ВВЕДЕНИЕ
Повышающиеся темпы научно-технического прогресса, задачи
непрерывного роста эффективности функционирования предприятий приводят
к совершенствованию систем управления. Складывается тенденция
существенных изменений в планировании, происходит его реорганизация.
Управление предприятием должно быть комплексным и опираться на прочную
научную основу, поэтому важное значение приобретают исследования,
связанные с внедрением в автоматизированные системы управления хорошо
проработанных математических методов и их современных модификаций,
разрабатываемых с учетом передовых научных идей.
В последнее время на предприятиях большое внимание уделяется
комплексной оптимизации с целью повышения качества продукции, снижения
затрат на производство. Дальнейшее повышение эффективности работы
предприятий может быть достигнуто путем обращения к резервам,
заложенным в рационализации обеспечивающих процессов, особенно это
касается оптимизации запасов сырья, материалов, готовой продукции.
Повсеместно существует практика завышения уровня запасов, имеющая
целью застраховаться от возможных сбоев функционирования в условиях
влияния различных возмущающих факторов. Высокий уровень запасов
позволяет также скрыть недостатки управления, несогласованность
производственных операций и ненадежную работу поставщиков.
Актуальность темы обусловлена развитием комплексного характера
управления предприятиями, в том числе внедрением новых научных
разработок для повышения эффективности планирования и прогнозирования.
Нерациональное управление запасами на предприятиях приводит к
омертвлению капитала и значительным экономическим потерям, что во
многих случаях связано с необоснованным принятием решений в условиях
нестабильности или неопределенности многих факторов внешней и
внутренней среды и отсутствия их количественной оценки.
4
Цель работы: разработка и исследование методов моделирования,
решения оптимизационных задач и проектирования программного обеспечения
систем управления запасами с использованием нечеткого подхода к
описанию неопределенности, недетерминированных универсальных алгоритмов
оптимизации и технологии создания компонентных распределенных
программных систем.
Положения, отличающиеся научной новизной.
1. Проведено дальнейшее обобщение модели управления запасами,
выделены ключевые характеристики стратегий управления запасами,
позволяющие синтезировать расширенный класс стратегий.
2. Предложены новые способы формализации управления в условиях
существенной неопределенности стоимостных коэффициентов с
использованием комплексных нечетких характеристик.
3. Построена компонентная схема численной условной оптимизации на
основе нестандартной функциональной декомпозиции алгоритмического
обеспечения методов оптимизации.
4. Предложен метод построения адаптивных генетических алгоритмов
оптимизации с ведением информационной базы и автоматической настройкой
параметров на основе идентификации нечеткой связи между подмножествами
значений параметров и значений целевой функции в процессе отбора.
5. Построена методика компонентного метамоделирования систем
управления запасами как основа разработки программных модулей АСУ
запасами в составе современных интегрированных систем управления
предприятиями.
Практическое приложение полученных теоретических результатов.
Разработанные в диссертации принципы позволяют создавать
эффективные АСУ запасами и модифицировать существующие с целью снижения
затрат на хранение запасов и рисков, возникающих из-за дефицита.
Формальный синтез стратегий управления любой сложности упрощает
построение универсальных имитационных моделей. Методика использования
5
комплексных характеристик идеологии управления способствует
обоснованной активной реорганизации управления запасами в условиях
неопределенности. Предложенная гибкая компонентная структура
программного обеспечения призвана упростить интеграцию с программными
модулями существующих АСУП.
Положения научной работы проверены и продемонстрированы на примере
обработки данных бухгалтерского учета двух предприятий с существенно
различными характерами процессов потребления и профилями деятельности
(строительно-монтажный и издательский).
Автор защищает
1. математическую модель формализации стратегий управления запасами;
2. нечеткие обобщенные характеристики систем управления запасами;
3. методы применения генетических алгоритмов к решению оптимизационных задач управления запасами;
4. методику компонентного метамоделирования систем управления запасами.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации
доложены и обсуждены на международном конгрессе по интеллектуальным
методам вычислений и их приложениям С1МА'99 (Рочестер, США, 1999),
молодежной научно-технической конференции технических вузов Центральной
России (Брянск, 2000), международной научно-технической конференции
«Современные сложные системы управления» CCCy/HTCS'2002 (Липецк, 2002).
