Введение
Современный этап развития и дальнейший прогресс постиндустриального общества характеризуется резким ростом количества и скорости поступления информации, необходимой для нормального функционирования и взаимодействия всех общественных институтов. Большие объемы информации, многообразие ее видов, высокие темпы поступления порождают проблему ее адекватного анализа, особенно при ограничении времени и повышенной ответственности принятия решения. Эта проблема значительно усложняется, например, при управлении крупными производственными комплексами, интегрирующими все технологические процессы от проектирования до утилизации по окончании жизненного цикла изделия, и в ряду других применений, где анализ разнородной информации требует системного подхода для принятия решения, обеспечивающего достижение поставленной цели. Таким образом, эта проблема в целом, специфичная для конкретных областей информационного обмена, является актуальной и предоставляет обширное поле деятельности для научных исследований при решении задач совершенствования методов целевого управления интегрированными производственными комплексами на основе системного анализа многопараметрических информационных потоков.
Дополнительно актуальность темы подчеркивается тем обстоятельством, что современное индустриальное общество поддерживает идею создания единой информационной инфраструктуры на базе международных стандартов информационных моделей. Это обеспечивает полное информационное взаимодействие между всеми членами индустриального общества, включая проектные и производственные фирмы, службы сервиса и конечных потребителей. Эти аспекты развития промышленных информационных технологий нашли отражение в концепции создания, поддержки и применения единой «информационной» модели на всех этапах жизненного цикла продукции - от ее проектирования до
эксплуатации и утилизации, так называемых, CALS-технологий (Continuous Acquisition Life-cycle Support) [17],[33] которые являются объединяющими для всех исследователей этого направления.
Проблемам системного анализа, обработки информации и управления сложными системами посвящены основополагающие работы как многих отечественных ученых: Е.М.Борисова, А.С.Бугаева, Ю.Х.Вермишева, Ю.Б.Зубарева, В.Н.Волковой, А.А.Денисова, Ю.И.Дегтярева,
С.В.Емельянова, В.А.Каштанова, Н.Н.Моисеева, Е.И.Перовской, В.А.Путилова, А.П.Реутова, Н.Н.Новикова, Н.А.Северцева, Г.С.Садыхова, А.И.Уемова, В.В.Фильчакова, Б.С.Флейшмана и др., так и зарубежных: Дж. Кантера, Дж. Клира, К.Негойце, М.Месаровича, И.Такахары, Ч.Мидоу, Д.Дж.Уайлда, П.Уинстона и др.
Целью данной диссертационной работы является разработка и исследование методов целевого управления интегрированными комплексами на основе системного анализа в форме ситуационного подхода к концептуальному описанию состояния объектов как источников многопараметрических информационных потоков.
В первой главе диссертации на основе рассмотренных научных публикаций дана оценка современному состоянию вопросов управления интегрированными комплексами в условиях больших объемов разнородной информации.
Показано, что современные предприятия (на примере изготовления радиоэлектронных средств связи) представляют собой сложные системы -интегрированные производственные комплексы, включающие подсистемы автоматизации планирования и управления, управленческие информационные системы, используемые в масштабе всего предприятия, а также интегрированные системы автоматизированного проектирования и технологической подготовки производства (САПР/AC ТПП) [39], [52]. В зарубежной литературе пользуются терминами Computer Integrated Manufacturing (CIM) и Integrated Computer Aided Manufacturing (ICAM) [93],
[100]. Комплексный характер функционирования ИПК на основе использования разнообразных прикладных программ, с привлечением на всех этапах работ больших инженерных и управленческих коллективов, определяет актуальность единого подхода к организации его управления. Подход должен обеспечивать получение экономического эффекта при сокращении сроков проектирования, технологической подготовки производства и выпуска продукции, что невозможно без рационального использования информационных, материальных и людских ресурсов при организации планирования и управления ИПК, без реализации качественно новых производственных проектов путем адаптации и автоматизации выработки управленческих решений. Развитие современных информационных технологий (ИТ) связано с дальнейшим расширением интеграционных процессов как по интеграции самой производственной среды, так и в области поддержки постпроизводственных этапов жизненного цикла объектов промышленного производства (отражённых в концепции CALS-технологии). Это позволяет создать непрерывный процесс «проектирование - производство - эксплуатация» и объединить на этой основе в одну технологическую цепочку создателей и потребителей промышленных объектов. Внедрение CALS-технологий подразумевает наличие подготовленного инженерно-технического персонала. Принимая во внимание существующий уровень подготовки инженеров и технологов в области информационных технологий, освоение сложных CAD/CAM/CAE и подобных систем приводит к необходимости применения информационных технологий при обучении персонала и, конкретно, лиц, принимающих решение (ЛПР) [10],[81].
