1. Моделирование как инструмент анализа и оценки эффективно производственных операций

Процесс производства любого продукта связан с потреблением разнообразных ресурсов, в число ресурсов входит все, что требуется для производственной деятельности. На сегодня системы моделирования производственных процессов и производственных систем получили достаточно широкое распространение. В печати, а также в сети Интернет повсеместно используются термины: трехмерное моделирование, математическое моделирование, виртуальное моделирование, цифровое моделирование, имитационное моделирование. При этом, даже среди специалистов в области моделирования производственных систем нет единого согласованного мнения относительно указанных терминов.

Не удивительно, что потребителям (заказчикам, практикам, производственникам) достаточно сложно разобраться в целесообразности и перспективах применения новых методов. Не останавливаясь на раскрытии сути каждого из приведенных определений, что понимается под имитационным моделированием.

Любую работу всегда можно разбить на отдельные этапы, выполнение которых требует конкретных приемов, инструмента и т. п., и которые имеют законченный результат. Вот эти этапы общей работы, представляющие собой первичные элементы всего производственного процесса изготовления изделия и выполняемые на конкретных рабочих местах, получили в производстве название операции. Например, на мебельном комбинате изготовляются шкафы. Какие могут быть в данном случае операции? Это резка отдельных заготовок, строгание досок, установка петель и замков, сборка шкафа.

Основные характерные черты производственной операции: во-первых, это часть производственного процесса, во-вторых, такая часть этого процесса, которая выполняется на одном рабочем месте.

Операции делятся на основные и вспомогательные.

Операции, в процессе которых осуществляются определенные действия над предметом труда, т. е. происходит изменение его формы, размеров, свойств или соединение отдельных элементов (деталей, узлов и т. п.), называются основными. Основные операции имеют и другое название -- технологические. А совокупность всех технологических (основных) операций образует технологический процесс производства продукции.

Операции, не изменяющие предмет труда, а только создающие условия для выполнения технологических (основных) операций, называются вспомогательными.

Пример -- изготовление шкафов на мебельном комбинате. Резка заготовок, строгание досок, сборка шкафов -- это все основные операции, так как они связаны с действиями над предметом труда. Но в ходе их осуществления необходимо, по-видимому, менять инструмент, затачивать его, перевозить заготовки, выполнять другие подобные операции, не связанные с воздействием на предмет труда. Это и есть вспомогательные операции. В зависимости от уровня технической оснащенности операции делятся на следующие виды: ручные, машинно-ручные, машинные, автоматические, аппаратурные.

К ручным относятся операции, которые выполняются вручную, с применением простого инструмента, например, опиливание детали напильником, забивание гвоздей молотком.

Машинно-ручные операции осуществляются при помощи машин или механизированного инструмента, при постоянном присутствии рабочего, который перемещает- обрабатываемый механизм или предмет. Это, например, строгание досок на станке, сверление с помощью дрели, обрезание досок на механической пиле и т. п.

Машинные операции -- это такие операции, которые в основном выполняются машиной. Рабочий при этом проводит лишь вспомогательные элементы операций и управляет машиной, например специальным станком с несколькими дисковыми пилами для пиления бревен на тес. Автоматические операции осуществляются полностью машинами-автоматами без непосредственного участия рабочего, который лишь смотрит за работой машины (контролирует ход ее работы).

Аппаратурные операции проводятся в специальных аппаратах, где предмет труда подвергается воздействию тепловой, электрической или химической энергии. В определенной степени эти операции можно считать разновидностью машинных или автоматических. Однако их специфика позволяет выделять эти операции в особую группу. Это, например, операции в плавильных печах, в гальванических ваннах и т. п. Роль рабочего при протекании таких операций сводится к наблюдению, регулированию протекающих процессов, к загрузке и выгрузке предметов труда (деталей, изделий, какой-то массы, если это химическое производство, и т. п.).

Любая модель, по своей сути - имитационная, ибо она имитирует реальность [1].

Максимально на наш взгляд, дана трактовка этого понятия у В.Н. Бусленкова [2]: «указывая, что данная модель имитационная, мы обычно подчеркиваем, что в отличие от других типов абстрактных моделей, в этой модели сохранены и легко узнаваемы такие черты моделируемого объекта, как структура, связи между компонентами, способ передачи информации».

Таким образом, имитационная модель в ряду различных абстрактных моделей занимает особое место. Поясним это на примере.

Традиционно, для оценки технико-экономических показателей производственных систем применяются аналитические и эвристические методы, в основу которых положены модели, также абстрактные, которые имеют другую природу, нежели имитационные модели. По ним производственная система заменяется комплексом аналитических и ментальных моделей [13].

Что касается аналитических моделей, то, по большей части, их можно представить отношением количественных показателей (количество изделий, рабочих мест, оборудования, персонала; размер партии, годовая программа и т.п.) к временным показателям (годовой фонд времени, производственный цикл, технологический цикл, оперативное время и т.п.), описать набором коэффициентов. При этом и количественные и временные характеристики, как правило, полагаются аддитивными и носят интегральный характер.

Такие аналитические модели, в виде строгих зависимостей, дополняются ментальными, эвристическими моделями, чтобы определить правила работы с аналитическими соотношениями (к примеру, схемы сборки: с базовой деталью, веерного типа, комбинированная; к ментальным моделям относят также и различного рода поправочные коэффициенты).

По известным аналитическим зависимостям строятся циклограммы, графики, схемы, чтобы более наглядно представить результат вычислений. По сути, в этом случае, производственная система представляется ментальной моделью, для получения количественных характеристик которой используются модели аналитические [14].

