Реализация методологии автоматизации системы моделирования и управления производственной логистикой для машиностроительного предприятия

В продолжение цикла статей по методологическим вопросам оптимизации производственного планирования, автоматизации и компьютеризации процессов управления производством [2, 3, 23], окончен-

ГРНТИ 06.81.23

Павел Александрович Аркин – доктор экономических наук, профессор, профессор кафедры процессов управления наукоемкими производствами Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого; заместитель генерального директора по инновациям ООО «ХОЛДИНГ ЛЕНПОЛИГРАФМАШ».

Кирилл Александрович Соловейчик – доктор экономических наук, доцент, заведующий кафедрой процессов управления наукоемкими производствами Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого; вицепрезидент Торгово-промышленной палаты Санкт-Петербурга; президент ОАО «ЛЕНПОЛИГРАФМАШ».

Ксения Георгиевна Аркина – кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры математического анализа Российского государственного педагогического университета имени А.И. Герцена» (г. Санкт-Петербург).

Контактные данные для связи с авторами (Аркин П.А.): 197376, Санкт-Петербург, наб. реки Карповки, 5 (Russia, St. Petersburg, Karpovki emb., 5). Тел.: 8 (812) 234-85-95.

Статья поступила в редакцию 01.10.2018.

ных разработкой методологии оптимизационных подходов при разработке системы бизнес-анализа и прогнозирования для машиностроительного предприятия [3], данная статья рассматривает вопросы автоматизации системы моделирования и управления производственной логистикой.

В общем смысле задачей логистики является такая организация экономических систем, состоящих из элементов с имманентными целями, которые, используя воздействия внешних сред, обеспечивают оптимальную последовательность состояний этих систем. Частной задачей логистики является оптимизация материальных и сопутствующих им потоков, являющихся результатами функционирования экономических систем.

Как и любая наука, логистика, в зависимости от сферы применения или масштаба решаемых проблем, предполагает некоторый собственный терминологический аппарат. Так, один подход различает [10, 11, 17, 18, 21]: заготовительную логистику, связанную с заготовкой или закупкой товаров, материалов, комплектующих и т.п.; производственную логистику, связанную с прохождением материальными средствами производственных звеньев; распределительную логистику, специализирующуюся на сбыте, реализации продукции. Другой подход позволяет выделить: производственную логистику; транспортную логистику, решающую комплекс задач, связанных с организацией перемещения материальных средств транспортом общего пользования; информационную логистику, решающую задачи построения интегрированных информационных систем и выбора эффективных информационных технологий [13].

Наличествует большое количество классификаций, но, тем не менее, неизменным является понятие потока, как системообразующего в логистике. Причем потока товарно-материального и сопутствующих ему информационного, финансового, кадрового и т.д. Поэтому деление логистики определяется делением в зависимости от вида товарно-материального потока:

• 1.    Заготовка или закупка товаров, материалов, комплектующих и т.п. с сопутствующими и/или обратными финансовыми и информационными потоками – заготовительная логистика.

• 2.    Сбыт и реализация продукции с сопутствующими и/или обратными финансовыми и информационными потоками – сбытовая логистика.

• 3.    Прохождение материальных средств от производственного склада через обработку на производстве до склада готовой продукции с сопутствующими и/или обратными информационными потоками – производственная логистика.

Здесь необходимо особо отметить, что, так как производство, то есть обработка сырья и комплектующих до стадии готовой продукции на данном предприятии, осуществляется в рамках одного предприятия, то отличием производственной логистики предприятия будет отсутствие финансовых потоков, в отличие от других видов логистики. Так как далее в данной работе будет рассматриваться вопрос управления именно производственной логистикой, то необходимо дать два уточнения:

• 1.    Иногда применяется термин внутрипроизводственная логистика [12, 19]. Если у Плоткина Б.К. в [19, таблица 2] внутрипроизводственная логистика упоминается как минимум производственных звеньев при производственной структуре как составляющей организационно-технологические условия для мониторинга конкурентоспособности, с чем можно согласиться, то у Квашниной О.Н. в [12, рисунок 1] внутрипроизводственная логистическая система содержит в качестве составляющего элемента логистику производства, что выглядит несколько странно терминологически. Тем не менее, в дальнейшем, мы не видим смысла отличать производственную логистику от внутрипроизводственной.

