Основные понятия автоматизации управления

ЛЕКЦИЯ 1

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ

    Автоматизированная система управления предприятием

(АСУП) — это система управления, построенная на основе приме­нения средств вычислительной техники, экономико-математичес­ких методов и информационных технологий. Автоматизация управ­ления направлена прежде всего на интеграцию, которая в совре­менных производственных системах является одним из наиболее важных свойств.

АСУП состоит, в свою очередь, из подсистем. Цель разбиения АСУП на подсистемы — выделение крупных неоднородных элемен­тов для упрощения процессов проектирования, внедрения и эксп­луатации АСУП. Все подсистемы принято делить на две группы — функциональные и обеспечивающие подсистемы.

Функциональные подсистемы выделяются в соответствии с уп­равленческими функциями, осуществляемыми на предприятии. В АСУ промышленным предприятием входят следующие подсистемы: уп­равление технической подготовкой производства, основным произ­водством, вспомогательным производством, материально-техничес­ким снабжением, технико-экономическим планированием произ­водства, бухгалтерским учетом, сбытом, кадрами, качеством вы­пускаемой продукции и услуг, финансами.

Обеспечивающие подсистемы предназначены для обеспечения решения комплекса задач функциональных подсистем. В состав обес­печивающих входят подсистемы технического, информационного, математического, программного и организационного обеспечения.

Подсистема технического обеспечения представляет собой комп­лекс технических средств, в который входят средства вычислитель­ной техники, оборудование для организации локальных сетей и под­ключения к глобальным сетям, устройства регистрации, накопле­ния и отображения информации.

Подсистема информационного обеспечения включает в свой со­став внешнее информационное обеспечение в виде входных и вы­ходных документов (в том числе и в электронном виде), используе­мых при решении функциональных задач, и внутреннее, ориенти­рованное на организацию базы данных предприятия.

Рекомендуемые материалы

Подсистема математического обеспечения включает математи­ческие методы, модели, алгоритмы, используемые при решении задач управления.

Подсистема программного обеспечения включает системное про­граммное обеспечение, прикладные программы для решения задач управления, а также другие программы, используемые на предпри­ятии.

Организационное обеспечение состоит из набора правил, инструк­ций, положений и других документов, регламентирующих функци­онирование АСУП.

Проектирование, внедрение и эксплуатация АСУП на предпри­ятии ведутся с помощью инструментальных программных средств. Современные инструментальные программные средства являются сложными многофункциональными системами. Они содержат в сво­ем составе пакеты прикладных программ для решения задач управ­ления, средства комплексирования задач в требуемые конфигура­ции, средства сопряжения АСУП с другими системами, например с САПР, и многое другое. Такие системы можно назвать базовыми. Следует подчеркнуть, что базовая система является средством со­здания АСУП, но не является законченной АСУП или ее фрагмен­том. Она позволяет в конечном итоге создавать для предприятия гиб­кую модифицируемую АСУП, в которой сочетаются типовые под­ходы к решению задач управления и специфические особенности предприятия.

Базовые системы обычно ориентированы на определенный класс предприятий. Структуры и составы базовых систем отличаются друг от друга и от требуемой функциональной структуры АСУП на пред­приятии. Эти отличия накладывают серьезный отпечаток на выбор базовой системы и процесс проектирования АСУП.

МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЯМИ

Основные понятия теории управления

Используя кибернетический подход, в самом общем виде про­цесс управления предприятием может быть проиллюстрирован с помощью схемы, приведенной на рис. 1.

Применительно к промышленному предприятию кибернетичес­кий подход предполагает, что при управлении предприятием долж­ны использоваться следующие принципы:

• управление предприятием рассматривается в рамках системы, включающей в себя помимо предприятия и внешнюю среду;

• цель управления формулируется в количественных терминах;

• действующие в системе механизмы связи и управления анали­зируются с учетом как детерминированности, так и стохастических изменений.

Управление предприятием всегда подчинено некоторой цели, поэтому всегда можно говорить об управлении, оптимальном в из­вестном смысле, например цель: максимизация прибыли за задан-

Рис. 1

Здесь t — время, Х_изм(t) — вектор измеряемых параметров, характери­зующих состояние управляемого объекта (измеряемая часть вектора фазовых координат), Z_изм(t) — вектор измеряемых параметров, харак­теризующих состояние окружающей среды, U — управляющее воз­действие, V— воздействие окружающей среды, W — информацион­ные возмущения. В общем случае U, V, W могут зависеть от Х и t.

ный период времени, снижение издержек производства и т. д.

Управление представляют две составляющие:

• программные управляющие воздействия, зависящие только от времени;

• корректирующие управляющие воздействия, формируемые по принципу обратной связи, т. е. зависящие от рассогласований между текущими значениями контролируемых параметров и прогнозируемыми программными. Поведение контролируемых параметров деятельности изображе­но на рис. 2.

