Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Управление в социальных и экономических системах

Диссертационная работа:

Дудников, Виктор Анатольевич. Разработка автоматизированной системы оперативного управления дискретным производством на основе генетических алгоритмов : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.10. - Старый Оскол, 2006. - 196 с. : ил.

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Перечень сокращений 6

Введение 7

1 Анализ современного состояния проблемы оперативного управления
дискретным производством 13

1.1 Постановка задачи оперативного управления единичным и
мелкосерийным производством на примере сталелитейного
производства 13

  1. Характеристика задачи оперативного управления производством .... 13

  2. Задача оперативно-календарного планирования работы литейных цехов металлургических предприятий дискретного производства 20

1.2 Анализ современных методов календарного планирования производства

в приложении к планированию сталелитейного производства.... 24

  1. Основные направления современной теории расписаний 24

  2. Анализ возможности применения существующих методов календарного планирования к задаче планирования работы литейного цеха : 33

1.3 Использование генетических алгоритмов для решения
многокритериальных оптимизационных задач 36

  1. Структура простого генетического алгоритма 36

  2. Параллельные генетические алгоритмы 38

  3. Анализ существующих методик календарного планирования производства, основанных на генетических алгоритмах 41

1.3.4 Выбор способа оценки качества решений 43

Выводы по главе 1 48

2 Разработка методики календарного планирования работы сталелитейного

производства в условиях позаказного планирования 50

2.1 Разработка структуры системы внутрицехового планирования

сталелитейного производства 50

  1. Применение генетических алгоритмов и теории полезности к задаче оперативно-календарного планирования работы литейного цеха 59

  2. Методика определения номенклатурного состава плавок с помощью генетических алгоритмов 65

  1. Структура блока определения номенклатурного состава плавок 65

  2. Расчет номенклатурного состава плавок 66

  3. Оценка вариантов номенклатурного состава плавок 67

2.4 Методика составления расписания работы оборудования
сталелитейного цеха с помощью генетических алгоритмов 73

  1. Структура блока расчета расписания плавок 73

  2. Процедура формирования расписания плавок 75

  3. Расчет сменно-суточных заданий и оценка расписаний работы оборудования 77

Выводы по главе 2 82

3 Исследование условий применения и эффективности разработанной методики
календарного планирования работы подразделений литейного цеха 84

3.1 Исследование эффективности методики определения номенклатурного
состава плавок на основе генетических алгоритмов 84

  1. Определение параметров генетического алгоритма 84

  2. Методика определения номенклатурного состава плавок на основе динамического программирования 89

  3. Сравнение результатов расчета состава плавок на основе динамического программирования и генетического алгоритма 95

3.2 Сравнительный анализ эффективности применения методики
составления расписания плавок с использованием генетических
алгоритмов и методов целочисленного программирования 96

  1. Определение оптимальных параметров ГА для составления расписания плавок 96

  2. Применение методов целочисленного программирования для оптимизации расписания плавок 98

3.2.3 Сравнение результатов применения для составления расписания

работы оборудования целочисленного линейного программирования и

генетических алгоритмов 103

3.3 Сравнительный анализ эффективности применения простого и

параллельного генетических алгоритмов для календарного планирования
работы литейного цеха 105

3.3.1 Выбор структуры и определение оптимальных параметров
параллельного ГА 105

3.3.2 Сравнение результатов простого и параллельного ГА 108

Выводы по главе 3 109

4 Разработка автоматизированной системы поддержки принятия решений по
оперативному управлению сталелитейных производств и оценка практических
результатов ее внедрения 112

4.1 Разработка информационного обеспечения системы оперативного

$ управления литейным цехом 112

  1. Описание входной и выходной информации 112

  2. Функции и алгоритм работы разрабатываемой системы оперативного планирования 117

  3. Разработка структуры базы данных 119

  1. Программная реализация разработанной методики и системы в виде системы оперативного управления сталелитейным производством «SWS» 122

