Построение системы поддержки принятия решений на базе нейро-нечетких сетей Петри

Размещено на http://www.allbest.ru/



Содержание

Введение

1. Способы увеличения коэффициента использования листового металла

1.1 Рациональный раскрой листового металла

1.2 Применение систем поддержки принятия решений

2. Математический аппарат модифицированных нейро-нечетких сетей Петри

2.1 Обоснование выбранного математического аппарата

2.2 Формальное описание нейро-нечетких сетей Петри

3. Разработка программного комплекса управления материальными ресурсами листового металла с элементами СППР

3.1 Требования, предъявляемые к программному комплексу

3.2 Структура программного комплекса

3.2.1 Структура CAD/CAM-системы

3.2.2 Структура ERP-системы

3.3 Разработка подсистемы «Управление заготовительным производством»

3.3.1 Модули подсистемы «Управление заготовительным производством»

3.3.2 Теоретико- множественное описание подсистемы «Управление заготовительным производством»

4. Построение моделей алгоритмов на базе нейро-нечетких сетей Петри

4.1 Построение модели алгоритма складирования деловых остатков

4.2 Моделирование механизма приоритетного выбора деловых остатков

5. Практическое применение результатов исследования

Заключение

Список использованных источников



Введение

сеть петри модель алгоритм

Одной из основных технологических операций на машиностроительных предприятиях является раскрой листового металла на определенные заготовки. При этом рациональное использование остатков материала после раскроя влияет на технологические затраты и на другие технические и экономические показатели операционной деятельности предприятия. Рациональное использование предполагает увеличение коэффициента использования листового металла, который определяется как численное отношение массы металла в готовом изделии к массе металла, израсходованного на производство этого изделия. Задача его увеличения может решаться применением методов рационального раскроя исходного листового материала и использованием остатков листового металла после раскроя в последующих технологических процессах. Рациональное управление деловыми остатками в совокупности с освоением методов рационального раскроя имеет большое значение в области ресурсосберегающих технологий, поскольку его применение напрямую ведет к экономии исходного материала и сокращению отходов технологических процессов. При этом повышается эффективность производства, которая является одним из основных факторов конкурентоспособности предприятия в условиях рыночной экономики.

Рациональный раскрой представляет собой организацию раскроя таким образом, чтобы он обеспечивал минимальный расход исходного материала, и как можно более высокую производительность и эффективность металлорежущего оборудования. Рассмотрению вопросов рационального раскроя посвящено множество трудов отечественных и зарубежных исследователей: Л.В. Канторович, В.А. Залгаллер, Э.А. Мухачева, В.М. Картак, А.А. Петунин и другие. Решением задач раскроя-упаковки занимается специальная научная группа ESICUP - Euro Special Interest Group on Cutting and Packing (Европейская специальная группа по задачам в области раскроя упаковки), в рамках работы которой проводятся ежегодные международные конференции.

Второе направление увеличения коэффициента использования листового металла - использование возвратных остатков, недостаточно рассмотрено в научной и практической литературе, хотя оно, как правило, создает на производстве ряд трудностей, так как требует дополнительных затрат: остатки необходимо маркировать, хранить, учитывать и искать. Кроме того, при сортировке остатков на деловые и неделовые, необходимо учитывать статистический опыт использования остатков в последующих технологических операциях и осуществлять прогнозирование спроса на остатки раскроя. На сегодняшний день CAD/CAM-системы не располагают функциональными возможностями и достаточной информацией для обоснованной сортировки остатков раскроя в группы деловых и неделовых материальных ресурсов. По этой причине разработка инструментария для эффективного решения задач управления материальными ресурсами на машиностроительных предприятиях является актуальной задачей.

Наибольшую актуальность данная задача имеет в условиях единичного и серийного производства, когда номенклатура заготовок и материальных ресурсов листового металла, а также факторы сортировки остатков раскроя изменяются значительно чаще, чем при массовом производстве.

Целью исследования является автоматизация процесса принятия многокритериальных решений в сложной информационной среде при раскрое листового металла для полного и объективного анализа предметной деятельности.

Цель предопределила постановку и решение следующих задач:

– проведение анализа современных математических аппаратов предназначенных для построения СППР. Выбор и обоснование инструментария (методика и автоматизированные средства) построения СППР по управлению материальными ресурсами в рамках процесса рационального раскроя и сортировки остатков раскроя листового металла в группы деловых и неделовых материальных ресурсов;

– предложение технической реализации процесса идентификации остатков раскроя листового металла, разработка методики построения программного комплекса реализующего СППР;

– построение общей структурной схемы программного комплекса и структурных схем составляющих его информационных систем;

– определение функций СППР, функций информационных систем, из которых она строится, и функций отдельных программных модулей;

– разработка основных алгоритмов работы разрабатываемой СППР;

– составление теоретико-функционального описания разрабатываемого программного комплекса;

– реализация СППР в виде программного комплекса;

– апробация разработанного программного комплекса на практических задачах.

Теоретическая значимость работы заключается в следующем:

– предложена техническая реализация процесса идентификации и сортировки остатков раскроя листового металла в группы деловых и неделовых материальных ресурсов;

– предложено модифицированное расширение сетей Петри. Аппарат модифицированных сетей Петри был построен на базе нейро-нечетких сетей Петри. Такое расширение усиливает выразительные свойства математического аппарата сетей Петри, и может быть использовано для моделирования и анализа СППР;

– сделано теоретико-функциональное описание СППР по управлению материальными ресурсами в рамках сортировки остатков раскроя листового металла.