Методы формирования программной составляющей управляю­щих воздействий и прогнозирования поведения предприятия при реализации этих воздействий в экономике и в области управления предприятием дали начало развитию такого направления, как мето­ды планирования. Дополнение методов планирования способами периодического формирования корректирующих составляющих управляющих воздействий легло в основу направления — управление проектами.

После введения этих упрощений процесс управления предприя­тием можно представить в виде, изображенном на рис. 3.

Рис. 2

Здесь t— время; X _пл (t) — программное, планируемое значение пара­метра; Х_ф(t) — фактическое значение параметра.

Рис. 3

Планирование заключается в выработке плановой «траектории» процесса X(t) на период планирования {t₀ ,t_пл}. Учет, т. е. измерение, в производственных системах состоит в определении в заданные мо­менты времени истинного состояния процесса Х_ф(t). Контроль по­зволяет определить отклонение X_ф(t) от Х _пл(t), а регулирование со­стоит в определении скорректированного плана Х_p(t), т. е. по суще­ству является решением задачи планирования при новых начальных условиях.

Схема управления, показанная на рис. 2 и рис. 3, является уни­версальной и применима ко всем процессам производственных сис­темах. Компонентами вектор-функции X(t) могут быть показатели, характеризующие ход производства, состояние доходов, расходов, мощностей, запасов, кадров и т. п.

Для описания процесса управления используются перечислен­ные далее термины. Управление предприятием представляет собой совокупность воздействий, призванных обеспечить эффективное с точки зрения заданных целей протекание производственного про­цесса.

Реализация процесса управления предприятием происходит в рамках системы управления предприятием — структуры, в кото­рой можно выделить объект управления и управляющую часть. Объектом управления является производственный процесс. В роли управляющей части на предприятии выступают управленческие службы.

Управление предприятием протекает во времени, поэтому его следует рассматривать как процесс управления. Структура производ­ственного процесса определяет, в свою очередь, структуру процес­са управления. На каждом предприятии можно выделить несколько направлений деятельности (производство, сбыт, снабжение, финан­сы и т. д.), а в рамках этих направлений — процессы более глубоких уровней, которые также являются объектами управления.

Система управления предприятием — это система управления организационного типа. В таких системах велика роль организации, координации и согласования поведения коллективов людей.

Соответственно в  процессе управления принимаются решения трех категорий: стратегические, тактические и оперативные. В соответствии с этой классификацией управленческий аппарат обычно имеет трехуровневую иерархию: высший, средний и оперативный уровни.

Высший уровень (высшее руководство) определяет цели управления, внешнюю политику, материальные, финансовые и трудовые ресурсы, разрабатывает долгосрочные планы и стратегию их выполнения. В его компетенцию входит анализ рынка, конкуренции, коньюктуры и поиск стратегии развития предприятия.

На среднем уровне основное внимание сосредоточено на составлении тактических планов, контроле за их выполнением, слежение за ресурсами и разработке управляющих директив.

На оперативном уровне происходит реализация планов и составляются отчеты о ходе их выполнения. Руководство здесь состоит, как правило, из руководителей среднего звена, обеспечивающих управление цехами, участками, отделами, сменами. Основная задача оперативного управления заключается в согласовании всех элементов производственного процесса во времени и пространстве.

На каждом из уровней выполняются работы, в комплексе обеспечивающие управление. Эти работы принято называть функциями.

Все частные производственные процессы, вплоть до элементар­ных, представляют собой управляемые процессы. Управление каж­дым процессом осуществляется путем реализации функций управле­ния в отдельные дискретные моменты времени. В состав функций управления входят: планирование, учет, контроль, регулирование, анализ. Планирование — это определение поведения управляемого процесса в будущем в детерминированном виде. Планирование - функция, посредством которой в идеальной форме реализуется цель управления. Планирование - заключается в разработке краткосрочных и долгосрочных планов (прогнозов) производственно-хозяйственной деятельности предприятия, основанными на учете социальных, экономических и других закономерностей и связано с обработкой  больших объемов данных, выполнением сложных и трудоемких расчетов. Планирование занимает значительное место в деятельности высшего руководства, меньшее - на среднем и минимальное - на оперативном уровне Учет — определе­ние фактического состояния управляемого процесса в дискретные моменты времени. Учет - функция, направленная на получение информации о ходе работы предприятия, Учет в основном осуществляется на оперативном и среднем уровнях управления. На высшем уровне управления учет отсутствует, однако на его основе в полной мере выполняются анализ результатов производства и его регулирование. Контроль — это определение отклонений между запланированным и фактическим состоянием управляемого процесса в дискретные моменты времени. Регулирование— обеспечение фун­кционирования управляемых процессов в рамках заданных парамет­ров. Анализ — это подведение итогов осуществления управляемого процесса за период управления, выявление факторов, повлиявших на степень достижения запланированных результатов. Анализ и регулирование - сопоставление фактических показателей с нормативными, определение отклонений, установление причин отклонений и нахождение путей их устранения. Взаимосвязь между уровнями управления и осуществляемыми ими функциями по объему выполняемых работ представлена на таблице. 