• 2.    Сегодня производственный процесс часто строится на одном предприятии как имущественном комплексе структурно в форме холдинга или на ряде предприятий в форме кластера [4, 8, 9]. В этом случае естественно между юридическими лицами наличествуют финансовые потоки, но эти формы кооперации одновременно порождают и большое количество вопросов и проблем в различных областях, поэтому в данной статье мы их не рассматриваем.

Организацию производственных логистических систем для эффективного протекания различных сложных производственных процессов целесообразно рассматривать, как совокупность двух взаимоувязанных операций: формирование структуры производственной логистической системы, соответствующей цели (целям) функционирования; определение оптимального (рационального) порядка согласованного функционирования элементов производственной логистической системы.

Формальная трактовка понятия «структура системы» определяет ее как произвольный граф G = с кратными ребрами (мультиграф), где Q – множество вершин, U – множество ребер, µ – отношение инцидентности (инцидентор). Выражение µ (x, u, y) означает высказывание: «ребро u соединяет вершину x с вершиной y», причем удовлетворяются условия: инцидентор определен на всех таких упорядоченных тройках элементов x, u, y, для которых x, y ∈ Q и u ∈ U; каждое ребро соединяет какую-то пару упорядоченных вершин x, y, но кроме нее может соединять еще только обратную пару y, x.

Инцидентор можно рассматривать, как отображение множества упорядоченных пар вершин в совокупность 2^u подмножеств из U (то есть позволяет представить граф, содержащий U ребер, как 2^u различных графов). При этом множество U состоит из подмножеств V и W соответственно ориентированных и неориентированных ребер. Из множества Q выделяют подмножество Q 0 вершин, называемых полюсами, а из множества U – подмножество U 0 краевых ребер (таких, которые инцидентны хотя бы одному полюсу), одновременно на множества, составляющие G, накладываются условия:

• 1.    U = V ∪ W; V ∩ W = ∅ .

• 2.    Для любого ребра u ∈ U существует единственная пара вершин p,q ∈ Q, инцидентных u.

• 3.    Для любого полюса q ∈ Q 0 найдется единственное краевое ребро u ∈ U 0 , которому инцидентна вершина q.

• 4.    Для всякого краевого ребра u ∈ U 0 найдется единственный инцидентный ему полюс.

В таком представлении структуры роль входов и выходов системы играют полюсы. Назначение отдельных элементов в структуре определяется теоретическим положением структурно-функционального подхода: система – это структура, вершинам которой поставлены в соответствие функции, а ребрам – базисные множества, на которых эти функции определены. Основываясь на приведенном определении структуры и положениях общей теории систем, из множества систем можно выделить конечные и бесконечные, континуальные (непрерывные) и дискретные системы – в зависимости от мощности множеств вершин и ребер G; на ориентированные (множество W=∅), неориентированные (V=∅) и частично-ориентированные (оба множества V и W непустые), на системы с постоянной и переменной структурами и т.д. Очевидно, что производственные логистические системы по своей при- роде конечные и ориентированные.

Организация практически всех производственных логистических систем (как и большинства систем управления) основана на различных отношениях иерархии и представляет особую сложность, поскольку предполагает решение задач: выбора эффективной структуры, распределения задач по уровням системы, установления правильных взаимоотношений между уровнями, координации и руководства общей деятельностью подсистем. Широко используемый подход к построению и исследованию систем с иерархической структурой [5, 6, 7, 14, 15, 16, 20] предполагает разбиение системы на некоторое число уровней. Для различия уровней применяется понятие «страта» («слой», «эшелон»).