Анализ современного состояния и перспектив развития методов управления распределенными ИПК показывает актуальную необходимость применения средств автоматизации управления подобными сложными системами. Обзор существующих типовых программных средств (ПС) управления проектами, таких как: Microsoft Project, Time Line, Project Expert,
Primavera Project, Project Scheduler, CA-SuperProject, TurboProject Professional, SureTrack Project Management и других - позволил классифицировать технологии управления и базовые функциональные возможности рассмотренных программных средств (ПС) [82,[93]. Процесс управления включает большое количество дискретных управляющих воздействий, осуществляемых на разных уровнях организации ИПК, и представляет собой некоторое действие из множества возможных действий, направленных на достижение определенной цели. При этом каждое действие системы управления ИПК определяется состоянием его элементов и поданными на эти элементы управляющими воздействиями, т.е. каждому объекту множества сопоставима пара объектов, таких, что один из них принадлежит множеству состояний элементов ИПК, а другой - множеству управляющих воздействий [83]. Методы функционирования информационных компонент систем управления в основных звеньях сложных комплексов рассматривается как технологический процесс сбора, обработки и представления информации, необходимой для выработки управляющих воздействий. При этом отмечено, что недостатком существующих систем управления (СУ) является то, что они реализуют технологические алгоритмы, в которых задаются в основном защиты, блокировки и контуры локального автоматического регулирования и т.п., то есть - технические параметры. При этом формирование структуры ТП (структуры конкретного материального потока) возлагается на оперативный персонал и средства дистанционного управления отдельными исполнительными механизмами. При таком подходе эффективность управления процессами в целом определяется квалификацией персонала (его носителя), а информация о ходе процесса (структуре, задействованных ресурсах, времени формирования, выполнения, результатах и т.п.) оперативно недоступна вышестоящим информационным системам, какие бы глубокие и продвинутые средства не привлекались для интеграции таких систем. Фактически оперативность и точность решения задач управления структурой потоков зависит от
субъективного фактора. Следствием этого являются многочисленные потери в технологии. Достоверно известно, что большинство сбоев в производственной среде обусловлены ошибками персонала. В то же время современные программные средства в значительной мере пока не универсальны [27].
Таким образом, отсюда вытекает необходимость разработки нового программного комплекса, построенного на информационной модели описания сложной системы, которая более удобна для создания, проверки и отладки алгоритмов функционирования и управления ИПК.
Во второй главе диссертации изложено теоретическое обоснование разработанных методов систематизации многоуровневых информационных потоков в задачах целевого управления интегрированными производственными комплексами.
Предложено и теоретически обосновано применение ситуационного подхода к описанию многоуровневых информационных систем на основе концептуальной модели информационных систем (КМИС) при создании интегрированной среды управления сложными производственными комплексами, основанной на решении проблемы интеграции в единую систему моделей, различных по структуре и используемым методам на базе разработки концептуальной модели предметной области (КМПО), включающей все этапы жизненного цикла изделия. С использованием теории множеств и теории сетей доказана возможность иерархической стратификации сложных систем с сохранением интерактивного управления подсистемами и связями для отслеживания динамики изменения ситуаций.
Здесь же представлены разработанные методы алгоритмизации и программирования ряда систем управления в условиях многопараметрических информационных потоков.
Рассмотрены методы выбора иерархической модели, ее декомпозиции и построения формализованных рекуррентных моделей систем управления интегрированным производственным комплексом, а также алгоритмический
и программный синтез автоматизированной (интеллектуальной) контрольно-обучающей системы.
Иерархическая модель состоит из укрупненных сгруппированных уровней, каждый из которых содержит набор элементарных проблемных структур, позволяющих пользователю проводить декомпозицию и в интерактивном режиме изменять предметное содержание любого уровня при относительном постоянстве связей между уровнями (преимущественно стабильные производственные процессы).
Рекуррентные модели описывают преимущественно проектные этапы при организации технологических производственных процессов, когда виды операций, состав сотрудников и связи между ними еще не установились, что математически представляется теорией графов.
Синтез автоматизированной (интеллектуальной) контрольно-обучающей системы базируется на применении разработанного функционально—целевого подхода к индивидуальному обучению как к процессу управления с соответствующей заменой предметных критериев. При этом формально рекуррентные модели предметной области в системе обучения основаны на иерархической структуре задач обучения.
В третьей главе диссертации приведены примеры практического подтверждения разработанных теоретических и методических положений. Иерархическая и рекуррентная модели целевого управления интегрированными производственными комплексами применены при проектировании технологических процессов и управлении производством радиоэлектронных средств систем связи. Реализация и внедрение результатов диссертационной работы в виде программных систем, специализированных для решения следующих задач: моделирования надежности пластинчатых конструкций РЭС при механических воздействиях, синтеза интеллектуальной компьютерной обучающей системы, а также создания комплекса автоматизации технологической подготовки «ТЕХНОЛОГ». Результаты диссертационной работы внедрены
на заводе «Звезда» (г. Сергиев Посад), ОАО «КБ ДЕТАЛЬ» (г. Каменск-Уральский), ПО «ЭРА» (г. Пенза), ИнИС ВВТ (г. Москва), а также в учебный процесс на кафедре конструирования и производства радиоэлектронной аппаратуры ПГУ.