 Взаимосвязь функций и уровней управления

Существует еще одна функция управления — прогнозирование. Прогнозирование — это определение на будущее вероятностных характеристик управля­емого процесса. В зависимости от целей исследования функция прогнозирования рассматривается как самостоятельная или объединя­ется с планированием.

Дальнейший прогресс в области формализации методов управ­ления предприятием связан:

1) с системным подходом, который подразумевает построение системы моделей. Обычно эти модели имеют иерархическую струк­туру, отражающую различные качественные особенности поведе­ния такого сложного объекта, как предприятие, например модель процессов, представление предприятия как композиции систем мас­сового обслуживания, моделей данных, используемых на предпри­ятии, и т. д.;

2) с созданием регулярных методов определения управляющих воздействий на основе иерархического принципа декомпозиции и агрегирования задач. Согласно этому принципу результат решения задачи управления верхнего уровня становится исходным условием для решения задачи построения управляющего воздействия задачи нижнего уровня. Причем результат решения задачи нижнего уровня не приводит к ревизии результата решения задачи верхнего уровня.

Применение этих подходов позволило добиться следующих ре­зультатов:

• вычленить ряд упрощенных задач, к которым могли быть при­менены некоторые методы теории оптимального управления, ко­нечных автоматов, планирования операций и т. д.;

•создать эффективные процедуры принятия управленческих ре­шений с использованием эмпирических знаний лиц, принимающих решения (ЛПР);

• использовать эвристические стратегии управления;

• определить принципы формирования организационных струк­тур предприятий.

Методы теории управления, используемые в АСУП

При решении частных задач, связанных с управлением пред­приятием, широко используются ряд формализованных методов, которые в литературе иногда называются экономико-математичес­кими. Часть из них нашла применение в современных автоматизиро­ванных системах управления. Под экономико-математическими ме­тодами принято понимать комплекс формализованных математи­ческих методов, позволяющих находить оптимальные или близкие к ним решения экономических задач. Постановка задачи должна от­ражать существующие ограничения экономического характера. Для предприятий эти ограничения вытекают из ограниченности ресурсов или из внешних условий, в которых осуществляется их хозяй­ственная деятельность. Критерий оптимизации формализуется в виде целевой функции. Это выражение, которое, исходя из поставлен­ной задачи, требуется максимизировать или минимизировать. - В роли критериев оптимизации на различных уровнях системы управления предприятием могут выступать, например, объемы про­даж, прибыль, суммарное отклонение времени выпуска от требуе­мых, уровень загрузки оборудования, период планирования работ (месяц, год), суммарные затраты на производство и на незавершен­ное производство и т. п. Переменными в экономико-математических моделях являются управляемые параметры. При решении задач оп­тимизации переменными могут быть количество выпускаемых изде­лий, время запуска/выпуска, размеры партий, уровень запасов, время начала и окончания операций. Еще одной важной особенностью экономико-математических методов является то, что они могут быть мощным инструментом анализа экономической ситуации. С их по­мощью, например, можно быстро определить, что при заданных ограничениях допустимого решения не существует. Некоторые ме­тоды не ограничиваются получением оптимального решения. При сформированном плане они позволяют оценивать чувствительность оптимального плана к изменению внешних условий или внутренних характеристик деятельности предприятия.

Многообразие экономико-математических методов достаточно велико. В основу данного краткого анализа положен характер мате­матического аппарата.

Линейное программирование заключается в поиске оптимального решения для линейной целевой функции при линейных ограниче­ниях и ограничениях на неотрицательность переменных.

В терминах линейного программирования может формулировать­ся широкий круг задач планирования производства, финансовой деятельности, технико-экономического планирования, планирова­ния НИОКР.

Особенность линейного программирования заключается в том, что с его помощью можно не только получить оптимальное реше­ние, но и успешно исследовать чувствительность полученного ре­шения к изменениям исходных данных. Результаты анализа на чув­ствительность имеют четкую экономическую интерпретацию.

Частным случаем линейного программирования является тран­спортная модель. Она получается естественным образом при форма­лизации задачи планирования перевозок, однако с ее помощью можно решать и другие задачи АСУП (назначение кадров на рабо­чие места, составление сменных графиков и др.). Специфическая структура ограничений задачи позволила разработать эффективные методы решения.

