ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ“
КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”
ПЕРЕВЕРТУН Ігор Михайлович
УДК 004.413.2
ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ КОМПЛЕКСНОГО ОРГАНІЗАЦІЙНО-
ТЕХНОЛОГІЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЕКТНО-ОРІЄНТОВАНИХ
ВИРОБНИЦТВ (НА ПРИКЛАДІ СЕРІЙНОГО БУДІВНИЦТВА)
05.13.06 - “Автоматизовані системи управління
та прогресивні інформаційні технології”
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2007
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі інформаційних технологій Київського національного університету будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент
Бабіч Віталій Іванович,
Київський національний університет будівництва і
архітектури, Міністерство освіти і науки України,
доцент кафедри інформаційних технологій.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Томашевський Валентин Миколайович,
Національний технічний університет України “
Київський політехнічний інститут”,
Міністерство освіти і науки України,
професор кафедри автоматизованих систем
обробки інформації та управління;
кандидат технічних наук, доцент
Данченко Олена Борисівна,
Черкаський державний технологічний університет,
Міністерство освіти і науки України,
докторант кафедри інформатики та інформаційної безпеки.
Захист відбудеться “22” жовтня 2007 р. о 15:00 годині на засіданні спеціалізо-ваної вченої ради Д 26.002.03 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м.Київ, просп. Перемоги, 37, навчальний корпус №35, аудиторія 006.
З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національ-ного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.
Автореферат розіслано “20” вересня 2007 р.
Учений секретар
спеціалізованої вченої ради _________________ О.М.Новіков
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. За останні роки в Україні набули потужного розвитку старі проектно-орієнтовані виробництва (панельне будівництво, ремонт суден та ін.) та з’явилося декілька нових (монолітно-каркасне будівництво, вантажне авіабуду-вання). Кваліфікація фахівців-виконавців цих проектів та якість самих робіт також стали майже зразковими. Що ж стосується організації та управління виробництвом (у невеликій фірмі чи великому холдингу), то тут більше довіряють широкому залу-ченню низькооплачуваних фахівців, ніж електронній техніці, а виробничі збурення (передбачення яких, як правило, не є чиєюсь функцією) “гасяться” за ступенем їх виникнення всіма засобами в авральному порядку з метою недопущення зриву тер-мінів. Подібна недовіра до програмних систем (у т.ч. зарубіжних) є обгрунтованою, оскільки більшість з них суттєво не підвищили ефективності роботи вітчизняного підприємства, в той же час їх вартість є відчутною. Отже, актуальністю теми є:
1. Низька інтерактивна гнучкість та низька практична придатність існуючих органі-заційно-технологічних моделей виробничих проектів (мережеві графіки, графіки Гантта) та методів вилучення дефіцитів ресурсів (“калібрування”, “згладжування”).
2. Важкорозв’язуваність існуючих підходів до оптимального директивного плану-вання (дискретні моделі об’ємного та об’ємно-календарного планування) та нев-рахування ними штрафів через дефіцити або складовані надлишки ресурсів.
3. Відсутність єдиного комплексу моделей, методів та інструментальних засобів для наскрізного управління (CAD/CAP/CAM) проектно-орієнтованим виробництвом.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема відпові-дає науковому спрямуванню кафедри інформаційних технологій КНУБА, де викона-на робота, а також Державній науково-технічній програмі МОН України №4.2 “Сис-темний аналіз, методи та засоби керування процесами різної природи; методи опти-мізації, програмне забезпечення та інформаційні технології у складних системах”.
Мета і задачі дослідження. Метою є розробка моделей, методів і інструмента-льних засобів для організаційно-технологічного моделювання проектно-орієнтованих виробництв на основі детального багаторівневого опису технології та з використан-ням мобільних засобів комп’ютеризації, що веде до скорочення персоналу задіяного на технологічній підготовці, плануванні та обліку. Для цього розв’язано ряд задач:
1. Розробка організаційно-технологічної моделі для детального багаторівневого опи-су виробничих проектів з урахуванням фрагментів і циклів технології, різних тех-нологічних обмежень, комплектів ресурсів, виконавців та інтенсивностей процесів.
2. Створення моделей та підбір алгоритмів для об’ємно-календарного планування виробничих проектів за умов прикладних розмірностей і різних типових ситуацій.
3. Розробка інструментальних засобів для технологічної підготовки та оперативного управління проектно-орієнтованим виробництвом з розрахунку “1 робоче місце – N технологічно незалежних проектів” (де N залежить від галузі та застосування).
4. Розробка підходу до розвитку інформаційних технологій для імітаційного моде-лювання територіально-розподіленого виробництва з виходом на інтервальні гра-фіки виробництва матеріалів, їх комплектації, транспортування та складування.
Об’єкт дослідження – проектно-орієнтоване виробництво.
Предмет дослідження – моделі, методи та інструментальні засоби для комплек-сного організаційно-технологічного моделювання проектно-орієнтованих виробництв.
Методи дослідження. Як методи дослідження використано системний підхід, формалізацію, експеримент та порівняння. Системний підхід застосовано при розг-ляді виробничих і транспортно-накопичувальних процесів підприємства як єдиного комплексного середовища з інтегрованою системою управління. Формалізацію зас-тосовано при розробці лінгвістичних засобів організаційно-технологічного моделю-вання, а також при описі математичних моделей об’ємно-календарного планування. Експеримент та порівняння застосовано для комплексного аналізу та уточнення тео-ретичних положень, а також обгрунтування практичної цінності результатів.
Наукова новизна. Новизна результатів полягає в наступних положеннях:
1.