Формирование систем с помощью страт имеет следующие особенности: выбор страт для построения (синтеза) конкретной системы зависит от лица, принимающего решение, и целей системы; основные принципы и характеристики системы, описываемой на каждой страте, являются независимыми, т.е. не выводятся из принципов, используемых на других стратах; требования, предъявляемые к работе системы, описываемой на каждой страте, обусловливают ее деятельность на нижестоящих; элемент системы на высшей страте рассматривается как совокупность других элементов (как система) на низшей, таким образом, с понижением уровня иерархии структура системы детализируется.

Формальное представление понятия страты базируется на определении системы S как отношения на множествах X, Y входов и выходов соответственно: S ⊂ X • Y. Если S – однозначное отображение X в Y, т.е. S: X → Y, то такая система называется функциональной. Элементы X называют также стимулами (внешними стимулами), элементы Y – откликами. Основой стратифицированного формирования (описания) функциональной системы S: X → Y является условие представимости множеств X и Y в виде декартовых произведений:

• X = X1 • X2...Xn;

Это дает возможность разбить стимулы и отклики на компоненты и приписать каждую пару вида (X i , Y i ) определенной страте. В этом случае i-я страта системы S – это система, определяемая отображением S_i со свойствами:

S n : X n

• R n → Y n ;

• S i : X i • E i • R i → Y i , i = 2,..., n-1;

S 1 : X 1 • E 1 → Y 1 , где X i , Y i – множества стимулов и откликов i-й страты, E i и R i – множества стимулов, исходящих от страт, примыкающих к i-й страте соответственно сверху и снизу (по иерархии).

Стратификацией системы S принято называть семейство систем S i (i = =1, ..., n), если существуют два семейства отображений:

h i : Y i → R i+1 , i = 1,..., n-1;

• c i : Y i → E i-1 , i = 2,..., n, причем для любого x ∈ X и y = S (x) выполнены условия:

y_n = S_n (x_n, h_n- 1 (y_n- 1 ));

y i = S i (x i , c i+1 (y i+1 ), h i-1 (y i-1 )), i = 2,..., n-1;

y 1 = S 1 (x 1 , c 2 , y 2 ).

Отображения hi и ci называют соответственно информационной и распределительной функциями i-й страты.

Понятие «слой» относится к процессу принятия решений. При организации производственной логистической системы, функционирующей в сложных ситуациях, когда, с одной стороны, необходима оперативность в действиях, а, с другой стороны, действовать необходимо в условиях некоторой неопределенности, используется иерархический подход, заключающийся в определении совокупности задач, решаемых в такой последовательности, что результаты решения одной из них однозначно определяют исходные данные другой, позволяя приступить к ее решению. Таким образом, организация системы должна обеспечивать процесс принятия решения как некоторую иерархию, которую называют иерархией слоев принятия решений, а всю систему – многослойной системой.

Вместе с этим, необходимо учитывать, что постановка большинства прикладных задач, решаемых на различных уровнях системы, предполагает их многокритериальность, т.е. выбор решения x из заданного (или возможного) множества X проводится при наличии не одной, а ряда целевых функций F = {fi (x)}, i = 1, ..., n (имеется ввиду, что x – определенный вариант поведения или т.н. вектор). Следовательно, производственная логистическая система должна быть организована таким образом, чтобы отдельные ее подсистемы не просто выполняли строго предписанные функции, исходя из заданных условий, но и имели «кооптированные полномочия» центра для принятия самостоятельных решений в неоднозначных ситуациях. При этом должна сохраняться управляемость производственной логистической системы. С математической точки зрения это чаще всего означает сведение многокритериальной задачи к однокритериальной. Более подробно это описано в [1].