Публикации.
По теме исследований опубликовано 6 печатных работ, список которых прилагается.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка
литературы (110 наименований работ отечественных и зарубежных авторов).
Работа изложена на 162 страницах машинописного текста, содержит 50
6
рисунков и 13 таблиц.
Работа выполнена в Липецком государственном техническом университете.
Место задачи управления запасами как предмета исследований и ее роль в научно-практической сфере показаны на рис. 0.1.
Общая теория систем Кибернетика Исследование операций Экономика Информатика
А.
Логистика
П ред принимательская деятельность
? ?
Логистика Задача
запасов управления запасами
Условные обозначения связей:
образует парадигму методологии
выступает научной основой
образует методологический базис
является частью
Условные обозначения блоков:
Раздел науки
Область практической деятельности
Научно-практическая
проблема, подлежащая
исследованию
Рис. 0.1
Основная сфера проводимых исследований и ее связь с другими областями научной и практической деятельности показаны на рис. 0.2.
Теория
вероятностей и
математическая
статистика
Теория множеств
Теория информации
Теория нечетких множеств
Численные
методы оптимизации
Генетика
Современные
эвристические
методы и
алгоритмы
Традиционные и модифицированные
методы идентификации связи
между подмножествами
Генетические
алгоритмы
оптимизации
Модифицированные и
комбинированные
генетические алгоритмы
оптимизации
Дополнительные усювные обозначения связей:
предоставляет
р^ теоретические положения ^ и методы для решении
частных проблем
сфера исследований
Частные задачи
моделирования и
оптимизации в
системах
управления
запасами
Обьектно-ориентированное и
компонентное моделирование и программирование
Исследование операций
Обобщенная
модель
управления
запасами
Методология
компонентного
метамоделирования
систем управления
запасами
Построение
модулей
управления
запасами КИС
Логистика
Построение
корпоративных
интегрированных
систем (КИС)
Рис. 0.2.
В первой главе сделан краткий исторический обзор и приведены
основные положения теории и практики управления запасами на основе
анализа литературных источников. Выявлена возможность описания
некоторых видов неопределенности в задачах управления запасами с
использованием нечетких множеств, а также целесообразность
имитационного моделирования в комплексе с современными универсальными
эвристическими алгоритмами оптимизации для решения большинства задач в
этой области, особенно в связи с развитием средств вычислительной
техники. Проанализированы также аспекты создания программного
обеспечения систем управления запасами и выявлена необходимость
создания комплексной методики проектирования систем управления запасами
в составе интегрированных систем управления предприятиями на основе
объектно-ориентированного компонентного подхода к моделированию и
созданию программного обеспечения. На основании выявленных приоритетных
направлений поставлены задачи исследования.
Во второй главе представлена обобщенная модель управления
запасами, развивающая процессно-ориентированный логистический подход,
введены новые понятия областей активности процесса управления, на
основе которых удалось формализовать синтез расширенного класса
стратегий управления запасами. Описана постановка задачи численной
оптимизации с использованием имитационных моделей и с учетом специфики
структуры задачи, предложены способы описания некоторых характеристик
систем управления запасами с помощью нечетких величин и разработана
методика их использования для управления в условиях неопределенности
стоимостных показателей.
В третьей главе изложены методы решения частных задач при
управлении запасами. Проведено исследование применимости
недетерминированных эвристических методов оптимизации (генетических
алгоритмов) для решения задачи планирования запасов, а также предложены
новые методы повышения эффективности вычислительных процедур такого
класса на основе методов идентификации нечеткой связи между значениями
9
параметров генетических алгоритмов и качеством получаемых решений
задачи оптимизации. Приведены также результаты решения задачи
планирования запасов на основе ретроспективного анализа соответствующих
данных бухгалтерского учета по двум предприятиям разного профиля
деятельности, при этом использовались вновь введенные в настоящей
работе теоретические положения.
В главе четвертой рассматриваются вопросы синтеза этапов
моделирования и создания программного обеспечения систем управления
запасами на основе объектно-ориентированного подхода. Предложены два
варианта объектно-ориентированного описания таких систем, показана
эффективность процессно-ориентированного компонентного подхода.