Уперше запропоновано комбінований метод організаційно-технологічного моде-лювання проектно-орієнтованих виробництв, в основу якого покладено:
) лінгвістичні засоби детального організаційно-технологічного моделювання, що базуються на згортці метамережевої технології та включають ряд додаткових специфічних елементів (багаторівневі процеси, фрагменти, цикли, технологіч-ні обмеження, виконавці, транспортно-технологічні комплекти, інтенсивність);
) засоби комбінування лінгвістичних, графових і аналітичних організаційно-технологічних моделей, які об’єднують властивості існуючих моделей (часо-ві, технологічні та ресурсні відношення), а також доповнюють їх залежними ресурсами і процесами (від виконавців, календаря і тривалості робочих днів);
) наскрізне управління виробництвом (технологічна підготовка, об’ємне та об’ємно-календарне планування, оперативний облік) на основі лінгвістичного інформаційного об’єкта (інформоб’єкта) на зовнішньому носію інформації.
2.
Удосконалено підхід до об’ємно-календарного планування проектно-орієнтованих виробництв за умов обмежених у часі обсягів ресурсів, в основу якого покладено:
) математичну модель оптимального об’ємно-календарного планування, яка розвинута на основі лінійної згортки критеріїв максимізації освоєних обсягів робіт і мінімізації сумарних дефіцитів ресурсів (інтегрованих і складування);
) уперше запропоновану модель візуалізації цільової функції, яка об’єднує в одному часовому 2-D гіперграфіку епюри обсягів виробництва, потужностей і трьох дефіцитів ресурсів (інтегрованого, диференційованого, складування).
3.
Модифіковано для різних типових виробничих ситуацій (“жорсткі” пріоритети проектів, “м’які” пріоритети проектів, обмежені дефіцити ресурсів) важкорозв’я-зувану дискретну задачу об’ємно-календарного планування проектно-орієнтова-них виробництв для її розв’язку існуючими поліноміальними алгоритмами.
Практичне значення. Практична цінність результатів полягає в наступному:
1.
Детальний опис лінгвістичної організаційно-технологічної моделі виробничого проекту розмірністю до 100.000 операцій при обмеженні до 500 операцій для іс-нуючих на практиці моделей (мережеві графіки, графіки Гантта) та оперативний розрахунок бізнес-плану проекту (коштів, ресурсів і термінів) на цій основі.
2.
Мінімізація сумарних дефіцитів усіх типів ресурсів шляхом комплексного балан-сування виробничих проектів на основі ряду методів оптимального об’ємно-ка-лендарного планування та методів інтерактивного балансування (наприклад, че-рез організацію “круглого столу” при керівництві компанії або “ділову гру”).
3.
Комплексність технологічної підготовки, планування та обліку на основі наскріз-ності розрахунку лінгвістичних моделей проектів і комплексного балансування.
4.
Адаптованість підходів до використання на мобільних засобах комп’ютеризації.
5.
Моделювання майбутньої структури територіально-розподіленого виробництва, що включатиме існуючі у великих містах підприємства та віддалені проекти
Особистий внесок здобувача. Усі результати, що захищаються, отримані осо-бисто здобувачем. В опублікованих у співавторстві роботах здобувачеві належать:
1. Розвиток лінгвістичної організаційно-технологічної моделі на основі багаторів-невих фрагментів, виконавців, технологічних місць та комплектів ресурсів.
2. Математичне обгрунтування та принцип роботи інтерпретатора лінгвістичної організаційно-технологічної моделі, математична модель розрахунку об’єктної норми проекту (з урахуванням залежних ресурсів і процесів).
3. Класифікація задач і модифікація математичної моделі комплексного балансу-вання для різних типових ситуацій, підбір поліноміальних алгоритмів розв’язання.
4. Розробка, дослідження та впровадження інструментальних засобів.
Апробація. Результати досліджень обговорювалися на 11 конференціях:
1.
IV Всеукраїнська конференція молодих науковців “Інформаційні технології в ос-віті, науці і техніці” (квітень 2004 р., ЧНУ, м.Черкаси).
2.
Міжнародна наукова конференція “Іноваційний розвиток на основі технологіч-ної зрілості в управлінні проектами” (червень 2004 р., КНУБА, м.Київ).
3.
VI Всеукраїнська науково-практична конференція “Комп’ютерне моделювання та інформаційні технології в науці, економіці та освіті” (квітень 2005 р., КЕІ КНЕУ, м.Кривий Ріг).
4.
I Міжнародна наукова конференція “Інтелектуальні системи прийняття рішень та прикладні аспекти інформаційних технологій” (травень 2005 р., ХМІ, м.Євпаторія).
5.
Міжнародна наукова конференція “Управління проектами в розвитку суспіль-ства” (червень 2005 р., КНУБА, м.Київ).
6.
III Міжнародна науково-практична конференція “Сучасні інформаційні техноло-гії в економіці і управлінні підприємствами, програмами і проектами” (вересень 2005 р., НАУ “ХАІ”, м.Алушта).
7.
VIII Міжнародна науково-технічна конференція “Контроль і управління в склад-них системах” (жовтень 2005 р., ВНТУ, м. Вінниця).
8.
II Міжнародна наукова конференція “Інтелектуальні системи прийняття рішень та прикладні аспекти інформаційних технологій” (травень 2006 р., ХМІ, м.Євпаторія).
9.
Міжнародна наукова конференція “Управління проектами – в умовах глобаліза-ції знань” (травень 2006 р., КНУБА, м.Київ).
10.
IV Міжнародна науково-практична конференція “Сучасні інформаційні техноло-гії в економіці і управлінні підприємствами, програмами і проектами” (вересень 2006 р., НАУ “ХАІ”, м.Алушта).
11.
XIII Міжнародна наукова конференція з автоматичного управління “Автома-тика-2006” (вересень 2006 р., ВНТУ, м. Вінниця).