Практическая значимость результатов исследования заключается в их направленности на решение конкретных производственных задач по управлению материальными ресурсами на машиностроительных предприятиях для увеличения коэффициента использования металла с целью снижения удельных затрат на листовой металл и увеличения объема производства и реализации продукции.

Методологической и теоретической базой исследования явились работы отечественных и зарубежных исследователей в области бережливого производства, решения задач раскроя-упаковки, задач сортировки и идентификации, поддержки принятия решений в условиях многокритериальности. Научно-методический инструментарий исследования включает системный подход, методы теории сетей Петри с различными расширениями, методы экспертных оценок.

На защиту выносятся следующие положения:

– Модифицированное расширение математического аппарата сетей Петри, основанное на комбинировании свойств различных расширений сетей Петри;

– Методика построения СППР по управлению материальными ресурсами листового металла;

– Техническая реализация идентификации и сортировки остатков раскроя листового металла в группы деловых и неделовых материальных ресурсов.

Разработанные предложения прошли апробацию на научно-практических конференциях, а также опубликованы в журналах и сборниках трудов конференций.

По теме исследования подготовлено 13 работ, из них 2 из перечня рецензируемых изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты.



1. Способы увеличения коэффициента использования листового металла

Увеличение коэффициента использования листового металла достигают двумя основными способами: первый способ - это применение алгоритмов рационального раскроя, а второй способ - использование остатков раскроя листового металла в последующих технологических операциях.

1.1 Рациональный раскрой листового металла

Математически задача рационального раскроя является NP-трудной задачей, под которой понимается наиболее выгодное в определенных условиях расположение геометрических объектов в заданных областях.

Задачу раскроя как задачу оптимизации можно определить следующим образом. Пусть A₁,A₂,…,A_n - это заготовки, а B₁,B₂,…,B_m - области их размещения. При этом расположение каждой конкретной заготовки A_i, определяется тремя координатами x_i,y_i,ц_i где x_i,y_i - это абсцисса и ордината фиксированной точки, а ц_i - угол поворота заготовки на плоскости. Тогда задача раскроя сводится к определению параметров размещения заготовок, при которых некоторая целевая функция F(x₁,y₁,ц₁,x₂,y₃,ц₂,…,x_n,y_n,ц_n) достигает своего экстремума. При этом должны выполняться условия размещения заготовок внутри одной из областей размещения B₁,B₂,…,B_m, условия взаимного не пересечения заготовок и условия, определяемые технологическими особенностями процесса раскроя, то есть:

, (1.1)

, (1.2)

, (1.3)

, (1.4)

где (1.2) - условия взаимного не пересечения объектов; (1.3) - условия расположения в области размещения; (1.4) - прочие условия.

В нашем случае целевой функцией F является функция, значение которой равно коэффициенту использования металла k:

, (1.5)

где S_i - площадь i-й заготовки, а P - суммарная площадь использованного листа металла.

Ограничения (1.2) - (1.4) в аналитическом виде неизвестны, по этой причине для решения задачи раскроя не существуют аналитические методы решения. При решении такого рода задач используются в основном приближенные вычислительные методы. Точные методы, в данном случае, применимы лишь к задачам с небольшой размерностью n и с сильными ограничениями на геометрию заготовок.

Существует множество теоретических трудов и практических разработок, посвященных применению алгоритмов рационального раскроя промышленных материалов. Первыми отечественными работами, положившими начало исследованиям в области методов рационального раскроя, были работы Канторовича Л. В. и Залгаллера В. А. На заре научных поисков в области рационального раскроя многие предлагаемые способы оптимизации были основаны на линейных моделях и методах линейного программирования [1]. Позже были разработаны точные методы, с использованием методологии «ветвей и границ», которые описаны в работах И. В. Романовского. Э. А. Мухачевой предложен сеточный метод генерирования раскроев с максимальной оценкой. Сегодня для решения задач раскроя чаще применяются простые однопроходные и многопроходные эвристики, а также метаэвристические алгоритмы, такие как генетический алгоритм или алгоритм поиска с запретами. [2-9].

Поскольку по вопросам рационального раскроя исследователями наработан большой теоретический материал, то это привело к тому, что на сегодняшний день рынок информационных технологий предлагает удобное программное обеспечение (ПО) с широким функционалом, которое способствует оптимизации фигурного раскроя с помощью различных математических алгоритмов. Такого рода ПО предназначено для создания карт раскроя и вывода управляющих программ. Оно относится к классу CAD/CAM-систем, которые позволяют проектировать на ЭВМ карты раскроя и формировать управляющие программы для оборудования с ЧПУ. Примерами таких программных средств являются: Техтран, Интех-Раскрой, Сириус, Астра раскрой, T-Flex, Lantek Expert, Wrykrys, Aptia Solutions, ProNest, Mazak Smart System и другие. Многие из этих программных продуктов позволяют сохранить остаток раскроя, но ни один из них не оказывает помощи специалисту, ответственному за раскрой, в принятии решения по отнесению остатка раскроя в группу деловых или неделовых остатков, то есть не реализуют СППР.

1.2 Применение систем поддержки принятия решений

Системы поддержки принятия решений (СППР), в рамках задачи увеличения коэффициента использования листового металла, способны помочь в оперативном формировании оптимальных карт раскроя и оперативной и обоснованной сортировке остатков раскроя по группам деловых и неделовых остатков в условиях единичного и серийного производства.