В заключение кратко представлены основные научные и практические выводы-результаты выполненной диссертационной работы.
Материал диссертации позволяет отразить формальные требования в следующем виде.
Цель работы.
На основе анализа современных средств моделирования технологических процессов разработать и исследовать методы целевого управления интегрированными комплексами в условиях действия многопараметрических интенсивных информационных потоков. Задачи исследований.
1. Провести обзор и системный анализ современных технологий обработки информации для решения задач автоматизированного управления сложными интегрированными производственными комплексами.
2. Сформировать, теоретически и методически обосновать принципы целевого управления в условиях действия многопараметрических интенсивных потоков исходной информации в предметной области управляемого объекта.
3. Разработать и обосновать модели управления интегрированными производственными комплексами, реализуемые комплексом современных существующих методов моделирования.
4. Показать, что разработанные модели дополнительно позволяют интеллектуализировать решение задач проектирования, управления и обучения.
5. Практически подтвердить проведенные теоретические и методические исследования на примерах реальных интегрированного производственного комплекса и интеллектуальной компьютерной системы.
10
Положения, выносимые на защиту.
Обоснование применения метода ситуационного подхода к концептуальному анализу состояния объекта, включая синтез программного обеспечения для исследования концептуальной модели предметной области при условии пополнения и доопределения ситуации по линии экспертных оценок, расширяющих технологические возможности
компьютеризированных комплексов.
Обоснование применения иерархической модели целевого управления интегрированными производственными комплексами, которая при условии древовидной декомпозиции может быть реализована методами формализованного рекуррентного моделирования.
Методы исследований.
Для достижения поставленной цели исследований и решения сформулированных выше задач применялись аналитические и экспериментальные методы исследований. Первые из них включали необходимые положения теорий управления, экспертных систем, множеств, графов, абстрактной алгебры и математической логики, а вторые -имеющиеся и разработанные пакеты компьютерных программ и компьютеризированные технологические линии производства и обучения.
Научная новизна.
1. Проведен критический анализ текущего состояния задач проектирования и управления сложными производственными комплексами в условиях больших потоков информации на основе современных CALS-технологий и существующего методического и программного обеспечения с позиций возможности разработки единого подхода к их решению производственных и интеллектуальных задач.
2. Теоретически разработан метод ситуационного подхода к концептуальному анализу состояния объекта, включающий синтез программного обеспечения для исследования концептуальной модели предметной области при возможности пополнения и доопределения ситуации
И
по линии экспертных оценок, расширяющих технологические возможности компьютеризированных комплексов.
3. Предложена и теоретически обоснована иерархическая модель целевого управления интегрированными производственными комплексами, которая при условии древовидной декомпозиции может быть реализована методами формализованного рекуррентного моделирования. Практическая значимость.
1 .Разработана методика организации управления сложными интегрированными производственными комплексами в условиях воздействия интенсивных информационных потоков.
2. На основе разработанной методики создан и внедрен в производство интегрированный комплекс проектирования и производства радиоэлектронных средств систем связи.
3. На основе разработанной методики и для ее освоения создан и внедрен в технологический и образовательный процессы интеллектуальный контрольно-обучающий комплекс-тренажер для обучения специалистов и лиц принимающих решения.
Достоверность полученных результатов.
Достоверность обуславливается корректным применением теоретических положений, подтверждаемых экспериментальными результатами и практикой эксплуатации внедренных разработок, а также обсуждением хода работ со специалистами и апробацией на специализированных научных конференциях.
Апробация.
Материалы работы докладывались на Международной НТК "Проблемы обеспечения эффективности и устойчивости функционирования сложных технических систем" - Серпухов 2004 г., на Международном сипозиуме «Надежность и качество». Пенза, 2004, Международной НТК «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем». Пенза, 1998.
12
Публикации.
Основные положения диссертационной работы изложены в восьми печатных публикациях, подготовленных лично автором и в соавторстве и приведенных в конце реферата.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованных источников. Объем диссертации 133 страницы, 25 рисунков и 100 использованных источников, из которых 19 иностранных.
Автор считает своим приятным долгом выразить признательность доктору технических наук, профессору Н.К. Юркову за ценные советы и консультации по тематике работы и благодарность соавторам и коллегам за помощь в проводимых исследованиях.
13
Глава 1. Современное состояние и проблемы управления интегрированными комплексами в условиях многопараметрических информационных потоков.