Публікації. За результатами досліджень видано 14 публікацій, з них 5 статтей у фахових виданнях та 9 тез доповідей на наукових конференціях.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація має вступ, п’ять розділів, вис-новки та додатки. Повний обсяг дисертації становить 145 сторінок, у тому числі: 43 рисунки, 35 таблиць, з яких 1 на 1 окремій сторінці, список зі 102 літературних джерел на 10 сторінках та 4 додатки на 18 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вступ дисертаційної роботи містить: актуальність теми та її зв’язок з наукови-ми програмами, планами та темами, мету, задачі та методи дослідження, об’єкт та предмет дослідження, наукову новизну, практичну цінність, дані щодо особистого внеску здобувача, а також щодо апробації та публікації результатів.
У першому розділі розроблено класифікацію існуючих практичних задач у СПВ (серійному проектному виробництві) на базі деяких типових підсистем автома-тизованої системи управління підприємством, а саме: технологічної підготовки ви-робництва, формування собівартості, виробничого планування, управління ТНС (транспортно-накопичувальними системами) та оперативного обліку.
На основі порівняльного аналізу ряду існуючих ОТМ (організаційно-техноло-гічних моделей) у проектно-орієнтованому виробництві (графік Гантта, детерміно-ваний та альтернативний мережевий графік, циклограма, матрична модель, мережі Петрі, лінгвістичні моделі) виявлено ряд недоліків даних підходів, а саме: склад-ність моделювання циклів і багаторівневих фрагментів (метамережі), жорстке коду-вання подій моделі, реалізація рівнів директивного та поточного планування різни-ми засобами, працеємке календарне планування, відсутність моделювання ТНС, складність підключення альтернативного та ймовірнісного моделювання проекту.
На основі порівняльного аналізу ряду існуючих моделей об’ємно-календарно-го планування (ОКП) (балансова модель, моделі В.В.Шкурби, В.Ф.Ситника) також виявлено ряд їх недоліків, а саме: неврахування грошових штрафів від нестачі ре-сурсів і переповнення складів, експертні (а отже, неточні для конкретного календаря та виконавця) норми витрат ресурсів, неврахування попередньо складованих або де-фіцитних обсягів ресурсів, неврахування варіантів технологій проектів.
На основі порівняльного аналізу ряду існуючих методів вилучення дефіцитів ресурсів у виробництві (“калібрування” та “згладжування”) також виявлено ряд не-доліків даних підходів, а саме: оптимізація лише за одним ресурсом та одним дефі-цитом (диференційованим), неприв’язка до ринкових цін, робота лише з технологіч-но незалежними комплексами робіт, складність організації “круглого столу” для об-грунтованого “захисту” термінів і розподілу ресурсів між учасниками.
На основі порівняльного аналізу ряду існуючих систем управління проектами (“Primavera Project Planner”, “Spider Project”, “Open Plan” і “Microsoft Project”) також виявлено ряд їх специфічних недоліків, а саме: тривалий час підготовки проектно-кошторисної документації, відсутність гнучкого моделювання ОТМ і ТНС, відсутність засобів розрахунку кошторисів, оптимізація лише за одним ресурсом, відсутність зво-ротнього зв’язку зі складами та виконавцями, високі апаратні та програмні вимоги.
У другому розділі запропоновано комбінований метод організаційно-техно-логічного моделювання, в основі якого лежить нова лінгвістична ОТМ – мова “КАРТС”, граматика якої (згідно ієрархії Хомського) належить до 2-го класу.
Як відомо, граматикам 2-го класу (контекстно-вільним) ставиться у відповід-ність автомат з магазинною пам’яттю, а граматикам 3-го класу (регулярним) – скін-ченний автомат. Оскільки скінченний автомат є зручнішим інструментом для дос-лідження на повноту і незбитковість, наведемо регулярні вирази граматики у вигляді класичного скінченного автомата, а вирази, що породжують середню рекурсію (вкладеність операторів), у вигляді магазинного додатка пам’яті до нього (рис. 1).
Даний автомат М = (Q, ?, д, q0, qk) включає: Q – множину станів, ? – множину припустимих вхідних символів, д – множину переходів Q*?, q0, qk – початковий та завершальний стани. Алфавітом ? є: F, ; – заголовок та завершення фрагмента, P, . – заголовок та завершення проекту, [, ] – відкриття та закриття відношення, % – відсоток, W – операція, @ – виклик фрагмента, E = {W, @} – процес, ^ – цикл, Т – пе-рерва, " – етап, ¤ – мітка, – фіктивна робота, # – перемикач.
Модифікованість же скінченного автомата полягає в послідовному занесенні елементів алфавіту, що розпочинають середню рекурсію, до магазину пам’яті (сте-ка), а також послідовному їх вилученні тими елементами алфавіту, що її завершують. Слід відмітити, що будь-яка операція зі стеком є невід’ємною складовою відповід-ного переходу, тому перехід не спрацьовує у випадку неможливості її здійснення. Таким чином для контекстно-вільної граматики “КАРТС” реалізовується середня рекурсія в межах скінченного автомата, який, у свою чергу, зручно приводиться.
Як відомо, скінченний автомат є приведеним (а відповідна граматика повними і незбитковими), якщо даний автомат не містить жодного недосяжного стану та жод-ної пари нерозрізнюваних станів. Недосяжних станів запропонований автомат не має, оскільки з початкового стану F; можна потрапити в будь-який інший стан q ав-томату M. Двох нерозрізнюваних станів q1 та q2 (тобто, тих, які мають однакові лан-цюжки з елементів ? до завершального стану F;) автомат M теж не має. Отже, грама-тика “КАРТС” та породжена нею мова (табл. 1) є повними та незбитковими.
Принципом мови “КАРТС” є згортка багаторівневої технології проекту СПВ у вигляді текстових фрагментів. Опис проектів (фрагментів) у мові відбувається вик-лючно на основі технологічних відношень операцій “послідовно”, “паралельно”, “цикл”, “фрагмент” та “не раніше, ніж” (рис. 2-3). Елементами ж організації є ви-конавці (технологічні місця), інтенсивність операцій та комплекти ресурсів.