Системы поддержки принятия решений (СППР) представляют собой автоматизированные системы, помогающие людям принимать решения в сложных условиях. В большей или меньшей степени СППР присутствуют практически в любой информационной системе. На предприятиях СППР позволяют облегчить работу лицам принимающим решения и тем самым повышают их эффективность. Наиболее сложными и способными найти решение неструктурированных и слабоструктурированных задач, в том числе и многокритериальных, являются системы поддержки принятия решений, осуществляющие динамическое моделирование процессов. При использовании методов динамического моделирования предметная область описывается в виде некоторой модели, в которой все связи и процессы представляются системой взаимосвязанных вычисляемых показателей.

Для анализа и выработки предложений в СППР используются разные методы. Это могут быть: информационный поиск, интеллектуальный анализ данных, поиск знаний в базах данных, рассуждение на основе прецедентов, имитационное моделирование, эволюционные вычисления и генетические алгоритмы, нейронные сети, ситуационный анализ, когнитивное моделирование, метод анализа иерархий и др. Некоторые из этих методов были разработаны в рамках искусственного интеллекта [10-13].

При принятии решения в процессе взаимодействия с СППР человек сначала осмысляет и идентифицирует проблему, выясняет, по какой причине она возникает. Далее продумывает возможные варианты решения проблемы и выбирает подходящее решение среди предложенных системой поддержки принятия решений альтернатив. На заключительном этапе пользователь СППР реализует принятое решение.

В зависимости от характера взаимодействия с пользователем различают три вида СППР: активные, пассивные и кооперативные. Пассивные СППР не предлагают конкретного решения, но помогают в процессе его принятия. Активные, в отличие от пассивных, непосредственно участвуют в разработке верного решения. Кооперативные СППР характеризуются тесным взаимодействием СППР и пользователя. При работе с такими системами пользователь может доработать предложенное СППР решение и повторно отправить в систему для проверки. Такой итерационный процесс повторяется до тех пор, пока пользователь не одобрит решение.

2. Математический аппарат модифицированных нейро-нечетких сетей Петри

2.1 Обоснование выбранного математического аппарата

В рамках исследования необходимо моделировать сложные системы, состоящие из множества различных взаимодействующих подсистем, в которых присутствует случайность и неопределенность действующих факторов. По этой причине для моделирования применяется имитационный метод. Моделирование рассматриваемых в исследовании систем аналитическим методом очень затруднено, оно влечет существенное упрощение модели, что пагубно влияет на ее адекватность.

При работе с СППР лицу принимающему решение важно знать логику принятия решения системой, для этого используемый математический аппарат должен обладать свойством наглядности и интерпретируемости. Представить наглядную структуру процесса принятия решений в виде двудольного графа позволяют сети Петри. В данной работе модели реализуются в виде сетей Петри различных расширений. К достоинствам данного математического аппарата можно отнести удобство программирования на ЭВМ, итерационность и значительный потенциал в распараллеливании алгоритмов решения задач [14-17].

Используемая в исследовании сеть Петри обладает свойствами раскрашенных, нечетких, временных, приоритетных и нейронных сетей. Раскрашенные сети Петри позволяют осуществлять классификацию входных данных по большому количеству разнородных признаков, которые могут иметь взаимозависимости. Поскольку СППР должна учитывать неопределенность и неточность, то необходимо, чтобы используемое расширение аппарата сетей Петри обладало и элементами нечеткой логики. Наличие нечетких переходов позволяет моделировать процесс нечеткого вывода и строить систему на основе нечетких продукционных правил. Нечеткая сеть Петри типа Cf получается в результате введения нечеткости в начальную маркировку и правила срабатывания переходов [18].

Свойства временных сетей Петри в разрабатываемом расширении позволяют получить не только количественные, но и временные характеристики моделируемых процессов, а свойства приоритетных сетей - регулировать порядок срабатывания активных переходов. Нейронная составляющая позволяет классифицировать объекты на основании определенных групп параметров.

Разрабатываемый аппарат модифицированных сетей Петри обеспечивает возможность использования меток со сложной структурой, использование сложных условий срабатывания переходов, получение комплексной оценки статистических и динамических свойств моделей, задание временных задержек позициям и переходам, задание параметров модели в нечетком виде и контроль порядка срабатывания переходов.

2.2 Формальное описание нейро-нечетких сетей Петри

В рамках исследования разработано модифицированное расширение сетей Петри (ННСП) на базе нейронных (НРСП), нечетких (НСП), раскрашенных (РСП), временных и приоритетных сетей Петри. Перед формальным определением ННСП необходимо ввести несколько определений. Тип элемента в ННСП это множество, содержащее возможные значения для данного типа . Тип переменной v или выражения e обозначается как Type(v) и Type(e) соответственно. Множество переменных в выражении e, обозначается как Var(e). Означивание множества переменных V, это соответствие каждой переменной некоторого элемента .



Рисунок 2.1 Получение аппарата ННСП на основе расширений сетей Петри

Формально ННСП можно представить:

, где:

1. У - конечное множество типов. Для нейронной сети , где а - метки с положительным потенциалом, b - метки с отрицательным потенциалом, ;

2. P - конечное множество позиций, такое что , где P_С - конечное множество позиций РСП, P_f - конечное множество позиций НСП, P_N - конечное множество позиций НРСП, при этом ;

3. T - конечное множество переходов, такое что

, где

T_С - конечное множество переходов РСП, T_f - конечное множество переходов НСП, T_N - конечное множество переходов ИНСП, T_Cf - конечное множество переходов из позиций РСП в позиции НСП, T_CN - конечное множество переходов из позиций РСП в позиции НРСП, T_fC - конечное множество переходов из позиций НСП в позиции РСП, T_fN - конечное множество переходов из позиций НСП в позиции НРСП, T_NC - конечное множество переходов из позиций НРСП в позиции РСП, T_Nf - конечное множество переходов из позиций НСП в позиции НРСП, при этом множества являются попарно непересекающимися;

