Модели и методы оптимального управления производством для зерновых и зерноперерабатывающих компаний

 

 

На правах рукописи 

 

 

 

 

 

Новицкий Владимир Олегович  

 

 

МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ ДЛЯ ЗЕРНОВЫХ И ЗЕРНОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ КОМПАНИЙ

 

 
Специальность 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами

(пищевая промышленность)

 

 

АВТОРЕФЕРАТ  
диссертации на соискание ученой степени  
доктора технических наук

 

 

 

 

 

 

Москва – 2010 
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет пищевых производств» (МГУПП)

 

    Научный консультант:         

    доктор технических наук, профессор Карпов Валерий Иванович.

    Официальные оппоненты:

    доктор технических наук, член-корреспондент РАЕН,

                                                          профессор Широков Лев Алексеевич;

    доктор физико-математических наук, профессор Краснов Андрей Евгеньевич;

    доктор технических наук, профессор Данчул Александр Николаевич.

Ведущая организация: Негосударственное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования «Международная промышленная академия»

Защита состоится  «23» декабря 2010 г. в 14.30 часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.148.02 при ГОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу:  125080, г. Москва, Волоколамское ш., д. 11, корп. А, ауд. 302.

  
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПП.

 

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 125080, г. Москва, Волоколамское ш., д. 11.

Автореферат разослан   «     »   _________ 2010 г.

 

 

Ученый секретарь Cовета,

кандидат технических наук, доцент                             Воронина Н.О.

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. На современном этапе развития научно-технического прогресса в области агропромышленного комплекса (АПК) фундаментальной проблемой является недостаточно эффективное управление его важнейшим – зерновым сектором, являющимся одним из основных рыночных и стратегических ресурсов, необходимых для сохранения и обеспечения нормального развития государства и нации.

В России, как и во многих других странах, зерно и продукты его переработки, традиционно называемые хлебопродуктами (х/п), составляют основу агропромышленного производства и продовольственной безопасности страны. Зерновой и зерноперерабатывающий секторы составляют около трети АПК России. При этом качество зерна, выращиваемого в России, сильно различается из-за большого диапазона климатических условий в зернопроизводящих регионах, а расстояния между производителями и потребителями хлебопродуктов очень велики. Это влияет на себестоимость и соответственно на цены х/п.

В России и ближнем зарубежье исторически сложилась ситуация избытка производственных мощностей по переработке зерна при  их неравномерном распределении по территориям стран. С учётом давления внешнего рынка внутри России возникла жёсткая конкуренция между производителями  как на сырьевых рынках, так и особенно на рынках муки, комбикормов и др. Причём рентабельность подавляющего большинства производств крайне низкая (от 0 до 5-7%), несмотря на высокие показатели интеграции производственных и торговых предприятий в отраслевые и межотраслевые холдинги с достаточно квалифицированным уровнем топ-менеджмента.

Это позволяет утверждать, что основными инструментами, которые могут обеспечить успешное функционирование и развитие российских зерновых и зерноперерабатывающих предприятий и компаний (далее ЗПК) в условиях высокой конкуренции на внутренних и перспективных внешних рынках, являются более совершенные системы управления производством (СУП). И чем больший цикл функций управления они охватывают, чем выше их техническо-экономические показатели и ниже доля в себестоимости продукции, тем выше инвестиционная привлекательность ЗПК и их шансы на эффективную работу на традиционных продовольственных рынках и освоение новых.

Основным направлением повышения качества СУП для ЗПК является их комплексная автоматизация, интеллектуализация, интеграция, приближённость к клиентам, гибкость  и постоянная адаптация к изменяющимся условиям рынка на основе учёта большого числа необходимых  формализуемых и слабоформализуемых факторов с применением системного подхода, интегрирующего цикл функций управления: сбор информации, контроль, учёт, регулирование, планирование, организация, целевое управление и координация.

 Важнейшими функциями СУП для ЗПК являются учёт, контроль и планирование зерновых ресурсов, обеспечивающие их рациональное использование и снижение себестоимости х/п.