Проект, описаний програмою на “КАРТС”, обробляється інтерпретатором, що підключений до класифікаторів технологічних операцій та виконавців. Виключно на основі описаних технологічних відношень, а також тривалостей операцій (трива-лості містяться в класифікаторі або розраховуються на основі обсягу та виробітки виконавця) формується багаторівневий календарний план проекту. Слід зазначити, що нормативна тривалість операцій має набір сезонних коефіцієнтів, а тривалість конкретних операцій в календарному плані проекту враховує календар вихідних.
Далі інтерпретатор (на основі календарного плану та норм витрат операцій) розраховує об’єктну норму проекту – матрицю потреби в ресурсах за періодами.
Слід зазначити, що ресурси мають набір коефіцієнтів до обсягів витрат залеж-но від інтенсивності використання, норми витрат операцій мають набір сезонних коефіцієнтів, виконавці теж мають набір коефіцієнтів до норм витрат операцій.
Об’єктна норма варіанту v проекту i:
де – технологія (у вигляді програми “КАРТС”) варіанту v проекту i;
– норми витрат ресурсів (множина значень ); –
коефіцієнти поправок виконавців до ресурсів (множина значень ); –
коефіцієнти календарних поправок до ресурсів (множина значень ); –
коефіцієнти поправок інтенсивності до ресурсів (множина значень ); –
календарний початок реалізації проекту i, .
Потреба в ресурсі r варіанту v проекту і у технологічний період ф:
де ф – технологічний період (доба, тиждень, місяць і т.д.) проекту i, ; –
інтенсивність (тривалість робочого дня), ; –
норма витрат ресурсу r процесу p проекту i, , ; –
інтенсивність процесу p у період ф варіанту v проекту i, ; –
коефіцієнт виконавця до ресурсу r процесу p проекту i, , ; –
коефіцієнт поправки до ресурсу r у календ. період t, , ; –
коефіцієнт поправки інтенсивності # до ресурсу r, , ;
, – початок та заверш. процесу p варіанту v проекту i, ;
, – інтервал процесу p варіанту v проекту i у період ф, .
Далі на основі об’єктної норми проекту подібним чином розраховуються її част-кові випадки: об’єктна норми за ресурсами типу “потужність”, кошторисна норма.
Таким чином, на основі опису ОТМ та ряду класифікаторів розраховується на-бір файлів. Вхідні та результуючі файли назвемо інформоб’єктом проекту (рис. 4).
У третьому розділі з метою реалізації директивного планування проектів ви-робництва та усунення дефіцитів ресурсів запропоновано комплексне балансування “КАРКАС” як підхід до ОКП. В основі даного підходу лежить оптимізаційна задача, метою якої є вибір термінів і варіантів проектів таким чином, щоб максимізувати ос-воєні (за всіма проектами) обсяги ресурсів, а також мінімізувати їх сумарні дефіцити (інтегрований та складування) з урахуванням грошових штрафів.
Дана комбінаторна задача є важкорозв’язуваною, оскільки в загальному випад-ку вимагає цілеспрямованого перебору припустимих комбінацій термінів і варіантів проектів. Поліноміальний час її розв’язку досягається двома способами (рис. 5).
Першим способом є модифікація задачі для різних типових ситуацій, а саме: “жорстке” врахування пріоритетів проектів, “м’яке” (не для всіх) врахування пріо-ритетів проектів, а також накладання обмежень на дефіцити ресурсів. Тоді розв’язок здійснюється на основі ряду стратегій методу розгалужень та обмежень (МРО).
Другим способом є використання діалогових алгоритмів, які, як правило, дають не оптимальне, але раціональне (припустиме для учасників проектів) швидке рішення.
Слід зазначити, що комбінований метод і комплексне балансування є нероз-ривними задачами, тому розрахунок відбувається лише наскрізно – від перерахунку окремого інформоб’єкта “КАРТС” до побудови загальної епюри “КАРКАС”. Отже, будь-яке маніпулювання термінами (варіантами) проектів при комплексному балан-суванні спершу спричиняє “прогін” цих проектів через інтерпетатор, а вже потім – проекціювання всіх об’єктних норм до загальної та розрахунок дефіцитів.
В основі задачі “КАРКАС” лежить декілька основних визначень.
Інтегрована потреба в ресурсі r у календарний період t:
де – календарний початок виконання проекту i, .
Стан відображає нестачу (при додатньому значенні) або обсяг на при-обєктному складі (при відємному значенні) ресурсу r у календарний період t:
де – потужність ресурсу r у календарний період t, .
Диференційований та інтегрований дефіцит ресурсу r у період t:
Повний та розрахунковий дефіцит складування ресурсу r у період t:
де – загальна площа складування ресурсу r; –
коефіцієнт наявності інтегрованого дефіциту r після періоду t, .
Складовою підходу є також модель візуалізації цільової функції, яка об’єднує в одному часовому 2-D гіперграфіку епюри потреб, потужностей і трьох видів де-фіцитів ресурсу з додатковою візуалізацією фактичних витрат і складування (рис. 6).
Загальна задача комплексного балансування “КАРКАС” включає три цільові функції, які базуються на (6), (9), (11) та додатково враховують варіанти технологій.
Першою цільовою функцією задачі є максимізація освоєних обсягів :
Другою цільовою функцією задачі є мінімізація інтегрованих дефіцитів . Третьою цільовою функцією задачі є мінімізація дефіцитів складування :
Оскільки кожна з цільових функцій має коефіцієнти лінійної згортки (типу “гроші”) відповідно , , , то вони приводяться до загальної цільової функції:
де – ранній календарний початок проекту i, ; –
пізній календарний початок проекту i, ; –
кількість варіантів v проекту і.
Задача “КАРКАС” є комбінаторною задачею з експоненційною розмірністю:
де – крок зміщення проекту і у часі.