4. A - конечное множество дуг;

5. N - функция инцидентности

;

6. C - функция определения типа позиции ;

7. G - функция устанавливает каждому переходу охранные выражения, такие что ;

8. E - функция, которая сопоставляет каждой дуге выражение, такое что , p - инцидентная дуге позиция;

9. I - функция инициализации (начальной маркировки), которая сопоставляет каждой позиции РСП тривиальное выражение, такое что ;

10. f =( f₁, f₂,…, f_n) - вектор значений функции принадлежности нечеткого срабатывания переходов НСП, при этом ;

11. - вектор значений порога срабатывания переходов НСП, при этом ;

12. - вектор начальной маркировки позиций НСП, каждая компонента которого определяется значением функции принадлежности нечеткого наличия одного маркера в соответствующей позиции данной НСП, при этом ;

13. PR - конечное множество приоритетов, определяющих порядок срабатывания переходов в случае наличия нескольких активных переходов;

14. FP - функция сопоставляет каждому переходу приоритет срабатывания ;

15. Z - вектор параметров временных задержек маркеров в позициях Z=( z₁,z₂…,z_n), ;

16. D - вектор параметров времен срабатывания разрешенных переходов D=( d₁,d₂…,d_n),

17. Q - емкость позиций;

18. s - величина, соответствующая времени жизни метки в позиции, , где N - множество натуральных чисел;

19. n - целочисленная величина, равная минимальному числу меток, необходимому для активизации нейронного перехода;

20. g - функция для определения суммарного потенциала меток в каждой позиции в определенный момент времени.

В процессе функционирования нейроподобной сети для каждой нейронной позиции вычисляется функция суммарного потенциала g в зависимости от времени жизни меток:

, (2.1)

где: K(q_i) - число меток с положительным потенциалом в позиции p_i в момент времени q_i, J(q_i) - число меток с отрицательным потенциалом в позиции p _i в момент времени q_i.

Для условно-событийных систем позиции сети Петри интерпретируются как условия, а переходы соответствуют событиям, происходящим в системе. Метки накапливаются в позициях и при наступлении достаточных условий срабатывания переходов перемещаются из одной позиции в другую. Функционирование сети Петри заключается в изменении маркировки M(Q) посредством срабатывания переходов. Правило активизации перехода можно сформулировать следующим образом: переход t_j может сработать в момент времени q_i, если

, (2.2)

где i=1,…n, n - количество позиций в сети, - кратность входящей в переход t_j дуги. То есть во всех входных позициях перехода должны быть доступные маркеры на момент активизации перехода, причем их количество должно быть больше либо равно кратности связующей позицию и переход дуги. Переход, удовлетворяющий условию (2.2) называется разрешенным в момент времени q_i. Если переход активен при некоторой доступной маркировке m_j, т.е для него выполнено условие (2.2), то срабатывание перехода t_j, осуществляемое за время q_i, приводит к новой маркировке m_i, компоненты вектора которой определяются по формуле:

, (2.3)

где - кратность исходящей из перехода t_j дуги. При наступлении одновременной возможности активизации нескольких переходов очередность срабатывания определяется множеством приоритетности срабатывания переходов , где , i={1,..k}, k - количество переходов в сети, n - вектор приоритетности в порядке убывания. При наличии в переходе t_i временной задержки, определяемой вектором где срабатывание перехода t_i откладывается на число тактов работы сети . Правило активации обычного перехода F1 в графическом представлении изображено на рисунке 2.2

Рисунок 2.2 Правило активации перехода

При наличии метки цвета а в позиции p₁ активизируется переход t₁ и данная метка переходит из позиции p₁ по входящей дуге a₁, затем по исходящей дуге а₂ в позицию p₂.

В классическом описании функционирования сети Петри при активизации перехода метки удаляются из всех входных позиций и переходят в выходные позиции согласно и в количестве равном кратности входных дуг a(p,t) и выходных дуг a(t,p) как это показано на рисунке 2.3

Рисунок 2.3 Безусловное срабатывание перехода

В определенных случаях требуется активизация лишь определенной ветки после срабатывания перехода, то есть передачи меток только лишь в определенные выходные позиции. Выборочная активизация выходных дуг особенно актуальна для моделирования условных веток алгоритмов. Для реализации возможности выборочной активизации выходных дуг можно использовать некоторое контрольное условие, которое вписывается в вариативное поле атрибутов перемещаемых меток. Например, если выполнено контрольное условие на входящей дуге а₁ перехода T₁ то метки, удаляемые при активизации из позиции P₁ перейдут в позицию P₂, а в позиции P₃ их не будет (см. рисунок 2.4). Множество контрольный условий ННСП обозначим как . Контрольное условие можно отнести к атрибуту изменения маркировки позиций, поэтому допустимо записывать его на месте множества атрибутов изменения маркировки atr.

Рисунок 2.4 Условное срабатывание перехода

Условие, записанное на входной дуге а₁ означает, что если маркировка позиции p₁ метками цвета a количественно равна кратности дуги а₁, возведенной в квадрат, то срабатывает выборочная активация выходных дуг в пользу дуги a₂.



