Вопросы выбора и внедрения систем управления производством классов MES, APS, ERP

1. Идентификация задач управления производством

За последние два десятилетия оформился ряд общепризнанных системных решений в области систем управления производством – это системы классов ERP(Enterprise Resource Planning), APS(Advanced Planning& Scheduling Systems) и MES(Manufacturing Execution Systems). Кроме этого есть еще системы нижнего уровня управления – SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition), которые отвечают за функции автоматизации управления и контроля выполнения технологических процессов. Очень часто предлагаются решения в плане построения АСУП на базе систем классов PDM (Product Data Management) или PLM (Product Lifecyсle Management).

Существует еще  концепция CALS, которая изначально позиционировалась как задача компьютерной поддержки процесса поставок (Computer Aided Logistic Support) и трансформировавшая в настоящее время в более глобальную проблему непрерывного развития и поддержки жизненного цикла изделий (ContinuousAcquisitionandLifecycleSupport).

В настоящее время в литературе можно найти очень много разных аббревиатур, за которыми также кроются различные системы или подсистемы, относящиеся к автоматизации производства. Но наиболее упоминаемыми, когда речь идет о системах управления производством, являются система классов ERP, APS и MES.

Поэтому многие предприятия, как только у них возникает проблема внедрения автоматизированной системы управления предприятием (АСУП), недолго думая, ставят перед собой задачу разработки или приобретения именно этих систем. При этом конкретный выбор очень часто определяется ценой системы по принципу «ERP – это дорого, значит возьмем MES».  Такой подход, ассоциирующийся с действиями провинциального купца позапрошлого века, вознамерившегося на парижской вставке прикупить творение Эйфеля ввиду отсутствия подходящего товара, увы, становится почти правилом. И винить в этом производственников крайне сложно. Поскольку мощный поток рекламы со стороны производителей систем, интеграторов и просто консультантов, живущих за счет того, что за деньги дают бесполезные советы, напрочь вымывают основное – точную информацию о функциональности тех или иных решений и соответствие тех или иных решений конкретным требованиям предприятий.

Предприятие, на основе тщательного анализа, с помощью собственных специалистов, должно ответить на следующие важные вопросы.

1) Чем не устраивает существующая на предприятии система управления и какие функции необходимо автоматизировать?

2) Зависит ли существующая система управления и качество принятия решений от человеческого фактора?

3) Каков коэффициент загрузки технологического оборудования и повысится ли прибыль предприятия, если этот коэффициент поднять до определенного уровня?

4) Повысится ли качество выпускаемой продукции при внедрении новой системы управления предприятием?

5) Насколько, по приблизительным оценкам, с учетом затрат на внедрение АСУП, повысится прибыль предприятия?

6) Повысится ли гибкость управления при внедрении АСУП?

7) Имеются ли на предприятии собственные кадры, готовые как к проектам по АСУП, так и по сопровождению этих систем?

8) Насколько высок уровень автоматизации работ конструкторско-технологического характера?

9) Насколько развита на предприятии информационная среда?

10) Как долго предполагается использовать АСУП и не предполагается ли в ближайшие годы смена направления деятельности предприятия?

11) Изучен ли опыт разработки и внедрения АСУП на аналогичных предприятиях?

12) В какие сроки предполагается окупить затраты на АСУП?

13) Какие первостепенные задачи в области автоматизации управления необходимо решить?

14)  Имеется ли на предприятии долгосрочная программа его развития?

15) Существовала ли ранее на предприятии программа переподготовки персонала?

16) Как отразится процесс автоматизации на занятости сотрудниках предприятия?

17) Существует ли устойчивая долгосрочная финансовая перспектива роста предприятия как в данном регионе, так и в существующей рыночной нише?

Этот список вопросов можно дополнять, но то, что он должен существовать и анализироваться до принятия решения о внедрении АСУП, – это факт, не подлежащий сомнению.

Если по всем вопросам найден ответ и этот ответ не устраивает предприятие, тогда надо искать готовое системное решение или проект, который бы разрешил именно найденные вопросы, вопросы предприятия, но не разработчика той или иной трехбуквенной аббревиатуры. Это замечание относится должным образом как к предприятиям, внедряющим АСУП, так и к разработчикам, предлагающим свои решения.

Для этого должен быть составлен функциональный образ той системы, которая должна быть на предприятии. И уже в дальнейшем этот образ предполагаемой АСУП необходимо сравнивать с функциональностью тех или иных готовых решений или предлагаемых проектов (рис.1) с учетом ценовой политики и возможности использования тех или иных модулей АСУП уже на этапе внедрения.

Рис.1. Выбор варианта АСУП

Очень часто при анализе автоматизируемых функций возникает проблема не только выбора системы, но также проблема идентификации производственных задач. Большинство современных систем классов ERP, APS, MES предназначено для решения задач планирования. Это и планирование основного и вспомогательного производства, планирование закупок, планирование продаж, а также планирование поставок, пополнение складских запасов, планирование транспортных потоков, планирование качества, планирование рисков и пр. Понятие планирования вошло в лексикон инженерии, как минимум, с начала прошлого века. В системах классов APS и MES планирование, прежде всего, подразумевает построение графиков работы оборудования в соответствии с наличием и занятостью ресурсов, а также директивными сроками выпуска продукции. Но всегда ли производственная задача, где требуется составить некий план действий, решается как задача построения расписания с помощью систем классов ERP, APS или MES?

Во многих случаях, в зависимости от предметной области, под планированием понимается более широкий спектр задач управления – от построения траектории движения руки промышленного робота до игровых ситуаций. И это правильно, поскольку под планированием, в общем виде, понимается такая алгоритмизация действий, которая приводит нашу систему в требуемое состояние.

Всегда ли предприятию нужна именно MES-система, или APS, или ERP-система? Всегда ли задачи планирования решаются с помощью именно этих систем? Попробуем разобраться в этом вопросе. Для этого рассмотрим некоторые реальные производственные проблемы, в которых присутствует понятие расписания, и попытаемся идентифицировать задачи и возможные системные решения.

Задача 1.Задача отдела загрузки мощностей.

Эта классическая задача пришла к нам с давних времен. При известном парке технологического оборудования предприятия и составе номенклатуры выпуска изделий предприятием, требуется определить возможность этого выпуска за определенный период. Эта задача решается без учета того, в каком порядке будут выполнены все технологические операции. Возможные поломки оборудования, простои и другие потери фонда времени оборудования учитываются приблизительно, с помощью соответствующих коэффициентов. Задача построения расписания здесь не ставится. Используются модели линейного программирования[1].

Задача 2.Задача составления расписания для всего предприятия.

В данном случае ставится непосредственная задача построения расписания для всего парка технологического оборудования предприятия на множестве номенклатуры изделий за определенный период с учетом порядка выполнения операций согласно их технологического процесса (ТП). В качестве ограничений выступают: текущая занятость оборудования с учетом сменности, сроки изготовления и передачи готовой продукции заказчику. Кроме того, строится расписание для таких вспомогательных служб, как: инструментальное производство; транспортный цех; финансовый отдел; отделы, отвечающие за заказы материалов и комплектующих. Основным критерием является максимизация прибыли предприятия. Такие задачи решаются с помощью современных систем классов ERP и APS[2]. 

Задача 3.Задача составления расписания для цеха.

В данном случае ставится задача составления расписания работы цеха на известном составе оборудования, объеме заказов. Учитываются занятость и календари работы оборудования, основных и вспомогательных рабочих, возможность использования групп взаимозаменяемого оборудования и другие факторы технологического и организационного плана. Используется ряд различных критериев планирования временного и стоимостного характера и выбор конкретного критерия планирования зависит от текущей производственной ситуации в цеху.  Для составления расписаний используются системы класса MES.

Задача 4.Задача автоматической линии.

Особенность работы автоматической линии (АЛ), отличающейся от любой другой организационной производственной структуры в повышенной производительности и постоянном такте выпуска изделий, заключается в том, что необходимо максимизировать интенсивность выпуска изделий при наличии отказов оборудования. В данном случае задача расписания для АЛ не ставится, поскольку мы имеем прямоточную производственную структуру с тактом выпуска, определяемую сбалансированной производительностью отдельных станков, составляющих АЛ. Данная задача решается с точки зрения ТМО и заключается в определении емкости межстаночных накопителей при таких известных параметрах оборудования, как производительность и частота появления отказов. Системным решением здесь является специализированное программное обеспечение, созданное в соответствии с разработанной моделью системы массового обслуживания (СМО).

Задача 5.Задача строительства объекта.

В задачах строительства объектов известны этапы строительства (разработка и утверждение проекта, прокладка коммуникаций, строительство фундамента, возведение стен и др.), их длительность и условия предшествования между этапами. Кроме того, известен график высвобождения строительных бригад и строительной техники, даты перечисления денежных средств. Задачей является формирование такого расписания строительства объекта, которое бы при указанных параметрах, не увеличивало ни длительность общего проекта, ни его стоимость. Такие задачи, расписания которых зависят от занятости ресурсов, относятся к задачам управления проектами [3] и решаются соответствующими инструментами – с помощью систем управления проектами. Расписание, как таковое, для таких проектов строится обязательно.

Задача 6. Задача расписания для учебного заведения.

В данной задаче известными параметрами являются: процессы обучения множества групп студентов по различным специальностям с указанием перечня дисциплин, их аудиторной длительности и востребованности в ресурсах, множество преподавателей, аудиторный фонд. Необходимо составить график обучения студентов на семестр, в котором бы было минимум простоев в их расписании при ограничениях по аудиторному фонду, регламентированной длительности занятий в течении дня и учебной недели, а также с учетом занятости преподавательского состава. Это задача не только требует составления расписания, но относится к одной из самых сложных, поскольку требуется составлять расписания не только для студентов, но также для преподавателей и аудиторий (график их занятости). Задача не решается с помощью систем классов MES или APS ввиду своей специфики. Кроме того, для таких задач характерно то, что однажды составленные на семестр расписания, практически не подлежат пересчету при их частичном нарушении, как это практикуется для цеховых расписаний, поскольку коррекция расписаний для учебных заведений означала бы то, что все студенты и преподаватели каждый полтора часа на протяжении дня в течении всего семестра должны осведомляться о возможных изменениях расписания. Поэтому процесс формирования таких расписаний должен предусматривать некий резерв по: аудиторному фонду, фонду времени студентов.     

Задача 7. Задача о расписаниях железной дороги.

Одними из первых задач, которые были решены с позиций исследования операций, были задачи о железнодорожных перевозках. Бесперебойная работа железнодорожного транспорта немыслима без четкого расписания. Пассажир, покупая билет, видит на нем дату и время отправления и прибытия. Точности движения поездов, зачастую, можно только позавидовать. Поезд, находясь в пути иногда более суток, останавливаясь в десятках населенных пунктов и постоянно регулируя как свою скорость, так и подчиняясь приоритету прохождения тех или иных участков дороги, прибывает на перрон пункта назначения с точностью до минуты. Особенностью решения таких задач является то, что многие составы в своем маршруте используют одни и те же участки пути, но в разное время. И эти участки пути являются, по сути, обслуживающими устройствами (ОУ) для составов. А это значит, что железнодорожное расписание строится не только для поездов, но, главным образом, для этих общих участков пути. Зная моменты занятости этих участков, для составов, зная их скорость, строятся частные расписания прохождения отрезков пути между общими участками с учетом необходимости остановки на промежуточных станциях. Таким образом, основным ограничением такой задачи является то, что через общие участки пути различные составы должны проходить с разницей во времени, которая зависит как от длины этого общего участка, так и от приоритета составов (скорый, пассажирский, грузовой, ремонтный). Критерием задачи будет служить минимум времени, затрачиваемое на прохождение всего маршрута каждым составом. Ввиду достаточно большой размерности задачи, алгоритм формирования расписаний поездов – сложный, но ни одна система классов ERP, APS, MES такого расписания построить не может, поскольку эта задача имеет свои особенности, не характерные для машиностроения, а значит, это не учтено в алгоритмах указанных систем управления. Хотя сама задача относится к разряду задач о построении расписаний и имеет постановку решения в рамках теории расписаний [4]. Такие задачи решают специализированные программные средства.

Задача 8.Задача об авиаперевозках.

Аналогичной задаче о железнодорожных перевозках является задача об авиаперевозках. Общими ОУ для этого случая будут: аэропорты и некоторые насыщенные трафиком участки воздушного пространства – воздушные коридоры. Эта задача также решается как задача расписания.

Задача 9. Задача расписания метрополитена.

Аналогичная по виду задача составления расписания для метрополитена имеет свои существенные отличия. Во-первых, количество общих участков сведено до минимума. Во-вторых, если пассажир скорого поезда заранее знает расписание – момент отправления, моменты прибытия на все станции, то расписание, как таковое, для пассажиров метрополитена отсутствует. Для того или иного времени суток в качестве параметра расписания выступает регулируемая интенсивность прибытия электропоездов. В данном случае проблема своевременной перевозки пассажиров решается за счет такого варианта регулирования количества электропоездов и их скорости на той или иной ветке метрополитена, при котором будет перевезено большее количество пассажиров при известной интенсивности потока пассажиров, которая зависит от времени суток. Чем меньше интенсивность потока пассажиров, тем меньше будет на линиях метрополитена электропоездов, тем больше в ожидании простоит на перроне пассажир, пришедший первым после отправки предыдущего поезда. Задачи такого плана решаются с помощью аппарата теории массового обслуживания (ТМО), или как ее иногда называют – теорией очередей [5].

Задача 10. Задача городского транспорта.

Задачи перевозки пассажиров с помощью наземного городского транспорта (электротранспорт, автобусные маршруты) в какой-то мере похожи на задачи метрополитена, поскольку в таких задачах также отсутствует четкое расписание прибытия транспорта на остановки и скорость обслуживания пассажира определяется интенсивностью прибытия транспорта на городские остановки и интенсивностью перемещения между остановками. При этом последний параметр зависит от времени суток (наличие транспортных пробок) и наличия альтернативных маршрутов движения по городу между остановками. При этом для наземного транспорта, как и для метрополитена, не создается какого-либо четкого расписания, основными регулируемыми параметрами являются – количество транспортных средств, которое и определяет интенсивность обслуживания пассажиров.

Задача 11.Задача грузоперевозок.

Задачи построения расписаний для грузоперевозок относятся уже к другому классу задач (очень часто такие задачи возникают на предприятиях, имеющих транспортные цехи, которые занимаются перевозкой грузов между предприятием и поставщиками, торговыми сетями). Во многих из них требуется перевезти грузы по ряду адресов и минимизировать при этом общее расстояние (пробег). Если существует парк грузовых автомобилей и некоторое множество заказов на перевозку, то необходимо составлять расписание перевозок не с точки зрения расписания во времени, а как порядок прохождения тем или иным транспортом ряда точек, т.е. необходимо составить маршрут. Задачи такого плана относятся к транспортным задачам  и решаются с помощью теории графов и сетей [6], т.е. с помощью систем ERP, APSи MESтакже не решаются.

Задача 12.Задача таксопарка.

Задача для таксопарка, в большинстве случаев, также не может быть решена как задача построения расписания, поскольку заявки на перевозки поступают в течение дня по одной с интенсивностью, зависящей от времени суток. При этом каждая новая заявка на обслуживание передается той машине, для которой интенсивность такой фазы обслуживания, как прибытие к клиенту, лежит в пределах регламентированного таксопарком значения. Если несколько машин имеют равные показатели, то заявка передается той машине, которая освободилась от предыдущей заявки раньше других. Такие задачи не требуют составления расписаний и решаются с помощью моделей, разработанных в рамках аппарата ТМО.

В то же время, если поток заявок на момент обслуживания не является случайным (система с предварительными заказами) и если на момент формирования маршрутов всегда имеем только одного пассажира для каждой машины в любой точке города, то такая задача решается как транспортная задача (см. задачу 11).  Но если хотя бы для одной машины имеем два или более заказов в разных точках, то это уже задача расписания. Которая может быть решена в случаях малого количества заказов на одну машину в среднем как последовательность простых транспортных задач. Если количество заказов на одну машину в среднем по таксопарку не менее 2, то для решения целесообразно использовать эвристические алгоритмы, используемые в одностадийных системах расписания. Последние два варианта задач могут быть решены с помощью систем классов MESили APS.

Анализируя рассмотренные задачи, мы можем сделать некоторые выводы.

Можно и далее перечислять различные производственные ситуации и задачи, но уже исходя из анализа приведенных выше задач становится понятно, что далеко не все они требуют составления расписаний и что для каждой проблемы необходимо определить, прежде всего, не программное решение, а тип задачи, идентифицировать конкретную область из прикладной математики, которая отвечает за решение таких задач, составить математическую модель, а уж потом искать готовое системное решение или начать разрабатывать собственную программу. О том, как это сделать, рассмотрим во второй части статьи.      

2011 © Загидуллин Равиль Рустэм-бекович,

докт. техн. наук, профессор каф. АТП Уфимского Государственного Авиационного Технического Университета

^{Список литературы}

^{1. Вентцель Е.С. Исследование  операций:  задачи, принципы, методология. – 2-е изд., стер. – М.: Наука, 1988. – 208 с.}

^{2. Загидуллин Р.Р. Системы управления интегрированным производством в машиностроении. Уфа: Изд-во УГАТУ, 2010. – 295 с.}

^{3. Мазур И.И., Шапиро В.Д., Олдерогге Н.Г. Управление проектами. М.: Омега-Л. – 2004 – 664 с.}

^{4. Конвей Р.В., Максвелл В.Л., Миллер Л.В. Теория расписаний / Пер. с англ. – М.: Наука, 1975. – 359 с.}

^{5. Гнеденко Б.В., Коваленко И.Н. Введение в теорию массового обслуживания. – М.: Наука. – 1987. – 336 с.}

^{6. Филлипс Д., Гарсиа-Диас А.   Методы анализа сетей: Пер.с англ. – М.: Мир, – 1984. – 496 с.}

© Издание 12NEWS (ИП Маринин А.Л.), 2011