Задача №1 (з “жорстким” урахуванням пріоритетів) передбачає почерговий розгляд проектів за пріоритетами. Відмінністю від загальної задачі є (25) замість (14):
де – вартість проекту і; –
пріоритет проекту i, .
Формула розрахунку пріоритету qi проекту і:
У розмірності задачі мультиплікативність (23) заміняється адитивністю, оскільки порядок оптимізації є відомим. Розмірність задачі, як і загальної, є детермінованою:
Задача №2 (з “м’яким” урахуванням пріоритетів) передбачає наявність пріо-ритетів у частини проектів, тому її модель включає додаткове обмеження:
У загальному випадку розмірність задачі представляється як (23). При обме-женнях на ширину і глибину дерева розв’язку, що дає похибку (табл. 2), розмірність:
де I – кількість проектів;
D1 обмеження кількості рівнів дерева розв’язку (“обмеження в глибину”);
D2 – обмеження кількості вузлів дерева розв’язку (“обмеження в ширину”).
Задача №3 (з обмеженими дефіцитами ресурсів) має ряд особливостей, а са-ме: перенесення та до обмежень (оскільки СПВ, як правило, працює в умовах дефіциту), а також можливість виключення деяких проектів. Розглянемо її повністю:
де – сума інтегрованих дефіцитів ресурсу r; –
сума дефіцитів складування ресурсу r; –
обмеження на суму інтегрованих дефіцитів ресурсу r, ; –
обмеження на суму дефіцитів складування ресурсу r, .
Розмірність задачі є ідентичною (23), але для кожного проекту включена одна додаткова комбінація, коли даний проект не розглядається взагалі, про що зазначено в (34). Розмірність задачі визначається для найгіршого варіанту розв’язку (табл. 3):
; (35)
Як бачимо (табл. 4), задачі оптимального балансування є недостатньо ефек-тивними для практичних великих розмірностей (за виключенням окремих випадків задач №1 та №3). Також слід враховувати, що комплексне балансування є процес, який сильно залежить від суб’єктивних думок учасників виробництва, що вимагає частого оперативного перерахунку термінів проектів. За цих умов аналітичні методи можуть слугувати лише для побудови базового директивного плану.
Балансування в режимі “круглого столу” призначене для колективного прий-няття рішення щодо раціональних термінів проектів і розподілу ресурсів. Суть “круг-лого столу” полягає в тому, що в інтерактивному режимі за мультимедійним екраном відображається безліч варіантів проектів і ресурсних епюр “КАРКАС”. Користувачі, які не мають чітких обсягів штрафів, але мають директивні терміни здачі проектів, маніпулюють такими параметрами як: початок реалізації проектів, інтенсивності ро-біт, залучені виконавці, варіанти технологій проектів. В результаті після тривалих іте-рацій суб’єктивно й під керівництвом однієї людини приймається рішення (табл. 5).
Балансування в режимі “ділової гри” призначене для моделювання та розв’я-зання конфліктів між учасниками проектів, глибшого розуміння проблем та відпра-цювання колективних дій. Розподіл ролей – “виконавець” або “постачальник”.
Моделювання в режимі управління проектами полягає в “програванні” варіан-тів v і термінів Иi для виявлення лише “вузьких місць”, тобто найбільших дефіцитів:
; (36)
Як бачимо, застосування методів інтерактивного балансування може слугувати як для побудови базового плану, так і для його корегування в реальних умовах.
У четвертому розділі з метою реалізації комбінованого методу ОТМ і підходу комплексного балансування запропоновано експериментальну частину – комплекс “Karts Planner 1.0” – MRP-2 систему управління проектами, в основі якої лежить “інформоб’єкт” (див. рис. 4). Комплекс у повній мірі реалізує технологічну підго-товку, виробниче та фінансове планування виробництва, а також облік (рис. 7).
Комплекс упроваджено в ВАТ “Домобудівний комбінат №4” та використано при будівництві ряду житлових об’єктів (панельних, монолітно-каркасних) у м.Києві за адресами: вул. І.Пулюя, 2-4, ж.м. Позняки, 10Б, ж.м. Троєщина, 10, ж.м. Позняки, 4А.
Основними функціями комплексу є: автоматизований аналіз креслень (викона-них в комплексі AllPlan) та формування класифікаторів типових робіт і ресурсів, ін-терактивне моделювання (мова “КАРТС”) бізнес-планів (коштів, ресурсів, термінів) проектів будівництва, кошторисні розрахунки (згідно методики розрахунку вартості ДБН Д.1.1-2000), мінімізація дефіцитів і рівномірне завантаження ресурсів шляхом інтерактивного балансування, оперативне планування роботи виконавців.
На одному з об’єктів (ж.м. Троєщина, 10) також реалізовано оперативний зво-ротній зв’язок. На сервері бази даних на основі періодичного перерахунку проектів “КАРТС” формуються та розсилаються план-завдання виконавцеві проекту, а також замовлення складам. Виконавець та склади в свою чергу періодично звітують на сервер щодо обігу ресурсів і стану виконання робіт. Для організації даних зв’язків залучено компактні персональні комп’ютери та JPRS(EDGE)-канали (рис. 8).
Також на даних об’єктах (паралельно з практичним використанням) проведено ряд експериментальних досліджень, метою яких був аналіз працевитрат щодо техно-логічної підготовки та директивного планування проектів (мета роботи).
Експериментально доведено, що комбінований метод ОТМ забезпечує ком-плексне управління СПВ з розрахунку “1 АРМ – N технологічно незалежних проек-тів” (де N = 20 для серійного будівництва), оскільки тривалість опису складного ви-робничого проекту є незначною (наприклад, багатоповерхового житлового будинку – від 2 до 17 люд.-днів, що в 5,5-50 разів швидше, ніж у поширеному комплексі Pri-mavera Construction, та в 9-75 разів швидше, ніж у Microsoft Exel) (рис. 9).