Приведено концептуальное описание компонентного метамоделирования
систем управления запасами как перспективной методики проектирования
распределенных расширяемых программных комплексов как для задач научных
исследований, так и для работы их в составе интегрированных систем
управления предприятиями.
Заключение содержит основные выводы по работе.
101
ГЛАВА 1. ОБЗОР СФЕРЫ ИССЛЕДОВАНИИ И ВЫДЕЛЕНИЕ ПРИОРИТЕТНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ
1.1. Краткий исторический обзор теории и практики управления запасами
Математическая теория запасов - относительно молодая интенсивно
развивающаяся наука. Проблемами выбора рационального, теоретически
обоснованного уровня запасов исследователи стали интересоваться в конце
XIX - начале XX в. В 1888 г. Эджуорт (Edgeworth) впервые математически
сформулировал задачу управления запасами (применительно к определению
резервных денежных фондов). Аналогичные результаты получил в 1915 г.
Харрис (Harris), в немецкой литературе - в 1927 г. Стефаник-Алмейер
(Steffanic-Allmayer), в 1929 г. Андлер (Andler) и др. Во всех работах
начального периода рассматривается так называемая модель EOQ (Economic
Order Quantity) - детерминированная модель наиболее экономичного
размера заказа. Независимо от своих предшественников в 1934 г. Уилсоном
(Wilson) была выведена группа формул, относящихся к EOQ, которая в
англоязычной литературе носит его имя.
Для вывода формулы EOQ требуются минимальные знания из области
математического анализа, однако результаты ее применения часто далеко
не очевидны практикам. Вопреки известной поговорке «запас карман не
тянет» следует заботиться о том, чтобы расходы на накопление находились
в разумных пределах. Если спрос в единицу времени постоянен и равен S,
дефицит не допускается, доставка пополнения немедленная, стоимость
доставки заказанной партии равна К, а плата за хранение единицы
продукта в единицу времени равна h, то оптимальный размер доставляемой
партии оказывается равным
(1.1.1)
при этом минимизируются суммарные издержки в предположении, что
11
стоимость заказываемого продукта с течением времени не меняется.
Эта зависимость является составляющей частью более сложных задач, в том
числе стохастических.
Другая простая модель, уже стохастическая, появилась в годы второй
мировой войны, но стала широко известна лишь в 1951 г. как модель
продавца газет или рождественских елок. Она традиционно приводится как
пример принятия решения в условиях неопределенности, но по своей
природе это задача управления запасами. Здесь предполагается, что спрос
на продаваемый продукт разовый и представляет собой случайную величину
Е, с известным распределением. Известна цена покупки В, продажи К,
неиспользованный продукт пропадает (в частных случаях может быть
возвращен по более низкой цене). В качестве функционала, который надо
максимизировать, рассматривается полученный средний доход
VEmin(Q,4)-BQ, если приобретена заранее партия размера Q.
Модель газетчика применяется к поставкам запасных частей и
дополнительного оборудования к уникальным комплексам на весь период
эксплуатации, так как вместе с основным оборудованием запчасти могут
быть поставлены по одной цене, а позже - по существенно более высокой
из-за необходимости повторного запуска производства. К этому же классу
проблем относится сезонное снабжение, торговля модными товарами и др.
задачи с разовым созданием запаса.
Быстрое развитие теории управления запасами началось в годы второй
мировой войны применительно к организации эффективного снабжения
вооруженных сил и сразу после войны в рамках становления группы
прикладных математических дисциплин, традиционно объединяемых названием
«исследование операций». В настоящее время теория управления запасами
рассматривается как раздел общей теории управления.
О формировании теории запасов как научной дисциплины к середине
1950-х гг. свидетельствует работа [67], в которой приведен глубокий
12:
математический анализ задач управления запасами, сформулированы
основные математические проблемы, описаны важные модели, указаны
факторы, влияющие на принятие решений, и предложены подходы к учету
неопределенности спроса.
В нашей стране первыми математическими работами по теории запасов
были статьи Е.В. Булинской [8], опубликованные в журнале «Теория
вероятностей и ее применения» в 1964 г., и ее кандидатская диссертация
«Некоторые задачи оптимального управления запасами» (МГУ, 1965 г.),
развивавшие стоимостной подход, затем появились переводы на русский
язык монографий [7, 61]. В 1969 г. появилась книга Рыжикова [49], далее
книги Рубальского [47], Первозванского [40] и др. отечественных
авторов.