3. Разработка программного комплекса управления материальными ресурсами листового металла с элементами СППР

При производстве продукции из деловых остатков целесообразно определенным образом организовать процессы маркировки, хранения, учета и поиска остатков. По этой причине, для выработки решения по отнесению остатка раскроя в группу деловых или неделовых материальных ресурсов, необходимо взаимодействие применяемой CAD/CAM-системы и учетной системы предприятия, которая относится к классу ERP-систем. ERP-системы располагают достаточной информацией о ресурсах предприятия для формирования решения по сортировке остатков раскроя листового металла на деловые и неделовые. Многие CAD/CAM-системы и ERP-системы имеют общие интерфейсы взаимодействия для обмена информацией. Но интеграция этих программных средств, позволяющая решать более сложные задачи, связанные с формированием оперативных решений в условиях единичного и серийного производства, как правило, отсутствует [23-25]. Поэтому, задача исследования заключается в разработке программного комплекса, включающего в себя систему поддержки принятия решений, помогающую в оперативном формировании оптимальных карт раскроя и оперативной и обоснованной сортировке остатков раскроя по группам деловых и неделовых остатков с целью увеличения коэффициента использования листового металла.

3.1 Требования, предъявляемые к программному комплексу

Разрабатываемый программный комплекс, объединяя в себе CAD\CAM- систему и ERP-систему должен:

– позволять организовать учет остатков листового металла после раскроя и учет материальных затрат на производство продукции;

– оценивать затраты на резку листового металла;

– автоматически подбирать цельные листы металла и деловые остатки, подходящие для задания на раскрой;

– оптимальным образом размещать изделия задания на раскрой на листах металла, при этом учитывая технологические ограничения раскроя, например, расстояния до края листа и между деталями;

– осуществлять автоматическое программирование обработки листа за счет встроенного постпроцессора;

– сохранять в базу данных неиспользованную часть листа для проверки на возможность его дальнейшего использования;

– формировать выходные документы: карту раскроя листа, спецификацию раскроя листа, спецификацию задания на раскрой;

– позволять проводить анализ процесса раскроя за произвольный период средствами специализированных отчетов;

– производить штрихкодирование изделий и деловых остатков.

Как СППР по сортировке остатков раскроя, разрабатываемый программный комплекс должен:

– оказывать помощь пользователям в принятии решения по сортировке остатков на деловые и неделовые;

– производить переоценку деловых остатков на складе с целью выявления остатков, хранение которых становится экономически не выгодно.

3.2 Структура программного комплекса

Решение указанных выше задач обеспечивает управление заготовительным производством на основании фактической оперативной информации, что позволяет увеличить экономическую эффективность использования материалов, обеспечивает корректную оценку технологических затрат. Таким образом, разработка и освоение именно комплексной автоматизированной системы управления предприятием, включающей в себя CAD/CAM и ERP-системы, позволят решить поставленные выше задачи по организации рационального раскроя листового металла и управлению материальными ресурсами.

С функциями, связанными с рациональным раскроем способна справиться CAD/CAM-система, входящая в разрабатываемый комплекс. Реализация оперативного, управленческого и бухгалтерского учета, реализация соответствующей отчетности и планирования ложится на ERP систему. Причем, качество предоставляемой пользователю отчетности зависит от данных собираемых ERP-системой, интерфейсов взаимодействия входящих в состав разрабатываемого комплекса систем, а также от алгоритмов работы СППР. Общая структурная схема разрабатываемого программного комплекса представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 Структурная схема программного комплекса

Графическое изображение взаимодействия информационных систем и пользователей в рамках процесса идентификации и сортировки остатков раскроя листового металла с помощью UML Activity diagram представлено на рисунке 3.2. [25]



Рисунок 3.2 Процесс идентификации и сортировки остатков раскроя листового металла

Взаимодействие систем осуществляется с учетом экономических аспектов сортировки и хранения остатков раскроя.

Далее более подробно рассмотрим входящие в разрабатываемый программный комплекс системы.

3.2.1 Структура CAD/CAM-системы

На рисунке 3.3 представлена структурная схема CAD/CAM системы в рамках реализуемого программного комплекса.

Рисунок 3.3 Структурная схема CAD\CAM-системы в рамках разрабатываемого программного комплекса

Структуру типовой CAD/CAM-системы составляют отдельные программные модули. Модуль проектирования изделий позволяет создавать детали и заготовки на основе шаблонов или полностью ручным формированием контуров. База данных CAD/CAM-системы синхронизируется с базой данных разрабатываемой подсистемы «Управление заготовительным производством» ERP-системы. В базе данных CAD/CAM-системы хранятся изделия, которые могут быть импортированы из других систем, комплекты изделий, цельные листы исходного материала, возвратные остатки. Модуль раскроя листового металла позволяет осуществить рациональное размещение деталей и заготовок на цельном листе металла или листе возвратного остатка по заданию на раскрой. После того, как изделия размещены на листе, модуль CAM программирует обработку. По завершении обработки CAD\CAM-система формирует выходные документы: карту раскроя, спецификацию раскроя и спецификацию задания на раскрой.

3.2.2 Структура ERP-системы

Структура ERP-системы гораздо сложнее. Для более подробной отчетности и более точного прогнозирования в части использования деловых остатков, нежели могут предложить методы, представленные в существующих ERP-системах, необходима доработка типового функционала используемой ERP-системы.

Многие ERP-системы имеют возможность конфигурирования, то есть возможность разработки прикладных решений и модулей на базе платформы, на которой построена сама ERP-система. Состав прикладных механизмов платформы ERP-систем, как правило, ориентирован на решение задач автоматизации учета и управления предприятием и позволяет разработчику решать самый широкий круг задач складского, бухгалтерского, управленческого учета, анализа данных и управления на уровне бизнес-процессов.