1.1. Информационное обеспечение целевого управления сложными интегрированными комплексами и тенденции его развития.
В связи с бурным развитием вычислительной техники и средств коммуникаций во всех научных, производственных и общественных процессах подавляющее место начинают занимать компьютерные технологии, входным и выходным продуктом которых является информация. Родоначальниками технологий и наиболее массовым потребителем результатов являлись и являются системы автоматизированного проектирования (САПР) и автоматизированные системы управления (АСУ) производственными процессами [2],[39],[50],[52]. Вместе с тем, успехи, достигнутые в области формализации информации, существенно расширили применения современных высокопроизводительных компьютеров за счет подключения все большего числа интеллектуальных областей деятельности человека (принятие решений, обучение, эвристика и т.п.). Это расширение позволяет в настоящее время ставить задачи на объединение в систему и автоматизацию управления технологических процессов практически любой направленности и сложности, интегрируя их в рамках информационных технологий (ИТ) [32],[67],[72].
Развитие современных информационных технологий связано с дальнейшим расширением интеграции самой производственной среды и интеграционных процессов в области поддержки постпроизводственных этапов жизненного цикла объектов промышленного производства. Эти аспекты развития промышленных информационных технологий нашли отражение в концепции создания, поддержки и применения единой «информационной» модели на всех этапах жизненного цикла продукции - от
14
ее проектирования до эксплуатации и утилизации - CALS-технологий (Continuous Acquisition Life-cycle Support) [18],[33].
Целью применения CALS-технологий как инструмента организации и информационной поддержки всех участников создания, производства и пользования продуктом является повышение эффективности их деятельности за счет ускорения процессов исследования и разработки продукции, придания изделию новых свойств, сокращения издержек в процессах производства и эксплуатации продукции, повышения уровня сервиса и технического обслуживания. В современных условиях CALS-технологий являются важнейшим инструментом повышения эффективности, конкурентоспособности и привлекательности продукции. Подобные аспекты базируются на возможностях информационного моделирования операционных систем, баз данных и экспертных систем.
Использование международных стандартов для формирования информационной модели изделия создаёт базу для организации единой информационной инфраструктуры современного индустриального общества. Это обеспечивает полное информационное взаимодействие между всеми его членами индустриального общества, включая проектные и производственные фирмы, службы сервиса и конечных потребителей. Поддержка международным сообществом единой информационной инфраструктуры, основанной на информационных стандартах, создала условия для возникновения распределённой интегрированной индустриальной среды [69], на основе которой реализуются проектно-производственные цепочки. Они не имеют чётких административных рамок и организуются под конкретный проектно-производственный процесс на распределённой интегрированной производственной (индустриальной) среде. Наличие необходимого инструментария позволяет в рамках определённых ограничений оперативно создавать оптимальные распределённые проектно-производственные структуры, обеспечивающие полный цикл работ от заказа до выпуска готовой продукции. Структуры могут быть устойчивыми и могут
15
реконфигурироваться в зависимости от конъюнктуры. Это позволяет создать непрерывный процесс «проектирование - производство - эксплуатация», так называемый «жизненный цикл изделия» и объединить на этой основе в одну технологическую цепочку создателей и потребителей промышленных объектов [9],[32].
Таким образом, формируется единое информационное пространство, в котором создается и поддерживается информационная модель изделия на протяжении его жизненного цикла, показанные на рисунке 1.
; Проектирование
; изделия ' и разработка ^документации
Маркетинговые
исследования.
Разработка
технического
задания
интегрированные системы автома- , Визированного конструирования тпп и
ИНЖЕНЕРНОГО АНАЛИЗА
М атериально-техническое . снабжение
1\
\
ПОДГОТОВКА И ПЕРЕДАЧА,1 ДАННЫХ В | , ОРГАНИЗАЦИ- j i ОННО-ЭКОНсГ-"' i МИЧЕСКУЮ, :СИСТЕМУ i ; ПРЕДПРИЯ- ¦ ' ТИЯ ----------;
?, /?/' БАЗА \%\
<>-*:W данных |гл>
5 ',¦?¦ ПРОЕКТА^
%
О .' О
СИСТЕМА '
подготовки
И ЗАПУСКА '• ИЗДЕЛИЯ ' ВПРОИЗВОД-CTBOV
Утилизация
СИСТЕМА I
ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ИЗДЕЛИЯ
Подготовка производства и изготовление
Ремонт и модернизация 6
: Обучение : эксплуатации : i и эксплуатация '! изделия '
Рис. 1 Основные компоненты жизненного цикла изделия для формирования единого информационного пространства
На уровне предприятия в первую очередь необходимо подготовить базу, способную воспринять новые информационные технологии. Для этого необходимо предусмотреть создание автоматизированных рабочих мест,
16

Получить работу