БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра менеджмента
РЕФЕРАТ
на тему:
«ОПТИМИЗАЦИЯ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА»
МИНСК, 2008
В условиях оживления и развития отечественной промышленностисущественно возрастает интерес к проблемам организации производства, и вчастности, к задачам оперативно-календарного планирования.
Календарные планы работы отдельных производственных ячеекпредприятия представляют собой расписания изготовления всех изделий, загрузкиоборудования и рабочих мест. Производственная ячейка — часть производственногопространства (станки, участок), на котором соответствующим образом организованыпроизводственные ресурсы и процессы.
Основными параметрами календарных графиков являются:приоритетность работ (очередность запуска изделий в обработку), размер партийзапуска и время опережения начала обработки изделий на связанных рабочихместах, размер незавершенного производства. Результатом составленияоптимального календарного графика является определение наименьшей длительностипроизводственного цикла, оказывающей существенное влияние на улучшениеэкономических результатов деятельности предприятия. В этом случае происходитснижение объема оборотных средств в незавершенном производстве, уменьшаютсяпростои оборудования и рабочих.
В производственных подразделениях машиностроительных предприятийкалендарное планирование в настоящее время основано главным образом намоделировании, позволяющем обеспечить пропорциональность, непрерывность,устранить «узкие места» и правильно установить приоритеты работ. Следуетотметить, что установление очередности запуска изделий в производство являетсяодной из основных задач, которую необходимо решить при составлении оптимальногокалендарного графика.
В силу этого, в качестве критерия оптимальности моделейцелесообразно использовать минимизацию длительности совокупногопроизводственного цикла. Под моделью производственного процесса понимается егопространственное построение, отражающее технолого-организационную сутьпоследнего через организационную структуру. Под моделью плана производства — количественно-временнаяорганизация предметов труда в ходе производственного процесса. Под модельюоперативного управления (части управляющей системы — надстройки) — функциональноевыделение той части управляющей системы, которая предназначена для удержаниясуществующих переменных управляемого объекта в заданных планом пороговыхзначениях.
Все существующие методы решения задач календарного планированияпо степени достижения экстремального результата подразделяются на две четковыраженные подгруппы — точных и приближенных решений.
К числу опробованных точных методов решения задачи моделированияотносятся методы линейного и динамического программирования, комбинаторныеметоды дискретного программирования и др.
Метод линейного программирования удачно использован С.М.Джонсоном для решения задачи нахождения оптимального по календарному времениплана обработки m деталей на двух станках. Алгоритм Джонсона чрезвычайно прост.Выбирается самое короткое операционное время, и если оно относится к первомустанку, планируют выполнение задания первым на первом станке, а если ковторому — то последним. Затем процедура повторяется до полного перебора всехзаданий на обоих станках. Имеются многочисленные обобщения правила Джонсона дляразличных случаев трехстадийной обработки деталей. Однако этот алгоритмнеприменим для случаев обработки деталей на большем количестве станков.
Метод динамического программирования удачно использован Р.Беллманом для однооперационного производства. Он дал частное решение задачиоптимального календарного планирования обработки совокупности изделий,имеющих одинаковый процесс производства, но различных по длительности операцийобработки. Запуск изделий в производство необходимо осуществлять, соблюдаяусловие: min (t11, t22) (t12, t21), где: t11 — трудоемкость выполнения первой операции над изделием, первым запускаем впроизводство; t22 — трудоемкость выполнения второй операции надизделием, вторым запускаем в производство, а t12 и t2l— соответственно наоборот.
Метод «ветвей и границ», являющийся комбинаторным методомдискретного программирования, предполагает уменьшение множества допустимыхрешений, вплоть до получения конечного множества, при котором оказываетсявозможным применение метода перебора. В этом методе происходит последовательныйвыбор пары номеров деталей для получения оптимальной последовательности.Составление последовательности номеров деталей для запуска в производствопроисходит в процессе работы итерационного алгоритма. На каждой итерациивыбираются две детали и помещаются на позиции: (n + 1) и (d – n), где n — номер итерации, a d- количество наименованийдеталей, участвующих в производственном процессе. Эффективность метода «ветвейи границ» зависит от уровня, на котором происходит «отсечение» ветви. В общемслучае этот метод не исключает полный перебор всех возможных вариантов.