Важное место в АСУП принадлежит методам дискретного про­граммирования, которые ориентированы на решение задач оптими­зации с целочисленными (частично или полностью) переменными. Требование целочисленности во многих задачах управления произ­водством выступает на первый план, если речь идет, например, об определении оптимальной программы выпуска изделий, число ко­торых должно быть целым. Частным случаем задач дискретного про­граммирования являются задачи с булевыми переменными (0 или 1), т. е. задачи выбора одного из двух вариантов решений для каждо­го объекта (число объектов может быть велико). В качестве примера можно указать задачи размещения оборудования, формирования портфеля заказов и т. п.

Для решения задач дискретного программирования разработаны различные алгоритмы, в том числе комбинаторные и случайного поиска.

Модели стохастического программирования описывают ситуации, в которых элементы модели являются случайными величинами с известными функциями распределения. Для задач линейного про­граммирования подход к решению заключается в сведении исход­ной задачи к детерминированному виду.

Сетевые модели и методы применяются там, где есть возмож­ность четко структурировать управляемый процесс в виде графа, описывающего взаимосвязи работ, ресурсов, временных затрат и т. п. Разработан ряд методов решения задач на сетевых моделях по определению критического пути, распределению ресурсов.

Динамическое программирование представляет собой многошаго­вый процесс получения решения оптимальной задачи. Наиболее ес­тественной выглядит формализация динамических задач, однако этот метод успешно может применяться и для статических задач, если удается разбить решение исходной задачи на этапы. Серьезным ог­раничением применения метода динамического программирования является размерность задач. Если размерность велика, то необходи­мо запоминать большой объем промежуточной информации. Прак­тически, решение задач оптимизации возможно для систем, имею­щих размерность не выше трех.

Многокритериальные модели отражают один из видов неопреде­ленности в задачах поиска оптимальных решений — неопределен­ность целей. Эти модели и методы чрезвычайно перспективны, по­скольку многие задачи планирования в АСУП могут и должны рас­сматриваться как многокритериальные. Этот подход позволяет оп­тимизировать получаемые решения по комплексу критериев, отра­жающих экономический, технологический, социальный, экологи­ческий и другие аспекты деятельности предприятий.

Математическая статистика в АСУП применяется для реше­ния задач анализа и прогнозирования экономических и социальных процессов на предприятиях, создания и корректировки норматив­ной базы. Наиболее часто применяются методы: расчета статических характеристик, корреляционного, регрессионного и дисперсионного анализа.

Теория управления запасами позволяет определять уровни запасов материалов, полуфабрикатов, производственных мощностей и дру­гих ресурсов в зависимости от спроса на них.

Теория расписаний представляет собой методологическую основу для решения задач упорядочения последовательности работ. При этом учитываются структура и параметры технологического процесса. Для решения задач, сформулированных в терминах теории расписаний, используют методы моделирования на основе приоритетов.

Эвристические методы получили в АСУП достаточно широкое распространение, и дальнейший прогресс в этом направлении свя­зан с разработкой и внедрением экспертных систем. Экспертные системы позволяют накапливать базы знаний о производственном процессе, об эффективных управляющих решениях и на этой осно­ве предлагать рациональные решения задач, слабо поддающихся формализации.

Круг экономико-математических моделей и методов чрезвычай­но широк. Их применение сдерживается затрудненностью адекват­ного описания производственного процесса, получения решений в условиях высокой размерности задач, а также отсутствием необхо­димой для этого случая квалификации управленческого персонала.

Ниже перечислены модели и методы решения частных задач уп­равления предприятиями, включаемые в базовые системы типа ERP:

• для решения задач стратегического планирования применяют­ся модели линейного программирования;

• оперативное планирование построено, как правило, на базе сетевых моделей. В этом случае используются методы расчета крити­ческого пути и ПЕРТ;

Рекомендуем посмотреть лекцию "Протоколы передачи данных".

• для решения задач прогнозирования спроса и других экономи­ческих процессов применяются методы регрессионного анализа, анализа временных рядов, процедуры обработки экспертных оце­нок;

• при решении задач планирования объемов продаж и производ­ства используются методы линейного программирования;

• задача формирования графика выпуска продукции может быть сформулирована как задача минимизации совокупного производ­ственного цикла при ограничениях по мощностям, где в качестве переменных выступают сроки запуска (выпуска). В базовых системах типа ERP имеются процедуры, позволяющие решить эту задачу путем генерирования, анализа и отсеивания вариантов с одновременным сокращением числа переменных на каждой итерации;

• задача расчета материальных потребностей на обеспечение гра­фика выпуска продукции решается на основе модели разузлования, в ходе которого выполняется обсчет сетевой структуры, описываю­щей состав изделия.

Оперативное управление производством в ERP базируется на применении приоритетов и эвристических методов для построения расписаний работ.

Нормативная база может формироваться с применением статис­тических методов.