ERP-система разрабатываемого программного комплекса строится на базе технологической платформы «1С:Предприятие 8». Для реализации предложений, в целях повышения коэффициента использования листового металла, типовую структуру ERP-системы необходимо дополнить подсистемой, реализующей управление заготовительным производством. Дополнительная подсистема «Управление заготовительным производством» позволяет расширить функциональные возможности разрабатываемого программного комплекса в части реализации СППР сортировки остатков раскроя листового металла на деловые и неделовые, переоценки остатков хранящихся на складах, а также взаимодействия CAD/CAM и ERP-систем. Структурно подсистема «Управление заготовительным производством» строится из взаимодействующих программных модулей, каждый из которых выполняет свою собственную функцию. Структура подсистемы «Управление заготовительным производством» и ее место в ERP-системе представлены на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 Структурная схема ERP-системы в рамках разрабатываемого программного комплекса



3.3 Разработка подсистемы «Управление заготовительным производством»

Подсистема «Управление заготовительным производством» строится из взаимодействующих программных модулей. Такая реализация облегчает интегрирование данной подсистемы в ERP-систему за счет минимальных изменений типовых механизмов ERP-системы. Далее описывается модульная модель подсистемы «Управление заготовительным производством», выделяются задачи модулей, определяется суть информационного обмена между ними. Проектирование подсистемы представлено в виде теоретико-множественного описания, которое отображает взаимодействие модулей друг с другом, с внешним программным обеспечением и с пользователем. Для составления теоретико-множественного описания, в подсистеме «Управление заготовительным производством» выделяются следующие основные компоненты [26]:

– множество организационных единиц - модулей;

– множество задач;

– среда, которая представляет собой некоторое пространство, в котором существуют модули;

– множество отношений между модулями;

– множество действий модулей.

На основании приведенных компонент можно определить подсистему «Управление заготовительным производством» следующим образом:

, (3.1)

где M - множество элементов, составляющих подсистему, то есть программных модулей; R - множество отношений во множестве элементов; T - множество задач; Z - множество входов в подсистему; Y - множество выходов.

В подсистеме «Управление заготовительным производством» выделяются следующие модули:

– модуль синхронизации систем;

– модуль СППР;

– модуль учета остатков раскроя;

– модуль регламентных заданий;

– база данных;

– интерфейс пользователя.

Таким образом, множество модулей подсистемы «Управление заготовительным производством» определяется:

, (3.2)

где M_syn - модуль синхронизации систем; M_dss - модуль СППР; M_a - модуль учета остатков раскроя; M_t - модуль регламентных заданий; M_db - база данных подсистемы; M_int - интерфейс пользователя.

3.3.1 Модули подсистемы «Управление заготовительным производством»

Назначение модуля синхронизации систем сводится к обеспечению взаимодействия между CAD/CAM-системой и ERP-системой, путем реализации двусторонней синхронизации и обеспечения копирования актуальных изменений из одной системы в другую. Данный модуль позволяет обратиться к базе данных CAD/CAM-системы и выбрать из нее значения показателей тех возвратных остатков, по которым еще не принято решение являются ли они деловыми или неделовыми. Значения показателей таких остатков модуль синхронизации передает модулю СППР для дальнейшей обработки и формирования рекомендации по сортировке. С помощью модуля синхронизации также осуществляется удаление из базы данных CAD/CAM-системы тех возвратных остатков, которые были признаны СППР неделовыми и производится маркировка деловых остатков в CAD/CAM-системе в соответствии с их маркировкой в ERP-системе.

Распространенным и достаточно простым способом взаимодействия систем является использование общей базы данных. В условиях реализуемого программного комплекса наиболее подходящим является совместное использование базы данных CAD/CAM-системы самой CAD/CAM-системой и ERP-системой.

База данных подсистемы «Управление заготовительным производством» входит в состав базы данных ERP-системы.

Для учета и регистрации хозяйственных операций на предприятиях применяют разнообразные по форме, содержанию и способу отображения информации учетные регистры. Обычно под регистром понимаются различные виды таблиц, в которые записываются данные с первичных документов. В дальнейшем данные регистров используются для анализа хозяйственной деятельности предприятия. В некоторых ERP-системах, в частности построенных на платформе 1С:Предприятие, документы записывают свои данные в такие регистры, которые сами суммируют результаты, чтобы отчет отобразил заранее посчитанные итоги. Существуют различные виды реализации регистров, остановимся лишь на тех видах, которые реализуются в базе данных подсистемы «Управление заготовительным производством». Регистры сведений позволяют хранить произвольные данные в разрезе нескольких измерений. Периодические регистры сведений позволяют хранить данные не только в разрезе указанных измерений, но и в разрезе времени. Регистры накопления реализуют учет движения средств. Они позволяют накапливать числовые данные в разрезе нескольких измерений. В разрабатываемом программном комплексе в регистре сведений накапливается информация об остатках товаров в разрезе номенклатуры и склада.

В рамках реализации подсистемы «Управление заготовительным производством» в состав конфигурации ERP-системы добавляется регистр накопления «Деловые остатки», который служит для определения количества деловых остатков определенного класса на определенный момент времени. Кроме того, по данному регистру можно узнать статистику потребления остатков определенного класса за выбранный период. Записи в данном регистре осуществляются в разрезе классов остатков раскроя, периода и вида движения по регистру: приход или расход.