Можно отметить, что до середины 1960-х годов основную роль при
выборе политики регулирования запасов играл стоимостной подход. Он
означает, что при фиксированном горизонте планирования Т для оценки
качества функционирования системы рассматриваются средние суммарные
издержки ST. Если горизонт планирования неограничен, то в качестве
целевой функции рассматриваются средние издержки в единицу времени при
длительном функционировании системы (более точно, lim (l / T)ST).
Г->оо
С середины 1960-х годов получает развитие надежностный подход в
теории запасов, который оказался очень плодотворным в связи с
фундаментальными результатами, полученными в работах Гнеденко,
Соловьева, Коваленко, Каштанова, Беляева, их коллег и учеников [16]. В
то время как стоимостной подход стремится свести к минимуму издержки,
существуют ситуации, когда такой подход неприменим, и необходим другой
критерий качества функционирования системы - ее надежность.
При надежностном подходе в качестве целевой функции выступают
вероятности опустошения и/или переполнения, средний размер дефицита и
другие характеристики системы. В то время как при стоимостном подходе
часто оказывалось возможным находить оптимальную политику,
13
обеспечивающую достижение экстремума целевой функции, добиться
«полной надежности», скажем, бездефицитной работы, практически никогда
не удается.
В 1970-е годы в связи с развитием средств вычислительной техники и
ростом популярности вычислительных систем возникла идея использовать их
возможности для планирования деятельности предприятия, в том числе для
планирования производственных процессов. В это время снова усиливается
интерес к детерминированным моделям теории запасов, при этом центр
тяжести перемещается в область централизованного планирования
производственных процессов и запасов сырья и полуфабрикатов. Если
раньше речь шла о наиболее рациональном выборе уровня запасов, то
теперь доминирует желание иметь их как можно меньше, а лучше всего не
иметь вообще. В 1975 г. выходит работа [96], посвященная этим
проблемам. В развитом виде идеи планирования нашли отражение в
известных концепциях MRP и ЛТ.
Планирование потребностей в материалах (Materials Requirements
Planning, MRP) - внутризаводская система планирования потребностей
сырья и полуфабрикатов в условиях прогнозируемого спроса, целями
которой являются удовлетворение потребности в материалах, компонентах и
продукции для планирования производства и доставки потребителю,
поддержание низкого уровня запасов материальных ресурсов,
незавершённого производства, готовой продукции, планирование
производственных операций, графиков закупок и доставки [25, 31].
В Японии вопросами организации производства стали заниматься еще в
1950-е годы [64]. Первоначально разработанный компанией Toyota, а затем
широко распространившийся и на другие компании, новый подход получил
название just-in-time («точно вовремя», ЛТ). Цель этого подхода -
сократить уровень запасов (или в идеале избежать хранения), тем самым
значительно уменьшив издержки, способ достижения цели - жесткая
синхронизации процессов поставки и потребления. В Японии система
получила название Kanban (яп. «карточка»). По сути, это также
планирование производства, но
14
менее централизованное, причем, в отличие от MRP способное обходиться без ЭВМ.
С конца 1970-х годов японские идеи уменьшения запасов начинают
распространяться на США и Западную Европу. Среди таких компаний,
которые начали использовать японский опыт, можно указать General
Electric, Hewlett Packard, IBM, Xerox и др.
Широкое распространение в 1980-е годы систем ЛТ означало новый
взгляд на роль запасов в производстве, при этом упор делался на их
ликвидацию. В подавляющем большинстве работ по ЛТ все процессы
считаются детерминированными. Устранение случайных колебаний и
неравномерности -задача эффективной организации производства в
противовес накоплению страховых запасов.
В [48] приводятся сведения, что в нашей стране попытки
автоматизации систем управления предпринимались еще в 1930-е гг., когда
в Москве в ЦУМе вводились товарные ярлыки для машинной обработки на
перфорационной технике. Эти попытки уже на базе ЭВМ были возобновлены в
1960-х гг., но также неудачно. Ни одна отечественная АСУ запасами не
была доведена до конца, не окупались даже эксплуатационные расходы.