Рисунок 1 - Обобщенная аналитическая модель производственной системы [2]

Совершенно по-другому обстоит дело при работе с имитационной моделью производственной системы, которая отражает ее реальную структуру, взаимосвязь между компонентами производственной системы (ПС) и правила взаимодействия между ними. Когда говорят об имитационном моделировании, подразумевают, прежде всего, эксперимент (в нашем случае - численный, на компьютере).

Реальную производственную систему исследуют, изучая поведение ее имитационной модели. В этом смысле имитационное моделирование очень близко к натурному моделированию, обязательный атрибут которого - модельное время (поддающееся как замедлению, так и ускорению) и факторы нелинейности и случайности (с соответствующими законами распределения случайных величин, на основании статистических данных из реальности) [15].

Для функционирования такой модели необходимы собственно сама модель производственной системы (ее конкретная реализация, индивидуальный набор объектов и значений параметров) и среда ее выполнения, так называемый симулятор (имитатор, или «движок»). Последний - есть «сердце» модели.

В настоящее время на рынке есть очень много программных решений реализации среды построения и выполнения имитационной модели: Arena, SimProcess, GPSS, Simula, AutoMod, SIMFACTORY, Extend, Tecnomatix, QUEST, DELMIA V6, ProModel и другие.

В общем случае схематично системы имитационного моделирования (СИМ) можно представить следующим образом: в основе - имитатор, надстройка в виде интерфейса, и возможность трехмерной визуализации протекания модели производственного процесса (рисунки 2,3).

Именно возможность трехмерного отображения действия модели вносит свою долю в наименование систем моделирования производственных процессов.

Рисунок 2 - Схема систем имитационного моделирования (СИМ) [2]

математический моделирование производственный затрата

Рисунок 3 - Пример (фрагмент) имитационной модели производственной системы в QUEST [2]

Дело в том, что трехмерная визуализация служит лишь для облегчения понимания модели и возможности работы с ней, но это отнюдь не основа и не цель применения систем имитационного моделирования. Более того, в некоторых СИМ такой возможности не предусмотрено в принципе. Идея имитационного моделирования относится к началу 60-х годов прошлого столетия. В 70 - 80-х она получила мощное теоретическое обоснование. Вычислительных мощностей: 60 % расходов по эксплуатации СИМ было связано с оплатой машинного времени (времени работы собственно ЭВМ). Поскольку ресурсов ЭВМ едва хватало на сам вычислительный эксперимент.

Ведь что такое трехмерная графика по отношению к имитационному моделированию? Это всего лишь атрибут, который «завязан» на ход выполнения модели [11]. К примеру, если мы хотим отобразить на экране, что рабочий несет деталь N из пункта A в пункт Б, то при известной скорости перемещения рабочего, координаты точек поверхности его трехмерной геометрии (тела) должны изменяться в соответствии с этой скоростью и направлением движения. Точно также с ходом выполнения модели можно связать изменения цвета, формы, прописать кинематические движения. Это дело «техники», которая, однако, требует серьезных алгоритмов и машинных ресурсов.

В наше время такая проблема не стоит. На Западе практически повсеместно (Boeing, Compaq, Xerox, IBM, Intel, Lockheed, Motorola, General Motors, Ford, Standard Oil, Cray Research и другие) используют имитационные модели для работы с проектами своих производственных систем. Для обоснования проектов построения новых и модернизации существующих производств, наличие имитационной модели обязательно наряду с другой проектной документацией [4].

В отечественной практике, до смены политической системы методы имитационного моделирования также получили мощный импульс, однако широкое их применение было ограничено во-первых, отсутствием соответствующей материальной базы, а во-вторых чрезвычайной сложностью методов, поскольку тогда алгоритмические процедуры реализации и функционирования имитационной модели пользователя системы.

Сегодня пользователи получили инструмент, который позволяет не сильно задумываться о математических аспектах постановки и реализации эксперимента, а сконцентрировать свое внимание на проблеме обеспечения информационной адекватности модели, достаточного соответствия закладываемых в модель производственной системы параметров их фактическим значениям [12]. Это и обеспечит соответствие модели ПС ее реальному состоянию. Огромный спад во всех сферах народного хозяйства, обусловленный известными причинами, привел к тому, что для отечественных промышленных предприятий имитационные модели сегодня - больше, чем правило. Тем не менее, в России, в феврале 2011 г. создано некоммерческое партнерство Национальное общество имитационного моделирования, одна из целей которого - широкое внедрение и популяризация методов имитационного моделирования.

Имитационную модель нужно разрабатывать (строить).

Для имитационного моделирования необходимо специальное программное обеспечение.

Постановку эксперимента и сам эксперимент с имитационной моделью осуществляют квалифицированные кадры - специалисты по имитационному моделированию (на Западе именуемые simulation engineer).

Имитационная модель - это, все же, модель, и насколько она соответствует реалиям и адекватно их отрабатывает это тоже вопрос.

Имитационная модель и процесс моделирования - это (при разовом применении, расходы на ПО и специалистов могут себя не окупать); при этом, в современных реалиях дорого уже не машинное время, а используемое программное обеспечение и временные затраты специалистов.

Методики, основанные на аналитических моделях - проверены, доступны, расчеты и достаточно просты в освоении. Результаты расчетов очень редко совпадают с реализованными по этим расчетам проектами. А тогда, когда они все же оказываются близки, то это, как правило, личная заслуга разработчика проекта, его опыта и интуиции. В современных условиях это проявляется особенно остро потому, что ушли в прошлое статические производственные системы, в том числе массовые, годами выпускавшие однотипную, не меняющуюся продукцию [15]. Производимый товар ориентирован не на «класс», а на конкретного покупателя, как индивида. Производство фактически работает «на заказ», оно все время - в динамике.