Типичные модели линейного, линейного целочисленного иквадратичного целочисленного программирования свидетельствуют о том, что в нихмогут быть отражены многие ограничения задачи календарного планирования. Вчастности, в этих моделях, в форме ограничений на переменные, могут бытьвыражены требования, накладываемые на сроки выпуска этих деталей. Допускаетсяобработка деталей партиями, но для этого необходимо некоторое предварительноепреобразование исходной информации.
Данные модели имеют ограниченное применение при моделированиипроизводственных процессов. Главным недостатком является быстрый рост размеровмоделей с ростом задачи календарного планирования. Точные методы оптимизацииприменимы лишь для частных и небольших по размеру задач. На машиностроительныхпредприятиях составление оптимального календарного графика усложняется широтойноменклатуры выпускаемых изделий и является динамической, вероятностной задачейбольшой размерности. Поэтому наряду с разработкой точных методов интенсивноразвиваются приближенные методы.
К числу приближенных методов оптимизации задач календарногопланирования относятся: частичный и направленный перебор, метод Монте-Карло,аналитико-приоритетные, эвристические и др. методы.
Метод Монте-Карло аналогичен методу перебора и оценки вариантов стой разницей, что оценивается некоторое ограниченное подмножество вариантов,выбор которых производится некоторым случайным образом. Решение задачикалендарного планирования методом Монте-Карло можно рассматривать как некоторуюзадачу статистического моделирования производственного процесса. МетодМонте-Карло имеет ограниченное применение, так как может потребовать перебора иоценки достаточно большого количества вариантов.
В последнее время к решению задач календарного планирования сталапривлекаться теория массового обслуживания. Такая возможность появилась в связис развитием специальной теории очередей с приоритетом. Однако если в задачахмассового обслуживания поток требований на обслуживание является свободнымпроцессом, то в задачах календарного планирования требования поступают вдетерминированном порядке. Вместе с тем при прохождении требований (партиидеталеопераций) через большое количество обрабатывающих устройств(производственных ячеек) происходят задержки в обслуживании, и поступлениетребования на следующее обрабатывающее устройство может быть рассмотрено какслучайное событие. В таком плане эта связь теории расписаний с задачами теорииочередей с приоритетом обслуживания может быть использована как средствоприближенного решения теории расписаний.
Многие задачи календарного планирования относятся к классу задач,для которых трудна конкретная аналитическая постановка, неярко выражена величинакритерия эффективности и отсутствуют эффективные алгоритмы численного решения.Последнее связано с тем, что минимизируемые функции комбинаторных задач лежатне в непрерывной области переменных, а на различных дискретных перестановкахэлементов. Следовательно, применение приближенных методов, основанных насочетании аналитических принципов и моделировании календарных планов сиспользованием правил предпочтительности, является наиболее перспективнымнаправлением практического решения данного класса задач.
Среди приближенных методов различают большую группу аналитико-приоритетныхметодов. Аналитико-приоритетные методы не следует смешивать с эвристическими. Ваналитико-приоритетных методах имеется математическая модель с соответствующейфункцией — критерием, что позволяет приблизить решение к оптимальному, тогдакак в эвристических методах такая функция отсутствует, либо имеется в неявновыраженной форме или же задается как локальная функция приоритета.Эвристические методы строятся на использовании установленных свойств и приемоврешения задач других смежных групп, а также интуитивных свойств и приемовпоиска.
Можно выделить семь наиболее удачных правил предпочтительности дляформирования приоритетов календарного планирования последовательности работ1.
1. FCFS (Fist — Come, Fist — Served) — первым вошел — первым обслужен. Работы выполняются в порядкепоступления в подразделение.