Відзначимо також, що технологія проектів описана не укрупнено, а детально, зокрема: 29 тисяч операцій для панельного будинку і 75 тисяч – для монолітного.
Додатково експериментально доведено, що комбінований метод забезпечує зниження на 25-35% загальновиробничих витрат (при 10-20% в аналогів) шляхом вра-хування даних витрат у детально описаній організаційно-технологічній моделі.
Експериментально доведено, що інтерактивне балансування обсягів вироб-ництва великої корпорації (500 ресурсів, 30-40 проектів) при залученні попередньо прорахованих інформоб’єктів становить до 5 люд.-год. (що в 10-15 разів швидше, ніж в аналогів), чим дає змогу здійснювати технологічну підготовку проектів та їх директивне планування в межах одного спеціалізованого АРМ (рис. 10).
Економічна ефективність від впровадження комплексу для умов ВАТ “ДБК-4”:
1. Збільшення на 10-15% річних обсягів будівництва без залучення додаткових фа-хівців для технологічної підготовки та календарного планування.
2. Зниження в 1,3-1,5 раза накладних витрат шляхом урахування їх в детально описаній організаційно-технологічній моделі будівельно-монтажних робіт.
3. Скорочення на 5-10% витрат матеріалів шляхом їх списання на складах на ос-нові обгрунтованих заявок та обліку руху матеріалів за штрих-кодами.
У п’ятому розділі в якості концепції розвитку інформаційних технологій для імітаційного моделювання територіально-розподіленого виробництва (з виходом на інтервальні графіки виробництва ресурсів, їх комплектації, транспортування, складу-вання та використання) розглянуто впровадження сателітної технології замість існую-чих ТНС (“човниковий” спосіб, монтаж зі складу). На прикладі серійного будівницт-ва доведено, що дана технологія дасть змогу підвищити керованість виробництва, за-безпечити виконання проектів на великих відстанях, а, головне, реалізувати унікаль-ний гнучкий виробничий комплекс (віддалені проекти + ТНС + система управління).
У додатках наведено: рекомендації та приклади комплексного балансування, основні функції програмного комплексу “Karts Planner 1.0”, креслення об’єкта “м.Київ, вул. І.Пулюя, 2-4”, розрахунок об’єктів будівництва в “Karts Planner 1.0”.
ВИСНОВКИ
1. На основі порівняльного аналізу ряду існуючих ОТМ, моделей ОКП, еврістичних методів вилучення дефіцитів ресурсів та інструментальних засобів управління проектами виявлено ряд недоліків цих підходів. Основними з них є: складність моделювання циклів і багаторівневих фрагментів, реалізація директивного та по-точного планування різними засобами, працеємкість календарного планування, відсутність моделювання ТНС, неврахування штрафів від нестачі ресурсів та пе-реповнення складів, оптимізація за одним ресурсом і дефіцитом, робота лише з технологічно незалежними комплексами робіт, тривалий час розробки проектно-кошторисної документації, відсутність облікових зв’язків з виконавцями.
2. З метою реалізації багаторівневого опису виробничих проектів з урахуванням фрагментів та циклів технології, технологічних відношень та обмежень, транс-портно-технологічних комплектів, виконавців та інтенсивностей процесів запро-поновано комбінований метод ОТМ проектно-орієнтованого виробництва.
3. Першою складовою комбінованого методу є лінгвістична ОТМ (мова “КАРТС”), яка базується на згортці метамережевої технології та дає змогу детально, інтуї-тивно зрозуміло, компактно та швидко описувати технологію та організацію ви-робничих проектів СПВ розмірністю до 100.000 операцій при обмеженні до 500 операцій для існуючих на практиці моделей (мережеві графіки, графіки Гантта).
4. Другою складовою комбінованого методу ОТМ є засоби комбінування лінгвістич-них, графових і аналітичних ОТМ, які об’єднують властивості існуючих моделей (часові, технологічні та ресурсні відношення), а також доповнюють їх залежними ресурсами та процесами (від виконавців, календаря і тривалості робочих днів);
5. Третьою складовою комбінованого методу ОТМ є засоби оперативного розра-хунку бізнес-плану (коштів, ресурсів, термінів) проектів на основі інтерпретації програм “КАРТС” та ряду класифікаторів (операцій, виконавців, ресурсів).
6. З метою реалізації директивного планування проектів виробництва та усунення дефіцитів ресурсів запропоновано комплексне балансування як підхід до ОКП.
7. Першою складовою комплексного балансування є математична модель ОКП та її модифікації, а саме: три задачі оптимального балансування (з “жорсткими” та “м’якими” пріоритетами проектів, з обмеженими дефіцитами ресурсів) та три задачі інтерактивного балансування (“круглий стіл”, “ділова гра”, моделювання ситуацій). Математична модель задачі розвинута на основі лінійної згортки кри-теріїв максимізації освоєних обсягів ресурсів і мінімізації їх сумарних дефіцитів.
8. Другою складовою комплексного балансування є модель візуалізації цільової функції, яка об’єднує в одному часовому кольоровому 2-D гіперграфіку епюри обсягів виробництва, потужностей та трьох видів дефіцитів ресурсів.
9. Третьою складовою комплексного балансування є модифікація для різних типових виробничих ситуацій важкорозв’язуваної дискретної задачі ОКП проектно-орієн-тованих виробництв для її розв’язку існуючими поліноміальними алгоритмами.
10. Для реалізації комбінованого методу та комплексного балансування запропоно-вано програмний комплекс “Karts Planner 1.0” – MRP-2 систему управління проектами, в основі якої лежить “інформоб’єкт”. Комплекс в повній мірі реалі-зує технологічну підготовку виробництва, планування та оперативний облік.