Применение при разработке программы для ЭВМ «КАСКАД. Управление производственной логистикой» новых алгоритмов на базе описанного выше математического аппарата позволит проводить многофакторное моделирование сквозного процесса управления потоками товарно-материальных ценностей на промышленных предприятиях, осуществлять прослеживаемость движения потока, а также учитывать расписание загрузки промышленного оборудования. Дополнительно предполагается с помощью новых алгоритмов и 3D технологий разработать систему наглядного отображения результатов работы алгоритмов оптимального расположения товарно-материальных ценностей при ведении складского учета и загрузки транспортных средств с учетом распределения нагрузки по осям в соответствии с требованиями, предъявляемыми к грузоперевозкам по территории Российской Федерации.

Созданная программа для ЭВМ «КАСКАД. Управление производственной логистикой» будет обладать следующими свойствами:

• 1.    Повышение качества принимаемых управленческих решений и сокращение сроков производственного цикла за счет использования механизмов имитационного моделирования для оценки и прогнозирования возможных рисков и выгоды при реализации тех или иных производственных мероприятий (например, увеличение доступности производственных ресурсов).

• 2.    Предотвращение финансовых потерь в виде штрафов за превышение предельно допустимой загрузки транспортных средств (допустимая нагрузка на ось), установленной нормативными правовыми актами Российской Федерации и нормативными актами федеральных и региональных органов исполнительной власти, за счет расчета оптимальной загрузки транспортного средства с использованием вероятностных алгоритмов и визуализации результата с помощью 3D моделирования.

• 3.    Балансировка складских запасов, обеспечивающая необходимый объем складских остатков для увеличения товаропотока и эффективной работы предприятия с использованием ABC-XYZ анализа: большие, долго нереализуемые остатки требуют затрат на их содержание, в тоже время отсутствие необходимого объема и ассортимента может привести к потере продаж и соответственно прибыли.

• 4.    Сокращение стоимости и времени на выполнение складских операций (в том числе прогона складской техники) за счет оптимизации размещения товарно-материальных ценностей (Slotting Optimization), использования штрихкодирования и средств визуализации загрузки помещения в трёхмерном пространстве: повышение доступности высоко оборачиваемых товаров на складе для максимально оперативной сборки и отгрузки.

Для решения поставленных в данном проекте задач задействованы современные методы создания и визуального представления алгоритмов работы программных модулей, сформированы функциональные требования к разрабатываемой программе для ЭВМ, проведена процедура итеративного согласования сформированных требований с потенциальными пользователями со стороны предприятий, участие которых предполагается на этапе опытной эксплуатации.

Перед началом программной реализации будет разработан прототип (модель). На этапе проектирования и разработки задействованы типовые возможности программной платформы «1С: Предприятие 8.Х» в части отладки программы для ЭВМ и совместной разработки программных продуктов. Также используются наработки в области производственного планирования и прогнозирования: разработанные алгоритмы и опыт построения производственных планов и прогнозов оказали влияние на качество разрабатываемого алгоритма содержащегося в основе системы моделирования, а полученный результат в процессе разработки и опытной эксплуатации системы оперативного управления производством обеспечивает лучшее понимание потребностей сотрудников производственных и обеспечивающих подразделений в части удобных интерфейсов получения результатов моделирования.

В качестве задела для разработки программы ЭВМ «КАСКАД. Управление производственной логистикой» использованы разработанные ранее программы для ЭВМ: «Комплексная информационная система управления машиностроительным предприятием "1С: КАСКАД"» (получено Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014616205 от 16.06.2014 г.; программа поставлена на учет с первоначальной стоимостью на 01.01.2015 г. 1 000 000,00 рублей); «КАСКАД. Управление жизненным циклом изделия» (получено Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2016617323 от 01.07.2016 г.; программа поставлена на учет с первоначальной стоимостью на 01.07.2016 г. 1 090 033,05 рублей); «КАСКАД. Анализ производственных процессов» (получено Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018610639 от 15.01.2018 г.; программа поставлена на учет с первоначальной стоимостью на 15.01.2018 г. 1 090 778,91 рублей).