Кроме регистра накопления в систему добавляются регистры сведений. Периодический регистр сведений «Упущенный спрос деловых остатков», в котором регистрируются те случаи, когда было бы рационально использовать остаток определенного класса вместо цельного листа металла. Решение о рациональности использования остатка принимает CAM/CAD-система. Измерениями регистра являются период и класс остатка, ресурсом - количество.

Периодический регистр сведений «Пополнение классов остатков». В этом регистре фиксируется получившееся в результате раскроя количество остатков каждого класса.

Периодический регистр сведений «Требуемый объем остатков», который необходим для определения требуемого в конкретный момент времени количества деловых остатков каждого класса. Состав измерений и ресурсов у регистров «Пополнение классов остатков» и «Требуемый объем остатков по классам» такой же, как у регистра «Упущенный спрос деловых остатков».

Помимо регистров в базу данных подсистемы «Управление заготовительным производством» входит справочник «Остатки раскроя», который служит для связи классов остатков с исходными листами металла и для хранения диапазона значений показателей, характеризующих конкретный класс остатков.

Модуль СППР подсистемы «Управление заготовительным производством» предназначен для сортировки остатков раскроя в группы деловых и неделовых остатков. Данный модуль с помощью встроенного алгоритма формирует предложение по сортировке, с которым пользователь может согласиться или не согласиться. На вход СППР от модуля синхронизации систем поступают значения параметров возвратных остатков. На основании этих значений СППР осуществляет деление возвратных остатков на определенные классы. В реализуемом программном комплексе, в условиях нечеткости геометрических параметров делового остатка, подходящим методом классификации является использование нейронных сетей. Целесообразность применения в программном комплексе нейронной сети заключается в том, что нейронную сеть можно реализовать с помощью стороннего специализированного программного обеспечения, к примеру, с помощью Matlab. Далее для определения того, является ли остаток деловым, анализируется класс остатков, которому принадлежит данный остаток. СППР принимает решение о том, что остаток является деловым в том случае, если требуемое количество остатков данного класса больше, чем имеющийся на складе запас. В базе данных копится статистика пополняемости склада остатками по классам и статистика спроса на остатки. Также база данных подсистемы «Управление заготовительным производством» содержит таблицу значений требуемого объема остатков каждого класса на определенную дату (регистр сведений «Требуемый объем остатков по классам»). Модуль СППР соотносит значение этой таблицы со значением количества остатков на складах и однозначно определяет, является ли возвратный остаток в настоящий момент времени деловым. Блок-схема формирования предложения по сортировке остатков раскроя представлена на рисунке 3.5.



Рисунок 3.5 Блок-схема формирования предложения по сортировке остатков раскроя модулем СППР

После того как предложение по сортировке остатков сформировано СППР и одобрено пользователем, решение поступает в модуль учета остатков раскроя, где информация по остаткам обрабатывается дальше на основании принятого решения. Модуль учета остатков раскроя служит для сохранения в системе остатков, признанных деловыми, и удаления неделовых остатков. Результатом работы модуля учета остатков раскроя в ERP-системе является документ «Остатки раскроя», на основании которого в дальнейшем создаются типовые учетные документы для оприходования остатков раскроя. Документ «Остатки раскроя» входит в состав подсистемы «Управление заготовительным производством» и делает записи в регистр накопления «Деловые остатки», фиксирует в регистре сведений «Пополнение классов остатков», какое количество остатков каждого класса получилось в результате раскроя. После записи перечисленных регистров, деловые остатки маркируются в базе данных CAD/CAM-системы в соответствии со своим классом, а неделовые остатки удаляются из CAD/CAM-системы. На основании документа «Остатки раскроя» пользователь в дальнейшем создает учетные документы для принятия к учету деловых и неделовых остатков.

Помимо перечисленных модулей в состав подсистемы управления заготовительным производством входит модуль регламентных заданий. Регламентные задания это процедуры, которые выполняются по заданному расписанию, либо по запросу пользователя.

В подсистеме «Управление заготовительным производством» реализуется два регламентных задания. Первое регламентное задание это «Расчет потребности в остатках каждого класса». Его целесообразно выполнять при планировании производства. Данное задание делает запись в регистр сведений «Требуемый объем остатков по классам». Второе регламентное задание - «Переоценка хранящихся деловых остатков». Переоценка хранящихся остатков необходима, поскольку может изменяться номенклатура производимых заготовок, а также затраты на хранение остатка. Данное регламентное задание формирует отчет об экономической целесообразности хранения остатков различных классов.

Возможность централизованного администрирования подсистемы «Управление заготовительным производством» предоставляет интерфейс пользователя. Он позволяет пользователю запускать регламентные задания, настраивать расписание их выполнения, реализует диалоговый режим работы модуля СППР и формирование документа «Остатки товаров». В интерфейс пользователя также входит блок отчетности, позволяющий производить анализ операций заготовительного производства на основании записей регистров.

Общий алгоритм сортировки остатков раскроя можно представить в виде графа сети Петри (Рисунок 3.6). Необходимость построения такой модели продиктована тем, что сети Петри позволяют отразить логическую последовательность событий в системе, проследить потоки информации и отражают взаимодействие параллельных процессов. Использование аппарата нейро-нечетких сетей Петри в составе модели алгоритма сортировки позволяет ввести в сеть Петри нейронные элементы, к которым применимы алгоритмы обучения и которые, по существу, являются пороговыми элементами памяти для формирования меток в соответствующих позициях. В приведенной модели (Рисунок 3.6) переход Т2, моделирующий процесс идентификации остатков раскроя, является нейронным.