11. Комплекс “Karts Planner 1.0” упроваджено в ВАТ “Домобудівний комбінат №4” та використано при будівництві ряду житлових об’єктів в м.Києві. Дане викорис-тання включає: автоматизований аналіз креслень та формування типових класи-фікаторів робіт та ресурсів, інтерактивне лінгвістичне моделювання бізнес-пла-нів, кошторисні розрахунки, інтерактивне балансування, облік. Статтями еконо-мічної ефективності є: збільшення на 10-15% річних обсягів будівництва, зни-ження в 1,3-1,5 раза накладних витрат, скорочення на 5-10% витрат матеріалів.
12. Окремо експериментально доведено (на прикладі “Karts Planner 1.0”), що комбі-нований метод забезпечує комплексне управління з розрахунку “1 АРМ – N тех-нологічно незалежних проектів” (де N = 20 для серійного будівництва) зі зни-женням при цьому накладних витрат на 25-35%, а комплексне балансування – директивне планування та вилучення дефіцитів ресурсів (для умов великого проектно-орієнтованого виробництва) у межах одного спеціалізованого АРМ.
13. Обгрунтовано розробку імітаційної моделі наскрізного циклу територіально-роз-поділеного виробництва (виробництво ресурсів, їх комплектація, транспортуван-ня, складування та використання в проектах), де об’єктами моделювання є відда-лені складні виробничі проекти в єдиному комплексі з ТНС.
СПИСОК НАУКОВИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1.
Бабіч В.І., Перевертун І.М. Методика організаційно-технологічного моделюван-ня будівельного виробництва в сучасних інформаційних технологіях // Пробле-мы программирования. Науковий журнал. – К.: 2004. – №4. – С. 88-99.
Здобувачеві належить обгрунтування лінгвістичних засобів організаційно-технологічного моделювання, а також розвиток мови “КАРТС” на основі багато-рівневих фрагментів, виконавців, технологічних місць та комплектів ресурсів.
2.
Бабіч В.І., Перевертун І.М. Порівняльний аналіз існуючих підходів до інтерак-тивного організаційно-технологічного моделювання будівельного виробництва // Проблемы программирования. Науковий журнал. – К.: 2005. – №2. – С. 85-97.
Здобувачеві належить порівняльний аналіз існуючих моделей, методів та інс-трументальних засобів для організаційно-технологічного моделювання проектів.
3.
Бабіч В.І., Перевертун І.М. Експериментальне дослідження організаційно-техно-логічного моделювання будівельних об’єктів засобами “Karts Planner 1.0” // Ін-формаційні технології та комп’ютерна інженерія. Науковий журнал. – Вінниця: 2005. – №3. – С. 69-77.
Здобувачеві належить структура програмно-технологічного комплексу.
4.
Бабіч В.І., Перевертун І.М. Програмний комплекс технологічної підготовки та управління будівельно-монтажними роботами з використанням інформоб’єктів // Проблемы программирования. Науковий журнал. – К.: 2006 – №4. – С. 71-84.
Здобувачеві належить модифікація задачі комплексного балансування для різних ситуацій, а також розробка, дослідження і впровадження інструментальних засобів.
5.
Бабіч В.І., Перевертун І.М. Інтелектуальні засоби моделювання та управління тех-нологічними процесами для проектно-орієнтованих виробництв // Системні тех-нологіїї. Науковий журнал. – Дніпропетровськ.: 2006 – №6. – С. 12-21.
Здобувачеві належить математичне обгрунтування та принцип роботи ін-терпретатора лінгвістичної організаційно-технологічної моделі, а також модель розрахунку об’єктної норми проекту (з урахуванням залежних ресурсів і процесів).
6.
Бабіч В.І., Перевертун І.М. Інструментальні засоби організаційно-технологічного моделювання об’єктів серійного будівництва // Праці IV Всеукр. конф. молодих науковців “Інформаційні технології в освіті, науці і техніці” (ІТОНТ-2004). – Черкаси: ЧНУ, 2004. – Ч. 1. – С. 82-84.
7.
Бабіч В.І., Перевертун І.М. Инструментальные средства моделирования техноло-гии и комплексного балансирования проектов в строительстве // Праці І Міжнар. конф. “Інноваційний розвиток на основі технологічної зрілості в управлінні проектами”. – К.: КНУБА, 2004. – С. 10-12.
8.
Бабіч В.І., Перевертун І.М. Порівняльний аналіз інтелектуальної системи органі-заційно-технологічного моделювання та деяких зарубіжних аналогів для умов управління проектами в будівництві // Праці VI Всеукр. наук.-практ. конф. “Комп’ютерне моделювання та інформаційні технології в науці, економіці та ос-віті”. – Кривий Ріг: КЕІ КНЕУ, 2005. – С. 7-8.
9.
Бабіч В.І., Перевертун І.М., Чайка А.О. Интеллектуальная система комплексного управления строительством и эксплуатацией жилого фонда // Праці І Міжнар. наук. конф. “Інтелектуальні системи прийняття рішень та прикладні аспекти ін-формаційних технології”. – Херсон: ХМІ, 2005. – Т. 2. – С. 40-44.
10.
Бабіч В.І., Перевертун І.М. Инструментальные средства организационно-техноло-гического моделирования в реальном времени – эффективность применения в строительстве // Праці ІІ Міжнар. конф. “Управління проектами в розвитку сус-пільства”. – К.: КНУБА, 2005. – С. 10-12.
11.
Бабіч В.І., Перевертун І.М. Методика применения средств “Karts Planner 1.0” для управления проектами в строительстве // Праці III Міжнар. наук.-практ. конф. “Сучасні інформаційні технології в економіці і управлінні підприємствами, прог-рамами та проектами”. – Харків: НАУ “ХАІ”, 2005. – С. 5-6.
12.
Бабіч В.І., Перевертун І.М. Бизнес-планирование и развитие гибких технологий в строительстве с применением программного комплекса “Karts Planner 1.0” // Праці ІІІ Міжнар. конф. “Управління проектами в розвитку суспільства”. – К.: КНУБА, 2006. – С. 12-13.