Основными причинами автор [48] считает следующие:
- ставилась неверная цель - «эффективность АСУ» (загрузка ЭВМ,
число решаемых задач) вместо «эффективности управляемого процесса»;
- проекты ориентировались не на перспективную, а на существующую
технику (отсталая и дорогостоящая техническая база) и устаревали «на
корню»;
- колоссальные затраты на АСУ сковывали все дальнейшие новации;
- использовались стереотипы домашинной организации работ
(перфоленты возили в ВЦ на автотранспорте, фиксировали и тиражировали
промежуточные результаты счета на бумаге);
- операторские пульты и технология разрабатывались в расчете на дефицитных в ту пору программистов;
- процесс создания АСУ жестко регламентировался, принудительно
15
насаждались «типовые решения»;
- игнорировались оптимизационные задачи, решались в основном учетные;
- отсутствовала должная информационная база (прежде всего по спросу);
- не контролировалась достоверность вводимой информации.
Анализ современного состояния автоматизации показывает, что далеко
не все эти проблемы потеряли актуальность. На web-странице одного из
крупнейших производителей комплексных систем автоматизации бизнеса
утверждается:
«Многие информационные системы ограничиваются только решением
таких основных задач, как обработка заказов и выставление
счетов-фактур, при этом степень интеграции между этими функциями крайне
незначительна или вообще затруднена. Подобные системы существенно
осложняют применение программных инструментальных средств менеджмента,
без чего невозможно ни существенно улучшить организацию ... бизнеса, ни
повысить его доходность. Многие разработанные на заказ программные
приложения имеют целый ряд ограничений, да и стоимость их сопровождения
зачастую высока, возможности расширения весьма ограничены, особенно в
тех случаях, когда программная среда привязана к конкретным аппаратным
платформам.» (www.baan.ru)
В [40] отмечается, что модели управления запасами заложили основы
синтеза математической экономики и теории управления, внеся в первую
динамические и вероятностные представления, а во вторую -
экономические. Управление запасами выступает обычно в роли потребителя
результатов таких научных дисциплин, как экономика и экономическая
статистика, используя в качестве исходной информации данные о структуре
и параметрах критериев оптимальности, а также методики оценки
экономической эффективности автоматизации управления запасами,
вырабатываемые этими дисциплинами ([26, 30, 56]).
В настоящее время теория управления запасами использует достижения
такой современной науковедческой дисциплины, как общая теория систем,
161
методологическим аспектом которой является системный подход [5,41,51].
Начало этому было положено внедрением вычислительной техники в
управление предприятием и созданием концепций MRP и JIT, которые на
протяжении тридцати лет своего развития претерпели существенные
изменения и далеко продвинулись в плане интеграции всех функций
управления производством в рамках единой системы, которую теперь часто
называют корпоративной интегрированной системой.
Следует отметить, что управление запасами не просто является одной
из важных функций систем управления предприятиями, но выступает одной
из мощных движущих сил их развития. Эволюция таких систем отражена,
например, в [52]. Вслед за MRP появились Manufacturing Resource
Planning (MRPII из-за идентичности аббревиатур). Эта система была
создана для эффективного планирования всех ресурсов производственного
предприятия, в том числе финансовых и кадровых. Кроме того, система
класса MRRPII способна адаптироваться к изменениям внешней ситуации и
эмулировать ответ на вопрос «что если». Именно это свойство является
краеугольным камнем современных систем управления, поскольку большое
количество производителей производят продукцию с заведомо коротким
жизненным циклом, требующую регулярных доработок. Системы планирования
класса MRPII в интеграции с модулем финансового планирования FRP
(Finance Requirements Planning) получили название систем
бизнес-планирования ERP (Enterprise Requirements Planning), которые
позволяют наиболее эффективно планировать всю деятельность современного
предприятия, в том числе финансовые затраты на проекты обновления
оборудования и инвестиции в производство новой линейки изделий.
Теоретической основой для таких систем является молодая наука
логистика [51,25,24]. Предметом исследований логистики является
оптимизация материальных и соответствующих им финансовых и
информационных потоков, при этом сфера деятельности искусственно
ограничивается некоторым производственно-коммерческим циклом, который,
в
17' |
ПОИСК РАБОТ:
