Методы, модели и алгоритмы оптимизации систем информационной логистической поддержки управления виртуальными предприятиями: На примере предприятий микроэлектроники

Современные тенденции развития промышленных предприятий, в том числе предприятий электронной промышленности требуют развития новых подходов к организации их деятельности.

Одной из наиболее перспективных концепций в этом направлении является построение сквозных (комплексных) бизнес-систем, включающих весь жизненный цикл проекта и управление бизнес-процессами на основе информационнологистической интеграции организационно-производственных смежных предприятий, участвующих в реализации проекта.

Реализация этой концепции осуществляется путём создания виртуальных предприятий (ВП). Виртуальное предприятие создаётся из маркетинговых, проектных, производственных и эксплуатационных подразделений различных предприятий, не имеющих юридически оформленной организационной структуры, но обладающих единой информационной инфраструктурой, организация которой осуществляется на основе CALSтехнологии (Continuous Activation Life-Cycle Support).

Эффективное использование интегрированной информационной системы во многом зависит от организации ее логической и физической структуры, отображающей взаимодействие технических средств, программного и информационного обеспечения.

Актуальность работы.

В предшествующие годы активно решались задачи эффективной организации в отдельности:

• систем автоматизированного проектирования (САПР) — работы Казеннова Г. Г, Белякова Ю. Н, Норенкова И. П., Лисова О. И и др.;

• систем технологической подготовки производства и управлением качествомработы Абрамова В. А, Бондаревского А. С, Брюнина В. Н и др.

• систем обработки информации в автоматизированных системах управленияработы Савельева А. Я, Павлова В. В. и др.

Значительно меньше работ посвящено разработке информационных систем поддержки эксплуатации вычислительной техники и электронных систем.

Развитие концепции виртуальных предприятий ставит актуальную задачу совместного использования научных и практических достижений, в каждой из указанных областей деятельности в сочетании с развитием новых методов, алгоритмов и моделей, обусловленных спецификой новой расширенной области их приложения непосредственно связанной с постановкой и решением многокритериальных 4 многопараметрических переборных оптимизационных задач, связанных с техническим, информационным программным обеспечением интегрированных систем управления на основе информационной логистической поддержки виртуальных предприятий.

Одним из современных подходов к решению таких задач, является эволюционное моделирование — использование генетических алгоритмов для решения оптимизационных задач. Однако работы ведущих зарубежных и отечественных ученых в этой области, в частности Батищева Д. И, Курейчика В. М, Норенкова И. П., часто не применимы непосредственно к решению задач оптимизации систем интегрированного типа.

Сложность задачи усугубляется многосторонним подходом к формулировке критериев оптимальности, большим количеством факторов, которые влияют на эффективность работы системы информационной логистической поддержки виртуальных предприятий, распределённым характером информационной сферы, необходимостью учитывать деятельность на всех этапах жизненного цикла: маркетинге, проектировании, производстве и эксплуатации информационных систем.

Цель работы.

Основной целью диссертационной работы является разработка методов, моделей, алгоритмов и программных средств, обеспечивающих разработку и эффективное функционирование систем управления на основе информационной логистической поддержки виртуальных предприятий (на примере предприятий производства электронных систем) на всём жизненном цикле — маркетинге, проектировании, производстве и эксплуатации с использованием CALS технологии.

Предметом исследования в работе являются теоретическое обоснование разрабатываемых методов, моделей и алгоритмов и их применения для анализа виртуальных предприятий электронной техники, непосредственно связанных с эффективностью приложения результатов исследования.

Теоретической и методологической основой диссертационной работы являются методологии системного подхода и результаты работ по эффективной организации процессов автоматизированного проектирования и автоматизации производственных процессов.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Проведение на основе методологии реинжиниринга бизнес-систем системного анализа процессов проектирования и производства изделий электронной техники.

2. Построение моделей процесса управления проектированием и производством электронных изделий и формулировка задачи оптимизации структуры системы информационной логистической поддержки виртуальных предприятий, реализующих эти процессы.