Рисунок 3.6 Алгоритм сортировки остатков раскроя в виде графа сетей Петри

3.3.2 Теоретико- множественное описание подсистемы «Управление заготовительным производством»

Отношения между модулями определяются множеством:

, (3.3)

Для изображения связей между модулями представим выражение 3.3 в виде таблицы 3.1:

Таблица 3.1

Таблица отношений между модулями

	Msyn	Mdss	Ma	Mt	Mdb	Mint
Msyn		R0	R5			R6
Mdss	R0		R2		R1
Ma	R5	R2		R7	R4	R3
Mt			R7		R8	R9
Mdb		R1	R4	R8		R10
Mint	R6		R3	R9	R10

Далее подробно опишем отношения выражения 3.3.

R₀ - отношение между модулем СППР и модулем синхронизации систем. Посредством данного отношения модуль синхронизации систем передает в модуль СППР значения показателей остатков раскроя листового металла из CAD\CAM- системы. На основании переданных значений модуль СППР в дальнейшем формирует предложение по сортировке остатков раскроя в группы деловых и неделовых материальных ресурсов;

R₁ - отношение между модулем СППР и базой данных подсистемы «Управление заготовительным производством». Из базы данных модуль СППР получает необходимую информацию для формирования решения по сортировке. Для формирования предложения по сортировке модуль СППР получает из базы данных требуемый объем остатков по классам, количество остатков данного класса на складе, интенсивность пополнения склада остатками данного класса и спрос на остатки;

R₂ - отношение между модулем СППР и модулем учета остатков раскроя;

R₃ - отношение между модулем учета остатков раскроя и интерфейсом пользователя. Модуль СППР формирует лишь предложение по сортировке возвратного остатка, окончательное решение принимает пользователь программного комплекса. Отношение R₃ реализует диалоговый режим работы пользователя с подсистемой «Управление заготовительным производством» на этапе формирования документа «Остатки раскроя»;

R₄ - отношение между модулем учета остатков раскроя и базой данных подсистемы «Управление заготовительным производством». После окончательного решения по сортировке остатков текущего раскроя, делаются соответствующие записи в базу данных;

R₅ - отношение между модулем учета остатков раскроя и модулем синхронизации систем. С помощью отношения R₅ модуль синхронизации получает информацию от модуля учета остатков об актуальных изменениях в ERP-системе;

R₆ - отношение между модулем синхронизации систем и интерфейсом пользователя. С помощью данного отношения модулю синхронизации передается запрос пользователя на получение значений показателей остатков текущего раскроя для последующей сортировки этих остатков;

R₇ - отношение между модулем регламентных заданий и модулем учета остатков раскроя;

R₈ - отношение между модулем регламентных заданий и базой данных подсистемы «Управление заготовительным производством»;

R₉ - отношение между модулем регламентных заданий и интерфейсом пользователя;

R₁₀ - отношение между интерфейсом пользователя и базой данных подсистемы «Управление заготовительным производством». Пользователю необходимо осуществлять анализ операций заготовительного производства, что предполагает наличие соответствующих отчетов в интерфейсе программы. Данные для построения отчетов поступают из базы данных в интерфейс пользователя через отношение R₁₀.

Множество задач подсистемы «Управление заготовительным производством» определяется как:

, (3.4)

где T_get - получение информации об остатках раскроя из CAD\CAM-системы; T_ind - отнесение остатков раскроя к определенным классам остатков; T_sort - сортировка остатков раскроя на деловые и неделовые; T_doc - формирование документа для учета деловых и неделовых остатков; T_mark - маркировка деловых остатков; T_del - удаление неделовых остатков из CAD/CAM-системы; T_report - формирование отчетности для анализа операций заготовительного производства; T_Q - регламентный расчет потребности в остатках каждого класса; T_cost - регламентная переоценка хранящихся остатков; T_save - сохранение данных по результатам раскроя. Выражение 3.4 содержит задачи выполняемые подсистемой в целом. Множество задач отдельных модулей определяется как:

, (3.5)

T_syn - множество задач модуля синхронизации систем:

, (3.6)

где T_get - получение из CAD/CAM- системы показателей остатков раскроя; T_upd - переименование в CAD/CAM- системе деловых остатков в соответствии с их классом и удаление из CAD/CAM- системы остатков признанных неделовыми; T_give - предоставление значений показателей остатков раскроя другим модулям подсистемы.

T_dss - множество задач модуля СППР:

, (3.7)

где T_ind - идентификация остатков, подразумевающая отнесение остатка к тому или иному классу; T_sort - формирование предложения по сортировке остатков раскроя в группы деловых и неделовых материальных ресурсов.

T_a - множество задач модуля учета остатков раскроя:

, (3.8)

где T_doc - формирование документа «Остатки раскроя» с результатами идентификации и сортировки остатков раскроя для последующего их учета; T_mark - маркировка деловых остатков в соответствии с их классом; T_del - удаление из CAD\CAM- системы возвратных остатков, признанных неделовыми.

T_t - множество задач модуля регламентных заданий:

, (3.9)

где T_Q - расчет потребности в остатках каждого класса; T_cost - переоценка хранящихся остатков.

T_db - множество задач базы данных:

, (3.10)

где T_save - сохранение данных по остаткам раскроя, T_data - предоставление данных для формирования отчетности и работы других модулей.

T_int - множество задач интерфейса пользователей:

, (3.11)

где T_dialog - обеспечение диалогового режима при принятии решения по сортировке остатков раскроя на деловые и неделовые; T_time - настройка выполнения регламентных заданий; T_rec - заполнение справочников базы данных; T_report - формирование отчетности.

Множество входов в подсистему «Управление заготовительным производством»: