Синтез производственных систем на этапах инновационно-технического развития промышленности Донецкой Народной Республики

Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, Макеевка, Россия, vnr53@ ,

Введение . Современные тенденции развития научного потенциала на этапах перехода к промышленной революции (Industry 5.0) обусловливают необходимость внедрения передовых технологий и методов управления, сочетающих в себе различные цифровые инструменты (Industry 4.0) разработки эффективных управленческих решений, способные расширить возможности персонала, максимально повысить результативность его труда, обеспечить выход производителей на новый конкурентный уровень. Основой цифровой трансформации в России стали принятые в 2017 г. документы – «Стратегия развития информационного общества в Российской Федерации на 2017–2030 годы»¹ и программа «Цифровая экономика Российской Федерации»², в которых в качестве базы для научно-технического прогресса определены широкая автоматизация и цифровизация технологических производственных процессов, реализуемые на основе унифицированных модулей оборудования робототехнических комплексов. В этих же документах отмечена необходимость дальнейшего рассмотрения промышленной революции не как совокупности отдельных производств, а как целостной системы межотраслевой специализации и кооперирования производств.

Результатами и перспективами новой промышленной революции (Industry 5.0) должно стать применение аппарата, предполагающего внедрение в практику управленческой деятельности современных достижений. Именно это положение остается одной из важнейших задач технологического и экономического развития пространственно-отраслевой структуры производственной системы (процесса) промышленных предприятий Донецкой Народной Республики. Информационной основой таких производственных систем должна стать единая база данных, доступность современных цифровых и сетевых технологий, нового программного обеспечения, информационно-коммуникационных технологий. Успешность модернизации производственных систем во многом будет зависеть от осуществления структурных изменений, направленных на адаптацию производственных процессов к меняющемуся спросу и соблюдению технологических требований. Следовательно, подтверждается необходимость разработки методических и методологических системных подходов к проектированию прогрессивных форм организации производства и производственной системы (ПФОП и ПС).

В настоящее время исследования в данной области ведутся как отечественными, так и зарубежными учеными и специалистами-практиками. Научной основой работ по информационно-методическому обеспечению цифровизации системы качества (Industry 4.0) стали идеи Д. Чампи, М. Хамера (Хаммер, Чампи, 1999) – учеными обоснована информационно-методическая область цифровизации бизнес-процессов во вспомогательных производственных системах. Отметим, что идеология сертификации и стандартизации бизнеса предопределяет необходимость исследования процессного производства в инновационных технологических системах, что отмечено в научных трудах мировых классиков и российских ученых, посвященных внедрению процессного управления на предприятии. Так, И.Л. Авдеева, А.С Цысов изучают теоретические и практические вопросы вовлечения предприятий в процессы развития четвертой промышленной революции как формы создания цифровых двойников производства (Industry 4.0) (Авдеева, Цысов, 2020).

Исследование А.Н. Алексеева, Г.В. Королёва посвящено моделированию процесса цифровизации предприятия, который может быть использован для реорганизации организационной структуры управления им с целью повышения инвестиционной привлекательности (Алексеев, Королёв, 2019).

О.В. Алешкина, К.В. Апокина изучают тенденции активного применения информационных технологий в различных сферах общества (Алешкина, Апокина, 2019).

Исследование С.В. Амелина нацелено на необходимость модернизации отечественных производственных систем в условиях цифровизации (Амелин, 2020.

Процессы перехода к пятой промышленной революции (Industry 5.0) в России рассмотрены в работах Т.А. Кузовковой и коллег (Анализ цифрового развития в России и моделирование оценки его вклада в национальную экономику …, 2019).

Целью исследования А.В. Брагиной, Ю.В. Вертаковой, А.В. Евченко стала разработка модифицированной методики комплексного оценивания уровня динамики развития промышленного предприятия для стратегического и тактического планирования и его развития в условиях цифровизации (Брагина и др., 2020).

О.А. Булавко, Л.Р. Туктаров в своих трудах рассматривают ключевые направления совершенствования эффективности развития отраслей реального сектора экономики в свете инвестиционно-инновационного развития (Булавко, Туктарова, 2020).

Научное исследование А.И. Боровкова и коллег направлено на формирование рамочных условий для поиска, отбора и целевой поддержки проектов по развитию новых производственных технологий (Дорожная карта по развитию сквозной цифровой технологии «Новые производственные технологии». Результаты и перспективы …, 2019).

Л.М. Давиденко с единомышленниками анализирует вопросы, направленные на освещение ресурсной парадигмы внедрения цифровых элементов в операционную, финансовую и инвестиционную сферы деятельности предприятия (Давиденко и др., 2020).

Вместе с тем до настоящего времени не охвачены исследовательским вниманием проблемы процессного проектировании оптимальных параметров взаимосвязи показателей технической и экономической эффективности на этапах реконструкции и технического перевооружения производства при проектировании прогрессивных форм организации производства и производственных систем (ПФОП и ПС).

Методы . Основой настоящей работы являются общепринятые в экономической науке методы научного анализа и синтеза, индукции и дедукции, обобщения, сопоставления, математического моделирования. Также нами использовались частнонаучные методы структурно-функционального и системного подхода – для оценки качества производственных систем (процессов) и синтеза производственных структур, позволяющие выполнить определенные функции и решить часть задач системы технологической подготовки производства (СТПП).

Результаты . Проведенное исследование позволило сформулировать системный подход к синтезу производственных структур, научно обосновать техническую эффективность и качество проектируемой производственной системы на основе аналитической инновационной модели в экономических условиях Донецкой Народной Республики. Предложено: выделить стадии математического преобразования информации на этапах инженерного проектирования ПФОП и ПС, учитывать пространственно-отраслевые динамические характеристики уровня системы, обосновать группы компонентов, составляющие техническую эффективность на уровне функционирования элементов производственной структуры и ее в целом; в потоковом представлении в формате IDEFO ( Integration Definition For Function modeling ), проанализировать блок-схему, последовательно отражающую взаимосвязь этапов инженерного проектирования элементов ПФОП и ПС в целом; обосновать методический подход к оценке качества производственного процесса на основе количественного критерия технологического параметра ( ZBB – Zero-Based Budgeting ) на примере действующей производственной системы процессного производства.

Обсуждение . Надо признать, что производственная структура определяет громадное разнообразие возможных путей достижения производственной системой поставленных перед ней целей, то есть желаемых показателей ее функционирования в процессе технологической революции, как, например, достижение наивысшей производительности Y и наименьшей себестоимости S или связанных с ними величин производственной мощности M и капитальных затрат Z на ее внедрение. На этапах принятия инженерных решений в процессе проектирования ПФОП и ПС возможности элементов структуры должны быть гибко взаимосвязаны с набором технологических показателей и динамических характеристик производственного процесса, который отражает его качество.

Одним из эффективных инструментов построения имитационной модели процессного производства в настоящее время является пакет прикладных программ системы моделирования элементов ПФОП и производственной системы (ПС) в целом в формате IDEFO (Integration Definition for Function Modeling), работающий под управлением операционной системы потокового контроля, характеризующий количественные и качественные параметры процесса. В этом случае к динамическим характеристикам взаимосвязи показателей технической и экономической оценки результативности и эффективности ключевых показателей качества производственных процессов (КПКПП) целесообразно отнести величину незавершенного производства (произведенного, но находящегося на складе) H, скорость производственного процесса V, оперативное время процесса T, трудоемкость процесса, зависящую от продолжительности процесса во времени (межоперационного задела) W. Кроме перечисленных характеристик, отражающих качество производственного процесса, необходимо отметить аналогичные характеристики на уровне функционирования отдельных элементов структуры – l, h, w, t. Обоснование состава и характеристик производственной структуры целесообразно производить на начальных этапах проектирования ПФОПиПС, а окончательный вариант – по экономической эффективности возможных вариантов структуры. В связи с тем, что экономический анализ из-за трудоемкости его проведения охватывает всего лишь несколько вариантов производственной структуры, точность и достоверность стоимостных оценок S и Z, особенно для технологичного цикла производственного процесса, как свидетельствует практический опыт, является невысокой и зависит от научного обоснования необходимой мощности проектируемой системы M и достигаемой при этом производительности Y. Эти важнейшие динамические характеристики производственной системы являются основными составляющими технической эффективности. Необходимо отметить, что, учитывая практические аспекты, на стадиях, когда формируются и принимаются технические решения, значимые показатели технической эффективности производственной структуры оцениваются субъективными методами, поэтому важно наиболее корректно определить характеристики математического преобразования исходного варианта производственной структуры.

На этапах принятия инженерных решений (рис. 1) представлены стадии математического преобразования информации, пространственно-отраслевые временные характеристики уровней системы и производственного процесса. Так, имея входную информацию о разрабатываемом объекте Х 1 = {D,N, G,t,R} , где D - производственная программа (номенклатурная позиция) (ПП);

N - объем выпуска в физическом выражении N 2 = {N^d = 1 ... D;

G - технологические процессы и инженерные решения;

т- нормы и нормативы использования ресурсов (энергия, товарно-материальные ценности); R - продолжительность процесса (сменность, режим, время), всегда традиционными мето дами можно определить исходные характеристики структуры проектируемой ПФОП и ПС У1 =

(m, K,R,^, L} .

Рисунок 1 – Логическая схема математического преобразования информации на этапах инженерного проектирования ПФОП и производственной системы (ПС)

Уровень производственного процесса и пространственно-отраслевые временные характеристики

Figure 1 – Logical Scheme of Mathematical Transformation of Information at the Stages of Engineering Design of PFOP and Production System (PS)

Составляющие вектора Y 1, могут включать следующие величины:

m – число групп основного технологического производства, складского оборудования, транспортного, а также группы обслуживающего персонала;

K – емкость групп (оценка их количественного содержания (объемы, руб., шт. и др.)) к = {K 1 }.i = 1,2,., т;

R - коэффициент загрузки или групп R = {R 1 }. i = 1,2, .,т;

р - производительность групп д = {^ 1 }. i = 1,2, ...,т;

L – предполагаемая периодичность изменения технологического цикла процесса L = {L 1 }, где dE D.

На основании фиксированных значений X 1 и Y 1 делается попытка научного обоснования качества проектируемой системы Y = {^,2,S,Z}.

При этом из-за сложности анализа показателей, характеризующих экономические составляющие групп (производительность, коэффициент загрузки, системность технологического цикла, функционал), игнорируется качество производственного процесса Y 2 .

Такое положение дел подтверждает отсутствие инженерных методик и системных подходов их расчета и является одной из причин неопределенности при окончательном выборе вариантов структуры и оценке эффективности ПФОПиПС в целом. Для качественного определения составляющих вектора Y 2 и диапазона изменений условий производства необходимо: применение теории для анализа производственных процессов в проектируемых ПФОПиПС; фиксация в техническом задании (ТЗ), технологической инструкции (ТИ) ограничений на его качество. На потоковой схеме (рис. 2), представлено графическое изображение проектирования элементов ПФОП и производственной системы (ПС) в формате IDEFO (Integration Definition For Function Modeling), где последовательно отражаются: взаимосвязь этапов моделирования блок-схемы, инженерные решения, наиболее эффективные методы и параметрические показатели.

Потоковая схема качества производственной системы отражает:

• –    состав функций производственного процесса в последовательности их выполнения;

• –    исполнителей;

• –    документы и результаты;

• –    информационные потоки, используемые в рамках производственной системы;

• –    данные, необходимые для проведения синтеза эффективности организационной структуры. Параметрические показатели включают:

• –    оптимизацию производственной системы при заданных параметрах ограничения на качество процесса Y 2 ;

• -    оптимизацию структуры при ограничениях на качество системы в целом Y .

Описание блок-схемы в формате IDEFO представляет собой последовательность следующих действий: выделение исходной структуры (блок 2) на этапе макропроектирования процесса (блок 5) путем преобразований Y = f(X 1 ) , проверка соответствия качества производственного процесса требованиям технического задания (ТЗ), которая осуществляется в виде анализа результатов моделирования процесса, развиваемого в исходной структуре (блоки 4, 6, 8). При положительном результате последней можно считать, что синтез системы завершен, и инженерные решения обоснованы. В противном случае необходимо перейти на этап параметрической оптимизации системы (блок 7).

Изменение параметров системы X₂ (X₂ = X₁,U,Y₁) и Y 2 вызывает многократное повторение операций блоков 6 и 8. При достижении необходимого соответствия качества процесса требованиям технологического задания синтез системы считается завершенным, а структура системы – обоснованной.

Следует заметить, что характеристики входящие в состав вектора Y 1 , не дают полного представления об аналитике показателей, характеризующих производственную систему. Это объясняется тем, что до недавнего времени проектируемые системы были относительно просты, управлялись человеком и потому «прощали» неточности, допущенные при проектировании.

Выполним анализ критерия качества процесса производственной системы, охватывающего количественный технологический параметр ZBB ( Zero-Based Budgeting ), измеряющий весь объем операций, на примере технологического цикла прокатного передела процессного производства. Научные исследования в предложенном направлении фрагментарны, не на должном уровне разработаны методы, позволяющие учитывать динамические характеристики производственной системы.

Расчёт значения ZBB по выбранному показателю и выявление отклонений (потерь) при сравнении его с фактическими данными (определение потенциала улучшения) требует анализа конкретных причин по каждому фактору исследуемых параметров процесса, за которые отвечают определенные исполнители, и оценки задач оптимальности выполняемых ими действий.

Рисунок 2 – Графическое изображение проектирования элементов ПФОП и производственной системы (ПС) в целом в формате IDEFO (Integration Definition for Function Modeling)

Figure 2 – Graphical Representation of the Design of PFOS and Production System (PS) Elements in General in the Format of IDEFO (Integration Definition for Function Modeling)

Определение причин возникновения отклонений . После расчёта ZBB и определения его отклонения от фактического значения (табл. 1) необходимо определить причины (факторы), влияющие на возникновения отклонения. Методический подход анализа причин отклонений от оптимальных параметров качества процесса производственной системы прокатного передела представлен на рис. 3.

Таблица 1 – Определение отклонения ZBB от фактического значения

Рисунок 3 – Методический подход определения причин возникновения отклонений ZBB (Zero-Based Budgeting)

Table 1 – Determination of ZBB Deviation from the Actual Value

	Параметр 1	Параметр 2	Параметр 3	Параметр 4	Параметр 5	Параметр 6
Факт	8	3	5	6	3	9
ZBB	5	2	4	2	3	7
Отклонение	3	1	1	4	0	2

Факт	Отклонение по	Отклонение по	Отклонение по	Отклонение по	Отклонение по	Отклонение по	ZBB
	причине	причине	причине	причине	причине	причине
	несоответствия	несоответствия	несоответствия	несоответствия	несоответствия	несоответствия
	пра метра 1	пра метра 2	пра метра 3	пра метра 4	прамегра 5	прамегра 6

Figure 3 – Methodological Approach for Determining the Causes of Deviations ZBB (Zero-Based Budgeting)

Если анализируемый показатель объединяет в себе показатели нескольких единиц оборудования (агрегатов), отклонения от ZBB необходимо анализировать по каждому агрегату отдельно. Для этого следует сравнить факторы, параметры, условия, учитывающиеся в расчёте ZBB, с фактическими значениями за рассматриваемый период. В случае наличия отклонений расчётно определяем величину влияния того или иного отклонения на анализируемый показатель.

Определение причин возникновения отклонений по каждому фактору. Следующий шаг построения – это определение причин (первопричин) отклонения фактического значения параметра от значения, используемого в расчёте ZBB. На первом этапе необходимо установить первоочередность анализа причин отклонения того или иного фактора. Для этого целесообразно использовать такие инструменты анализа, как:

– диаграмма Парето (рис. 5);

– АВС-анализ (рис. 6).

Арматура  Арматура  Арматура  Арматура  Арматура  Арматура  Арматура   Круг 40   Арматура  Арматура  Арматура  Арматура Прочее

№12    №10    №16    №14    №20    №25     №8             №22    №18    №28    №32

Рисунок 5 – Диаграмма Парето

Figure 5 – Pareto Diagram

Выход недокатов на прокатном стане с разбивкой по месту возникновения

Рисунок 6 – АВС-анализ

Figure 6 – ABC analysis

На втором этапе для определения первопричин возникновения отклонения рекомендуется использовать следующие инструменты:

– «5 почему» (рис. 7);

– диаграмма Ишикавы;

– мозговой штурм.

Рисунок 7 – Инструмент для определения первопричин возникновения отклонения «5 почему»

Figure 7 – Tool for Identifying the Root Causes of the “5 Why” Deviation

Методический подход оценки отклонений от оптимальных параметров процесса производственной системы прокатного передела отражен на рис. 8.

Зарастание газоходов

Возможные течи КУ-40

Работа дымососа в ППР

Подсосы в корпусе

Температура внутри тракта

Абразивный износ секций котла

Нет СОП при возникновении внештатной ситуации на КУ-40

Образование мелкофракционной пыли в процессе обжига известняка (более 70 мг/м3

Отсутствие регламента работы в ППР

Внезапное прекращение подачи питательной водЦ| на КУ-40

Известняк

Влажность известняка

Перерасход электроэнергии по дымососам

Рисунок 8 – Методический подход оценки отклонений от оптимальных параметров процесса производственной системы прокатного передела

Недостаточное разряжение по газоотводящему тракту

Неудовлетворительное состояние уплотнительных узлов

Вибрация оборудования

Наличие вредных прососов

Закупоривание котла

Планирование и обеспечение специалистами при проведении ППР

Износ фланцевых соединений

Подсос воздуха на холодном конце печи

Конструктивное отсутствие уплотнений

Состояние лабиринтового уплотнения

Опыт работы

Отсутствие СОП по процессам

Мотивация

/1знос крыльчатки дымососа

Неудовлетворительное состояние газоотводящего тракта печи

Подсосы

Замусоренность газоходов

Обрушение футеровки

Абразивный износ футеровки

Точность измерения

Обслуживание оборудования

Тип оборудования

Доля мелкой фракции известняка (5-10 %)

Figure 8 – Methodological Approach for Estimating Deviations from Optimal Process Parameters of the Rolling Mill Production System

Заключение. Направление развития промышленной революции (Industry 5.0) свидетельствует о внедрении в практику использования новых типов оборудования, к которым относятся: робототехнические устройства, безотходные и безлюдные технологии, гибкие автоматизированные технико-технологические платформы различных стадий производственного процесса. Цифровизация производственных систем, развиваясь ускоренными темпами, выступает в роли локо- мотива технологического развития пространственно-отраслевой структуры. В этой связи мы сделали попытку проанализировать технологические и инженерные циклы производственной системы, взаимосвязи технической и экономической оценки результативности и эффективности ключевых показателей производственных процессов, научного обоснования качества проектируемой системы. В ходе ведения исследования в этом контексте подтвердилась основная его гипотеза, согласно которой взаимосвязь показателей технической и экономической эффективности при проектировании прогрессивных форм организации производства находится в прямой зависимости от характеристик основного процесса, которые отражают его качество.

Построение имитационных моделей проектируемых производственных систем позволяет до их эксплуатации определить и устранить узкие места, учитывать влияние аварийных ситуаций на стабильность выполнения плановых показателей работы системы в заданных параметрах качества процесса. Здесь же могут быть решены не поддающиеся расчету задачи определения переходных оптимальных характеристик производственной системы, которые позволят обеспечить синхронизацию и увязку с другими технологическими элементами и системами. Методологический базис значительно улучшит эффективность принятия инженерных и экономических решений, направленных на внедрение цифровых технологий, а также будет способствовать исследованию свойств инженерных технологий, влияющих на развитие прогрессивных форм организации производства и пространственно-отраслевой структуры его системы.