2. SOT (Short’s Operating Time) — по кратчайшему времени выполнения. Сначалавыполняется работа с самым коротким временем выполнения, затем процедураповторяется для оставшихся работ.
3. D date (Due Date) — по установленным срокам окончания. Первойвыполняется работа с самой ранней датой начала выполнения.
4. SD — по ранней дате начала выполнения, определяемой какустановленная дата выполнения работы, минус время выполнения работы.
5. STR (Slack Time Remaining) — по наименьшему оставшемуся запасувремени, который вычисляется как разность между временем, остающимся до установленнойдаты выполнения, и временем выполнения работы.
6. STR/OP (Slack Time Remaining per Operation) — по наименьшемуоставшемуся запасу времени на одну операцию, которое определяется как разностьвремени, оставшегося до установленной даты выполнения работ, минус времяоставшихся операций, деленная на количество оставшихся операций. Заказы ссамым коротким STR/OP выполняются первыми.
7. LCFS (Last — Come, First — Served) — последним вошел — первым обслужен. Первой выполняется работа,поступившая последней в подразделение.
Иногда используют различные комбинации функций предпочтения, ноэто требует многовариантного перебора. В результате отработки информации, полученнойпри выполнении на модели серии экспериментов каждый раз с новым правиломочередности, были выявлены законы распределения и другие оценки наиболеевероятных длительностей производственных циклов, ________________________
1 Donald W. Fogarty, Yohn H. Blackstone,Yr. And Thomas R. Hoffman. Production and Inventory management (Cincinnati:South — Western Publishing, 1991). P. 452 — 453.
опозданий в выполнении работ по сравнению с плановыми сроками,объемом незавершенного производства, простоев оборудования и т.д. Однако припроведении оптимизации метод не учитывает взаимного влияния моментов начала иокончания смежных операций на разных станках, что значительно снижает степеньоптимальности полученного результата.
В условиях многопредметных автоматизированных производственныхсистем задача построения календарных графиков существенно усложняется. Решениезадачи формирования графика производства деталей (парий деталей), имеющихпроизвольное число и очередность выполнения операций и запланированных кизготовлению на одном и том же технологическом оборудовании являетсякомбинаторной задачей большой размерности.
В этих условиях наиболее удачным методом является аналитическийметод, учитывающий взаимное влияние пооперационных трудоемкостей обработкидеталей на совокупный цикл их обработки. Метод предполагает оптимизациюдлительности совокупного цикла обработки партий (групп) деталей путем анализаи минимизации величин смещения. При этом суммарное время опережения запускадеталей в обработку на каждой технологически связанной паре рабочих местдифференцируется на две составляющие, первая из которых учитываетнесинхронность операций технологических процессов обработки деталей, а вторая- время обработки передаточных партий деталей.
В этом случае задача моделирования сводится к тому, чтобы времяопережения начала и окончания обработки партий деталей каждого наименования на передающеми получающем детали рабочих местах обеспечивало непрерывную обработку партийдеталей с максимальной параллельностью.
Длительность производственного цикла обработки партий деталей врассматриваемой постановке решения задачи может быть определена по формуле
/> (1)
где /> – номеррабочего места, начинающего процесс обработки деталей данной группы;
k – номер рабочего места, на которомзаканчивается процесс обработки деталей данной группы;
m – количество групп деталей;
d – количество деталей в группе;
/> – величина смещения на j-м рабочем месте, накотором начинается процесс обработки i-й партии деталей;
/> – величина смещения на j-м рабочем месте, накотором заканчивается процесс обработки i-й партии деталей;
/> – времяобработки групп деталей на рабочем месте, завершающем процесс обработки, следующих за r-й группой;
/> – время обработкидеталей групп, предшествующих r-й группе деталей на рабочем месте, начинающемпроцесс обработки;
/> – времяобработки партий деталей, предшествующих i-й партии деталей нарабочем месте, начинающем процесс обработки;
/> — время обработки партийдеталей, обработка которых следует за обработкой партии деталей i-ro наименования на рабочемместе, завершающем процесс обработки.