В качестве индустриальных партнеров выступают лидеры в области промышленного производства Санкт-Петербурга, Московской области, ряда областей центральной России, а также Республики Казахстан. Проект выполняется в рамках дорожной карты «Teхнет» Научно-технологической инициативы (Программа мер по формированию принципиально новых рынков и созданию условий для глобального технологического лидерства России к 2035 году) Агентства стратегических инициатив (далее – НТИ АСИ), так как результаты проекта будут относиться к сквозным технологиям НТИ АСИ и применимы для всех рынков НТИ АСИ.

Проект относится к приоритетной группе технологий «Программные комплексы на основе методик многоуровневого междисциплинарного цифрового проектирования и оптимизации обеспечивающие автоматизированный поиск парето-оптимальных решений на каждом из уровней матрицы требований с помощью подключаемых внешних оптимизаторов». Данное отношение обусловлено применимостью разрабатываемой системы моделирования движения материальных потоков в первую очередь для производственных предприятий. Так как именно там будет достигаться максимальный эффект от выстраивания оптимальных материальных потоков в условиях существенного взаимного влияния параметров обеспеченности производства и параметров прослеживаемости и изменчивости требований к материальным потокам в производственном процессе.

Работы по проекту направлены на создание партнерств, для формирования консорциумов по реализации проектов по приоритетным направлениям НИОКР (элементов ДК «Технет»), направленных на преодоление научно-технологических барьеров ДК «Технет». Соответствие заявленному значимому контрольному результату обосновано необходимостью комплексного подхода к созданию автоматизированной системы моделирования производственной логистики, апробирования алгоритмов и разработанного программного кода в условиях действующего производственного процесса. Без создания партнерств из компаний, занимающихся аналитической деятельностью в части разработки алгоритмов, разработки программных продуктов и индустриального партнёра разработка сложных, автоматизированных систем моделирования не может привести к достижению эффективного результата.

В результате планируется преодоление барьера по увеличению скорости (не менее чем в 5 раз) и точности инженерных расчетов, а также сокращение вычислительных мощностей для проведения расчетов и представления результатов, по сравнению с лучшими современными программными продуктами. Такие результаты планируется получить за счет комплексного подбора алгоритмов и программных платформ для создания максимально эффективного с точки зрения быстродействия решения.

На сегодняшний день в Российской Федерации действует порядка 450 000 промышленных предприятий. Многие из них за последние годы смогли обеспечить автоматизацию основных функций ведения регламентного учета, учета закупочной деятельности, складского учета, казначейства и др. Также в силу объективных причин, прежде всего сложности решаемых задач, автоматизация производственного планирования и прогнозирования выполняется крайне слабо, либо не выполняется вовсе. В текущих условиях промышленные предприятия вынуждены искать новые источники повышения рентабельности, а исходя из факта отсутствия роста потребления, приходится искать внутренние резервы сокращения затрат.

Прежде всего, эти резервы имеет смысл искать в оптимизации процессов производственной логистики, которая охватывает контур не только управления производством, но и смежные области управления материальными потоками как внутри собственно производства, так и вне его. Получая единую автоматизированную, кросс функциональную систему моделирования и управления материальными и информационными потоками, возможно добиться существенных результатов в повышении эффективности деятельности предприятия при незначительных затратах. Принимая во внимание сложность процессов многокритериального моделирования, а также риски существенных потерь в случае не оптимально составленных планов-графиков обеспеченности производства средства автоматизации становятся более чем востребованными отечественными предприятиями.