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные системы и вычислительная техника» (АС и ВТ) ГОУВПО МГУПП. В диссертации обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в период с 1988 г. по 2010 г. лично автором или при его непосредственном участии в качестве ответственного исполнителя в рамках хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ. Под научным руководством автора защищена кандидатская диссертация.

Целью работы является повышение эффективности функционирования зерновых и зерноперерабатывающих предприятий и компаний  на основе современных информационных технологий управления сложными производственными системами и бизнес-процессами по циклу функций учёта, контроля и поддержки принятия решений  по планированию производства.

Объектом исследования являются зерновые и зерноперерабатывающие предприятия и компании, которые осуществляют закупку, приём, хранение, реализацию и отгрузку зерна, его переработку в муку, комбикорма и др. виды хлебопродуктов и представляют большой класс типовых объектов автоматизации в самом крупном рыночном секторе АПК РФ.

Предметом исследования являются методы моделирования организационно-технических систем управления производством, модели  задач учёта, контроля и планирования для класса объектов – зерновых и зерноперерабатывающих предприятий и компаний.

Основными задачами исследования, которые необходимо решить для достижения поставленной цели, являются следующие.

1. Анализ производственных бизнес-процессов, стратегий, функций, проблем и существующих решений по управлению на ЗПК, методов исследования и моделирования сложных организационно-технических систем.

2. Формулирование проблемы и общая постановка задачи управления производством на ЗПК.

3. Разработка методологии моделирования систем управления для ЗПК как специфического класса сложных производственных систем с характерными особенностями и соответствующей программной нотации.

4. Концептуальное моделирование  подсистем и математическая постановка  задач управления производством для ЗПК на основе разработки структур целей, причинно-следственных граф-моделей и теоретико-множественных представлений.

5. Разработка математических моделей процессов производственного планирования для ЗПК: приёма, обработки, размещения, реализации и отгрузки зерна на элеваторе, закупки зерна, формирования зерновых смесей и загрузки производственных линий для мукомольного и комбикормового производств и построение на их основе банка математических моделей СУП ЗПК.

6. Разработка алгоритмов принятия решений по планированию производства на основе постановки общей задачи выбора решений по управлению в ЗПК

7. Разработка методов адаптации моделей и алгоритмов принятия  решений в соответствии с условиями функционирования ЗПК.

8. Разработка методики проектирования, внедрения и сопровождения и архитектуры программного обеспечения системы поддержки принятия решений (СППР) корпоративной автоматизированной информационной системы управления (КАИСУ) ЗПК.

9. Разработка типовых подсистем управления КАИСУ ЗПК на основе разработанных методов и моделей.

10. Внедрение и оценка эффективности разработанных моделей, методов, алгоритмов и типовых  подсистем управления для ЗПК России.

Методы исследования. Для решения основных задач исследования в работе использованы следующие теории и методы: теория систем и системный анализ, теория управления, теория автоматического управления, теория больших систем, теория иерархических многоуровневых систем, теория множеств, векторная алгебра, теория информации, теория графов, когнитивные технологии моделирования, структурно-функциональное и информационное моделирование, методы исследования операций, методы производственного менеджмента, методы планирования, методы целевого управления, методы процессного управления, линейное и линейное целочисленное программирование, методы постепенной формализации моделей, методы принятия решений.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.

1. Впервые на основе системного подхода в многомерном пространстве бизнес-процессов разработана общая структурно-функциональная модель системы и математическая постановка задачи управления производством для ЗПК в теоретико-множественном представлении (ТМП), включающая множества целей, критериев, возмущений, управлений и состояний системы на различных временных горизонтах управления.

2. Разработана методология моделирования сложных систем управления применительно к ЗПК на основе интеграции системного, причинно-следственного, кибернетического, процессного и функционального подходов, когнитивных технологий, концептуального моделирования в ТМП и методов математического программирования, которая, в отличие от известных методологий, наряду с интеграцией подходов, позволяет автоматизировать процесс формирования концептуальных моделей и математических постановок задач для сложных систем управления производством для класса предприятий.

