. Диаграмма классов СОПИМП.

С помощью диаграммы последовательности (рис. 6), отражающей динамический аспект системы, исследован сценарий движения информационного потока по ПУНП, инициируемый планируемым событием расхода сырья в производство.

Как следует из диаграммы, все задействованные в сценарии объекты являются экземплярами одного и того же класса «склад-модуль», что создает условия для обеспечения структурного изоморфизма входного и выходного информационных потоков СОПИМП.

Рис. 6. Диаграмма последовательности СОПИМП: Т₀,Т₁,…, Т_N -метки времени бизнес-транзакции учета движения НЗП.

На физическом уровне имитационная модель СОПИМП представлена в виде реляционной модели данных и программного комплекса.

Главное преимущество реляционной модели данных, используемое в настоящей разработке - это практическая возможность объединения на логическом уровне проблемно-ориентированного программного кода и оперативных данных системы в рамках единой БД. Кроме того, СОПИМП можно отнести к OLTP-системам, опирающимся на свойственную реляционной модели сильную нормализацию данных.

Реляционная БД СОПИМП построена с помощью методологии IDEF1X на основе сущностей, выделенных из диаграммы классов системы (рис. 5).

Третья глава диссертационной работы посвящена разработке ПКОПИ в многопередельном производстве и описанию его функциональных возможностей.

Структура и набор функций ПКОПИ определяются особенностями имитационной модели СОПИМП, имитационной MRP/ERP - концепцией,

а также современными тенденциями в области построения систем подобного уровня.

Структурная схема ПКОПИ предполагает наличие двух больших блоков модулей: неизменяемого по составу блока базовых компонентов и варьируемого в зависимости от применяемой конфигурации блока прикладных компонентов (рис. 7). Такая организация ПКОПИ упрощает процесс его разработки и тестирования, а также обеспечивает высокую эффективность реализации учетной политики конкретного ПМТП.

Источниками данных для реализации основных функций ПКОПИ являются:

- регистры оперативных данных производственного учета;

- классификаторы и справочники.

В предлагаемой схеме следует особо выделить модуль Учета НЗП, в состав функций которого входят: формирование справочника схем технологических процессов, моделирование принятой на предприятии методики оперативного учета НЗП с помощью событийной функции auto_move (рис. 8) и ведение соответствующих журналов операций и документооборота, что обеспечивает проведение вычислительного эксперимента для всего перечня производимой продукции. Модуль Анализ включается в комплекс по требованию заказчика и реализует согласованную с ним методику анализа данных.

Рис. 7. Структурная схема ПКОПИ в многопередельном производстве.

Наиболее оптимальным решением является разработка в рамках одного проекта двух модификаций ПКОПИ, ориентированных соответственно на архитектуры «клиент-сервер» и «файл-сервер», что не только позволяет использовать преимущества распределенной обработки данных, но и обеспечивает успешную интеграцию программного комплекса в существующую на предприятии автоматизированную систему обработки производственной информации.

Рис. 8. Блок-схема алгоритма функции оперативного учета НЗП.

При выборе средств разработки в соответствии с принципом приоритета операционной системы и с учетом популярности платформы Windows на предприятиях малого и среднего бизнеса РФ, предпочтение отдано программным продуктам, произведенным корпорацией Microsoft, а именно - полнофункциональной реляционной СУБД Microsoft Visual FoxPro 8.0 и серверу баз данных Microsoft SQL Server 2000.

Функциональные возможности ПКОПИ рассмотрены на примере его использования в рабочем проекте автоматизации производственного учета и планирования производства трикотажного полотна для автомобильной промышленности. При создании программного комплекса принята во внимание специфика учета готовой продукции на предприятии (изменение единиц измерения сырья и полуфабрикатов на переделах, номерной учет рулонов ткани и т.д.). Введение универсального классификатора номенклатурных номеров ТМЦ позволяет осуществлять учет в разрезе единых аналитических групп в структуре информационных потоков. В программе предусмотрена возможность перенастройки модели расчета НЗП средствами встроенного интерпретатора макровыражений и скриптов в синтаксисе языков xBase и Transact-SQL.

Верификация ПКОПИ производилась трассировкой его отдельных модулей с помощью интерактивного отладчика среды Visual FoxPro 8.0.

Валидация выходных данных ПКОПИ производится в конце отчетного периода с минимальной длительностью «один день» уполномоченными службами предприятия на основании уравнения баланса материального потока (1) при условии, что значения всех переменных приведены к одной единице измерения и подтверждены инвентаризацией в контрольных точках.

Использование описанного ПКОПИ позволило снизить сверхнормативные потери в пределах от 2 до 10% от общего уровня технологических потерь в зависимости от типа трикотажного полотна. Помимо функций ввода, обработки оперативной информации, формирования и печати отчетов имеется возможность визуализации движения материальных потоков в виде графиков и гистограмм (рис. 9) средствами табличного процессора Excel, данные в который экспортируются в виде многомерного массива.

Рис. 9. График движения материального потока на переделе «Стрижка» технологического процесса производства трикотажного полотна типа «бархат-штрих».

В ПКОПИ, используемом в производстве паркета, представляют практический интерес результаты анализа выпуска готовой продукции в разрезе пород древесины, селекции и типоразмеров паркета, выполненные подсистемой анализа, построенной на базе рабочей книги Excel (табл. 2, рис. 10) в соответствии с техническим заданием заказчика.

Таблица 2. Долевой анализ производства различных типов паркета

Примечание: гр.3=гр.2*100/(ПЕРЕРАБОТАНО ФРИЗЫ)