Являясь разработчиком, использующим отечественную программную платформу для разработки программных продуктов, ООО «Каскад технологии» также получает преимущество по сравнению с иностранными производителями, не имеющим серьезного спроса со стороны промышленных предприятий с участием государства. Уже на сегодняшний день ряд крупных промышленных корпораций предлагают рассмотреть возможность внедрения в производственные подразделения разработанной ранее автоматизированной системы управления производством на программной платформе 1С: Предприятие 8.Х, при этом уже имея на предприятии внедренный программный продукт класса ERP производства – SAP. Такие предложения поступали ввиду желания заказчиков в разы снизить стоимость поддержки внедренных решений, а также снизить риски от использования программных продуктов иностранных производителей в условиях санкционного давления.

Если рассматривать среднесрочную перспективу, то очевидно стремление многих промышленных предприятий следовать концепции «Индустрия 4.0» [22]. Реализация подобной концепции приводит к качественным скачкам в повышении требований к ИТ-инфраструктуре, как аппаратной, так и программной части. Эффективность системы будет зависеть, прежде всего, от степени интеграции аппаратного обеспечения (стойки, контроллеры, датчики, счетчики, промышленные роботы и др.) и программного обеспечения. Другими словами, разработка предполагаемого программного модуля будет иметь спрос не только для автоматизации действующих, управляемых человеком производственных систем, но и для человеконезависимых, полностью автоматизированных гибких производств.

Рабочая группа Национальной технологической инициативы Агентства стратегических инициатив по передовым производственным технологиям (кросс-рыночное направление НТИ), куда входит ООО «Каскад технологии», обеспечивает впервые в России технологическую поддержку зарождения и развития рынков будущего и высокотехнологичных компаний посредством развития передовых производственных технологий, как в рамках рынка, так и путем кросс-отраслевого трансфера передовых технологий.

В настоящее время существует множество отечественных и зарубежных систем (SAP, AnyLogic, Microsoft Dynamics Axapta, Галактика), включающих модули управления производственной логистики. Программный продукт AnyLogic позволяет смоделировать совершенно разные системы, в том числе и для производства, предоставляя средства визуализации. Но для получения результатов требуется внести в систему все необходимые данные и сформировать алгоритм для моделирования. На средних и крупных промышленных производствах это не представляется возможным. Разработанная система моделирования направлена на оптимизацию производственных предприятий, поиск узких мест с выводом рекомендаций по их устранению, существенно снижая срок производственного цикла.

Также в качестве примера можно привести систему SAP, где так же, как и в MS Axapta в виде внутренних моделей используют «Best Practice». Данные практики формировались на иностранных промышленных предприятиях во вполне конкретных экономических условиях. Так же данные продукты требует существенных серверных мощностей и больших финансовых вложений в случае необходимости доработок, что в условиях среднего промышленного предприятия обеспечить весьма проблематично.

Еще одной успешной разработкой в области управления производственной логистикой является продукт компании «Галактика». На волне прогресса эта система уступает своим конкурентам, имея достаточно старый язык программирования и низкую производительность, что не позволяет делать сложные изменения при внедрении и приводит к дополнительным дорогостоящим крупномасштабным доработкам системы. Весьма старая архитектура не выдерживает никакой критики по быстродействию при необходимости решать сложные расчетные задачи, например, моделирование и оптимизация задач производственной логистики. В системе реализованы только механизмы управления производственной логистикой без ее моделирования и оптимизации.

В ходе разработки системы моделирования и управления производственной логистики применены новые алгоритмы, а также последняя версия платформы 1С: Предприятие 8.Х. Данный подход позволяет создать более эффективный с точки зрения времени расчетов продукт, при этом предприятиям – пользователям данной системы не понадобится приобретать дорогостоящие сервера повышенной мощности. Это в первую очередь отечественные машиностроительные предприятия, преимущественно дискретного типа производства. В условиях дефицита бюджетов на ИТ-развитие у многих промышленных предприятий основной упор будет делаться на продвижение разрабатываемого решения для предприятий ОПК и предприятий, уже использующих программную платформу «1С:Предприятие 8.Х». Анализ рынка свидетельствует, что для программного продукта имеется сформировавшийся как национальный российский, так и зарубежный рынок, в том числе Таможенного союза.