3. Разработка мультихромосомных моделей и алгоритмов эволюционного моделирования, позволяющих решать задачи оптимизации структуры (технического, информационного и программного обеспечения) систем информационной логистической поддержки виртуальных предприятий.

4. Разработка программных средств моделирования и оптимизации систем (включая системы информационной логистической поддержки) на основе мультихромосомных генетических алгоритмов.

5. Исследование эффективности разработанных средств, методов, моделей и алгоритмов на конкретных примерах.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе используются: системный анализ, теория графов, теория алгебраических систем, генетические алгоритмы, методы оптимизации.

Научной новизной обладают следующие результаты диссертации:

1. Методика реинжиниринга бизнес-систем при преобразовании его в виртуальное предприятие с точки зрения информационной логистической поддержки на основе CALS технологии.

2. Комплексная функциональная модель преобразования информации в системе управления виртуальным предприятием электронного профиля построенная на основе графов процедур.

3. Мультихромосомные генетические алгоритмы как средство решения многопараметрических многокритериальных задач оптимизации информационных систем.

4. Модели и алгоритмы оптимизации предметных баз данных и структуры видов обеспечения системы информационной логистической поддержки виртуальных предприятий.

5. Комплекс программных средств моделирования систем на основе мультихромосомных генетических алгоритмов.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

Разработанная методика реинжиниринга систем управления бизнес-процессами позволяют при организации виртуальных предприятий обеспечить процесс формирования эффективной (оптимальной, квазиоптимальной) структуры технических средств, программного и информационного обеспечения системы информационной логистической поддержки.

Положительный эффект достигается за счёт использования новых математических и методических решений.

Использование мультихромосомных генетических алгоритмов позволяет находить квазиоптимальные решения многокритериальных многопараметрических переборных задач.

Разработанные программные средства позволяют решать оптимизационные задачи указанных выше типов на персональных ЭВМ средней производительности за короткое время и с использованием персонала средней квалификации.

Эффективная организация систем информационной логистической поддержки позволяет сократить время проектирования и производства изделий, повысить качество управления, сделать работу виртуального предприятия ритмичной и контролируемой.

Апробация работы.

Результаты работы опубликованы в шести научных трудах, доложены на 4-х международных конференциях.

Содержание работы.

Первая глава посвящена системному анализу информационной структуры систем автоматизированного проектирования (САПР), систем технологической подготовки производства (АСУТП), систем управления качеством. Системный анализ выполняется как часть процедуры реинжиниринга бизнес-систем при преобразовании их в виртуальные предприятия.

Основная задача на этом этапе — построить модель управления на базе преобразования информации главных информационных процессовпроцессах проектирования и производства. Для облегчения единства информационного представления данных используются стандарты CALS-технологии, устанавливающие единые требования к представлению и преобразованию информации на всех этапах жизненного цикла (в частности язык программирования EXPRESS).

Модели процессов проектирования и производства представляют собой дважды взвешенные графы, вершины каждых отображают проектные или технологические процедуры. В соответствии с аппаратом полихроматической раскраски графов [11] для каждой вершины указываются используемые компоненты технических средств программного и информационного обеспечения.

Полученная комплексная модель позволяет далее формализовать решение задачи оптимизации системы информационной логистической поддержки виртуальных предприятий (СИЛПВП).

Во второй главе разрабатывается аппарат решения многокритериальных многопараметрических переборных оптимизационных задач на основе мультихромосомных генетических алгоритмов (MGA).

Показано, что эффективная организация СИЛПВП является именно такой задачей. Использование классических однохромосомных моделей практически невозможно из-за большого количества учитываемых атрибутов. Разработан метод формирования минимальной по размеру мультихромосомной модели, отображающей взаимосвязи между процедурами, техническими средствами и видами обеспечения.

На основе MGA организуется процесс поиска квазиоптимального решения построения структуры СИЛПВП (систем логистической поддержки виртуальных предприятий).

Решена задача минимизации логической и физической структуры предметной базы данных процесса проектирования изделий. Алгоритм позволяет в 1.5−2 раза сократить объём этой базы за счёт того, что не хранится информация, которую можно восстановить по другой информации и которая требует достаточно много памяти. Задачи решались, как классические, однопараметрические с ограничениями и как многопараметрические на основе двухромосомной модели.