Поскольку время обработки передаточных партий от очередности ихобработки не зависит, критерием оптимизации является:
/>
В первую очередь следует запускать в обработку партию деталей,которая обеспечивает наименьшую составляющую в общем смещении. Метод предполагаетпроведение пошаговой оптимизации: на каждом шаге ищется />для партий деталей, очередность которых еще не определена. Величина /> зависит от />, которое определяется как суммаположительных разностей (/>). Здесь/>/>-соответственно время обработки партии деталей на передающем и получающемрабочих местах связанной пары.
Следует учитывать, что положительная разность (/>) времени обработки детали n-й очереди запускакомпенсируется лишь тогда, когда модуль отрицательной разности времениобработки детали (n + 1)-й очереди равен или больше разности (/>)детали n-й очереди запуска.
Таким образом, при определении любой n-й очереди запусканеобходимо проводить анализ знака разности времени обработки всех оставшихсядеталей на всех парах связанных рабочих мест. Связи, у которых эти разностиимеют знак плюс, из дальнейшего анализа следует исключать. Это же относится ксвязям, у которых все разности имеют только отрицательные значения.
На основании анализа разностей (/>)на технологически связанных парах рабочих мест и учитывая то, что эти разностисо знаком минус являются компенсаторами, т.е. способны «гасить» положительныеразности (/>) деталей следующей очередиобработки, можно сформулировать правила, позволяющие улучшить полученныерезультаты оптимизации.
1. Если при очередной итерации окажется несколько минимальныхзначений />, то в первую очередьзапускается деталь, у которой сумма отрицательных разностей (/>) по модулю наибольшая, таккак она имеет большее значение компенсаторов.
2. Если при очередной итерации у i-й детали на даннойсвязанной паре рабочих мест разность (/>)со знаком плюс по модулю больше суммы разностей (/>)со знаком минус, то в этом случае в значении найденной суммы /> следует учитывать только абсолютнуювеличину суммы отрицательных разностей.
3. Если при очередной итерации определения очередности запускадеталей в обработку оказывается, что i-я деталь имеет у всехсвязей только положительные разности (/>),то такую деталь следует запускать в последнюю очередь, так как у этой деталинет компенсаторов.
Исследование большого объема статистических данныхавтоматизированного решения задачи показывает, что использование приведенныхправил, улучшающих алгоритм поиска оптимальной очередности запуска деталей вобработку, приводит к уменьшению длительности производственного цикла на 40-50%.
Результатом моделирования является формирование календарногорасписания рабочих мест производственной системы, в котором учитываетсяинформация о затратах времени на наладку и переналадку оборудования, принятыйразмер партии запуска и время смещений запуска деталей в обработку относительнопервого рабочего места системы.
Для оптимизации размера партий, запускаемых в обработку деталей,может быть предложена следующая формула:
/> , (2)
где р – размер партии запуска деталей в обработку,компл.;
Е – коэффициент эффективности капиталовложений;
Sобj – стоимость оборудования j-ro наименования, р.;
tпз – подготовительно-заключительное время по каждому j-му виду оборудования навесь комплект обрабатываемых на нем деталей, ч.;
k – количество единиц оборудования производственной системы,шт.;
tштj – штучное время обработки всего комплекта деталей наданном j-моборудовании, ч./компл.;
М – затраты материалов (заготовок) на комплект деталей, р./компл.;
Зк – заработная плата рабочих за изготовление комплектадеталей, обрабатываемых производственной системой, р./компл.;
КТ – коэффициент технической готовности незавершенногопроизводства;
Зч – среднечасовая зарплата рабочих, р./ч.
Литература
1. Михайлова Л.В.,Парамонов Ф.И., Чудин А.В. Формирование и оперативное управление производственнымисистемами на базе поточно-группового производства в автоматизированном режиме.М.: ИТЦ МАТИ, 2002.- 60 с.