13.
Бабіч В.І., Перевертун І.М. Імітаційне моделювання гнучких технологій регіональ-ного будівництва засобами “Karts Planner 1.0” // Праці XIII Міжнародної конф. з ав-томатичного управління “Автоматика-2006”. – Вінниця: ВНТУ, 2006. – С. 363.
14.
Бабіч В.І., Перевертун І.М. Інструментальні засоби моделювання організаційно-технологічних та транспортно-накопичувальних процесів у серійному будів-ництві // Праці IV Міжнар. наук.-практ. конф. “Сучасні інформаційні технології в економіці і управлінні підприємствами, програмами та проектами”. – Харків: НАУ “ХАІ”, 2006. – С. 10-11.
Здобувачеві належать елементи лінгвістичної організаційно-технологічної моделі: багаторівневі фрагменти, виконавці, технологічні місця, комплекти, а та-кож класифікація задач і модифікація математичної моделі комплексного балансу-вання для різних типових ситуацій, підбір поліноміальних алгоритмів розв’язання.
АНОТАЦІЯ
Перевертун І.М. Інформаційні технології комплексного організаційно-технологічного моделювання проектно-орієнтованих виробництв (на прикладі серійного будівництва). – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціа-льністю 05.13.06 – “Автоматизовані системи управління та прогресивні інформа-ційні технології”. – Національний технічний університет України “КПІ”, Київ, 2007.
Дисертація присвячена розробці моделей, методів та інструментальних засобів для комплексного організаційно-технологічного моделювання проектно-орієнтова-них виробництв. Загальною метою є скорочення персоналу задіяного на технологіч-ній підготовці, плануванні та обліку за рахунок організації наскрізного управління проектно-орієнтованим виробництвом на основі детального багаторівневого опису технології та з використанням мобільних засобів комп’ютеризації.
Науковими результатами є: комбінований метод організаційно-технологічного моделювання, який включає лінгвістичну організаційно-технологічну модель (мову “КАРТС”), яка дає змогу детально описувати технологічні процеси проектів великої розмірності (до 100 тис. операцій), а також засоби комбінування лінгвістичних, графо-вих (графік Гантта) і аналітичних (об’єктна норма) організаційно-технологічних моде-лей; підхід комплексного балансування, який включає математичну постановку та кла-сифікацію задач об’ємно-календарного планування та модель візуалізації цільової функції, яка об’єднує в одному часовому 2-D гіперграфіку обсяги виробництва, потуж-ності й три види дефіцитів ресурсів; інструментальні засоби управління проектами.
Ключові слова: організаційно-технологічне моделювання, проектно-орієнто-ване виробництво, об’ємно-календарне планування, інформоб’єкт.
АННОТАЦИЯ
Перевертун И.М. Информационные технологии комплексного организа-ционно-технологического моделирования проектно-ориентированных произ-водств (на примере серийного строительства). – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по спе-циальности 05.13.06 – “Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии”. – Национальный технический университет Украины “КПИ”, Киев, 2007.
Диссертация посвящена разработке моделей, методов и инструментальных средств для комплексного организационно-технологического моделирования проектно-ориентированных производств. Общей целью является сокращение персо-нала задействованного на технологической подготовке, планировании и учете путем организации сквозного управления проектно-ориентированным производством на основе детального многоуровневого описания технологии и с использованием моби-льных средств компьютеризации (карманных персональных компьютеров).
На основании сравнительного анализа ряда существующих организационно-технологических моделей, концепций объемно-календарного планирования и инстру-ментальных средств управления проектами выявлен ряд недостатков данных подхо-дов. Основными из них являются: сложность моделирования циклов и многоуровне-вых фрагментов технологии, реализация директивного и поточного планирования разными средствами, трудоемкое календарное планирование, отсутствие моделирова-ния транспортно-накопительных систем, неучет штрафов от недостатка ресурсов или переполнения складов, експертные нормы затрат ресурсов, оптимизация только по одному ресурсу и дефициту, непривязка к рыночным ценам, работа только с техноло-гически независимыми комплексами работ, длительное время подготовки проектно-сметной документации, отсутствие обратной связи, высокие аппаратные требования.
С целью реализации многоуровневого описания производственных проектов с учетом фрагментов и циклов технологии, технологических отношений и ограниче-ний, транспортно-технологических комплектов, исполнителей и интенсивностей процессов разработан комбинированный метод организационно-технологического моделирования проектно-ориентированных производств.
Первой составляющей комбинированного метода является новая лингвисти-ческая организационно-технологическая модель (язык “КАРТС”), которая позволяет детально, интуитивно понятно, компактно и быстро описывать технологические и организационные процессы размерностью до 100 тыс. операций при ограничении до 500 операций для существующих на практике моделей (сетевой график и проч.).
Второй составляющей комбинированного метода являются средства комбини-рования лингвистических (язык “КАРТС”), графовых (график Гантта) и аналитичес-ких (объектная норма) организационно-технологических моделей, которые объеди-няют свойства существующих моделей (технологические, временные и ресурсные отношения), а также дополняют их зависимыми ресурсами и процессами (от испол-нителя, календаря и длительности рабочего дня).
С целью директивного планирования проектно-ориентированного производства и минимизации дефицитов в условиях множества ресурсов предложено комплексное балансирования “КАРКАС” как подход к объемно-календарному планированию.
Первой составляющей комплексного балансирования является математическая постановка и классификация задач объемно-календарного планирования, а именно: 3-х задач оптимального балансирования (с жесткими и мягкими приоритетами проектов, с ограниченными дефицитами ресурсов) и 3-х задач интерактивного ба-лансирования (“круглый стол”, “деловая игра”, моделирование ситуаций), что дает возможность выполнять оптимизацию плана с учетом директивных сроков проек-тов, вариантов технологий, а также критериев: максимизации выполнения объемов работ,