3. Разработаны концептуальные причинно-следственные и теоретико-множественные модели подсистем и постановки задач учёта, контроля и планирования производства от приёма зерна до реализации хлебопродуктов на элеваторах, мукомольных и комбикормовых предприятиях, что позволило создать систему типовых взаимосвязанных моделей актуальных задач управления для ЗПК.

4. Разработаны математические модели процессов: планирования приёма, обработки и размещения зерна; оперативного расчёта рецептов и планирования помольных и отгрузочных партий зерна, планирования закупки зерна для производства муки; планирования рецептов, закупки сырья и загрузки технологических линий комбикормового производства в выражениях векторной алгебры.

5. Впервые предложена идея создания и использования методов адаптивного оптимального управления на основе банка математических  моделей как специального структурированного множества типовых модельных компонентов (ТМК) для ЗПК, формирования из них модельных агрегатов (МА) и синтеза СУ в соответствии с принципами подобия и аналогий. Разработан комплекс ТМК для задач оптимального планирования производства и алгоритм наполнения БМ.

6. Разработана постановка задачи многокритериального выбора и алгоритм принятия решений по планированию производства в ЗПК, использующий методы: декомпозиции и агрегирования, смешанного целочисленного линейного программирования, диалогового итерационного поиска и координации критериев и решений и реализующий адаптивное управление предприятием.

7. Разработан метод адаптации моделей и алгоритмов принятия  решений по планированию производства в ЗПК на основе методики постепенной формализации моделей.

8. Разработаны комплексы структурно-функциональных  моделей, моделей потоков данных и информационных моделей подсистем учёта, контроля, планирования производства и торговли хлебопродуктами для ЗПК.

Практическую ценность работы составляют следующие полученные результаты.

1. Разработано программное обеспечение для построения системных диаграмм и концептуального моделирования - SDCM, являющееся CASE-средством графического моделирования причинно-следственных связей и постановки задач управления для сложных систем, доступная для специалистов предприятий.
2. Разработан банк моделей задач планирования для СУ ЗПК, который позволяет решать различные задачи  планирования для элеваторных, мукомольных, комбикормовых, торговых и др. производственно-хозяйственных подразделений ЗПК и близких отраслей.
3. Разработана методика адаптации моделей и алгоритмов принятия решений по планированию производства для ЗПК, которая позволяет учитывать опыт специалистов, снизить трудоемкость  внедрения и сопровождения комплекса типовых подсистем управления КАИСУ ЗПК.
4. Разработана методика проектирования, внедрения и сопровождения подсистем управления для ЗПК, позволяющая на основе настройки типовых решений сочетать этапы проектирования, обучения, тиражирования и сопровождения систем.
5. Разработаны подсистемы: учёта и контроля грузооборота зерна на автотранспорте (а/т); первичного учёта х/п; СППР планирования работы элеватора, оптимального расчёта рецептов помольных смесей и зерновых смесей для отгрузки на элеваторе, планирования закупки зерна, загрузки линий комбикормового производства и планирования операций по торговле зерном на внутреннем рынке. Данные подсистемы являются компонентами КАИСУ ЗПК.

Реализация научно-технических результатов работы.

1. Разработанные в рамках настоящего исследования методология моделирования сложных систем управления для ЗПК, программная нотация построения системных диаграмм и концептуального моделирования SDCM, методика адаптации моделей и алгоритмов принятия  решений в соответствии с условиями функционирования ЗПК и методика проектирования, настройки, внедрения и сопровождения разработанных подсистем управления КАИСУ ЗПК используются на кафедре АС и ВТ МГУПП при проектировании, внедрении и сопровождении подсистем учёта и контроля грузооборота х/п и поддержки принятия решений по планированию производства в ЗПК, а с 2008г. используются в учебном процессе в курсовом и дипломном проектировании.