Разработан алгоритм оптимизации производительности СИЛПВП по критериям пропускной способности, времени обработки заявок и загрузки компонентов.

Алгоритм основан на 5-хромосомной модели и имеет две крайние разновидности: параллельный и последовательный.

Во — втором случае при переходе от популяции к популяции меняется только одна хромосома (мутация или кроссинговер). В первом случае вариации подлежат единовременно все хромосомы.

Полученное с помощью алгоритма решение задачи оптимизации структуры САПР на 15-^20% лучше найденного раннее методом последовательного устранения узких мест в работах Лисова О.И.

Третья глава посвящена свойствам, структуре и интерфейсу программнометодического комплекса MULTI-GEN, реализующего алгоритм моделирования на основе MGA и квазиоптимизации.

В четвёртой главе приведены результаты экспериментального исследовании свойств и характеристик MGA и их программной реализации при изменении внутренних параметров алгоритмов (например, численности популяции, величины родительской группы, типа используемых процедур кроссинговера и т. д.). Показана высокая эффективность алгоритмов и программных средств.

Таким образом, в диссертации решён комплекс задач эффективной организации предлагаемых СИЛПВП. Решение основано на предлагаемых моделях и MGA, реализованных в виде программных средств и обладающих высокими качественными характеристиками.

Выводы по главе 4.

1. Проведенные исследования показали высокую эффективность мультихромосомных генетических алгоритмов и алгоритмов оптимизации, реализованных в программных комплексах MULTIGEN и MUGOPT.

2. Исследования, проведенные на примере программно-технического комплекса системы информационной логистической поддержки виртуального предприятия, показали, что разрабатываемые методы, модели, алгоритмы и программные средства могут эффективно решать задачи оптимизации структуры СИЛП ВП.

Заключение

.

В диссертационной работе разработаны методы, модели, алгоритмы и программное обеспечение построения оптимальных систем информационной логистической поддержки (СИЛП) управления виртуальными производствами (ВП).

В результате системного анализа виртуальных производств показано, что разработка СИЛП должна базироваться на методах реинжиниринга бизнес-систем. Документальной основой процесса создания СИЛП является CALS-технология. Методика оптимизации структуры СИЛП базируется на построении моделей процесса производства изделий, включающих процесс проектирования и технологический процесс изготовления и представляющих собой раскрашенные на основе полихроматических ПБ-множеств графы процесса производства. Построены модели производства изделий электронной техники, включая проектирование больших интегральных схем.

Сформирована задача оптимизации структуры СИЛП ВП как многокритериальная задача дискретной оптимизации, решаемая как задача оптимизации с ограничениями или задача поиска гомеостаза.

Предложена структура интеллектуального монитора ВП, охватывающая все аспекты управления виртуальным предприятием. СИЛП строится исходя из принятой структуры интеллектуального монитора.

Для решения оптимизационных задач обосновано использование эволюционного моделирования. Показано, что классические генетические алгоритмы эволюционного моделирования не позволяют эффективно решать поставленные задачи.

Разработан новый подход в эволюционном моделировании больших и сложных информационных систем — мультихромосомные генетические алгоритмы (МГА).

Построены МГА для системы информационной логистической поддержки виртуальных производств, отображающие необходимые виды обеспечения и обладающие минимальной, необходимой и достаточной сложностью.

Построены алгоритмы оптимизации СИЛП по трем технологиям развития популяций: последовательной, параллельной и комбинированной.

Предложена методика и алгоритм оптимизации информационной подсистемы (распределенной базы данных) СИЛП ВП.

Разработанные методы, модели и алгоритмы реализованы в виде трех программных комплексов:

• мультихромосомного моделирования информационных систем;

• оптимизации структуры информационных систем на основе МГА;

• оценка качества структуры СИЛП ВП.

Экспериментально исследованы эффективность разработанных мультихромосомных моделей и алгоритмов и их использование для решения задачи оптимизации структуры программно-технических комплексов СИЛП ВП.