  2. Модернизация системы оперативно-календарного планирования литейного цеха 128

  1. Описание структуры фасонно-сталелитейного цеха и технологического процесса изготовления отливок 128

  2. Структура системы оперативного управления сталелитейным производством 131

4.3.3 Организация внедрения системы автоматизированного

оперативного управления сталелитейным производством «SWS» на

ОАО«ОЗММ» 134

4.4 Анализ практических результатов внедрения системы оперативного

управления производством «SWS» 136

  1. Сравнение результатов системы «SWS» с существовавшей ранее системой календарного планирования 136

  2. Расчет экономической эффективности проекта по внедрению системы оперативного управления сталелитейным производством «SWS» с учетом фактора времени 139

Выводы по главе 4 150

Заключение 153

Список литературы 156

Приложения і 171

Приложение А. Формы выходных документов 171

Приложение Б. Описание структуры таблиц базы данных «SWS db» 173

Приложение В. Состав технических средств, необходимых для реализации

COyn«SWS» 176

Приложение Г. Экранные формы программы «SWS» 177

Приложение Д. Алгоритмы работы модулей системы оперативного

управления сталелитейным производством «SWS» 179

Приложение Е. Программная реализация оптимизации состава плавок с помощью динамического программирования (фрагмент кода программы) ..182 Приложение Ж. Программная реализация формирования расписания

плавок на основе генетических алгоритмов (фрагмент кода программы) 184

Приложение 3. Сравнение производственных расписаний, полученных с

использованием и без использования СОУП «SWS» 187

Приложение И. Акт о внедрении автоматизированной системы «SWS» на
ОАО«ОЗММ» 196

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

АРМ — автоматизированное рабочее место

АСУ - автоматизированная система управления

АСУП - автоматизированная система управления производством

БД - база данных

БЗ - база знаний

ГА - генетический алгоритм

ДП - динамическое программирование

ЗЦП - задача целочисленного программирования

ЛПР - лицо, принимающее решение

ЛЦ - литейный цех

ОЗММ - Оскольский завод металлургического машиностроения

ОКП - оперативно-календарное планирование

ПГА - параллельный генетический алгоритм

ПДО - планово-диспетчерский отдел

ПО - производственный отдел

ПРБ - планово-распределительное бюро

СОУП - система оперативного управления производством

СУБД - система управления базами данных

ТР - теория расписаний

ФП - функция полезности

ФСЛЦ - фасонно-сталелитейный цех

ЦЛП - целочисленное линейное программирование

ЦФ - целевая функция

ERP - enterprise resource planning,

MRP - manufacturing resource planning

SWS - steelmaking workshop scheduler

Введение к работе:

Актуальность проблемы. Современное промышленное предприятие представляет собой сложную многоуровневую систему. Модуль планирования производства в системах планирования и управления предприятием строится на основе математических моделей процессов на предприятии, от точности которых зависит оптимальность разрабатываемых объемно-календарных планов. Особую значимость имеет задача внутрицехового оперативно-календарного планирования и диспетчирования, которая в значительной мере влияет на результаты работы предприятия в целом. Весьма актуальна эта задача на предприятиях мелкосерийного и единичного типов производства.

Для предприятий дискретного типа производства характерно позаказное планирование в условиях большого разнообразия номенклатуры выпускаемой продукции и технологических операций. Все это значительно усложняет задачу оперативного календарного планирования на таких предприятиях.

На металлургических предприятиях, которые в основном являются предприятиями дискретного типа производства, одним из ресурсоемких процессов является изготовление отливок. Планирование сталелитейного производства имеет специфику, связанную с тем, что на разных этапах технологического процесса используются разные планово-учетные единицы, а последовательность выполнения технологических операций повторяется для всех изделий.

Высокая размерность данной задачи и стохастичность характеристик затрудняет использование детерминированных методов для ее решения, а методы, основанные на эвристиках, не всегда позволяют получить достаточно хорошие решения. Большинство разработанных к настоящему времени методик оперативно-календарного планирования основано на упрощенных моделях задачи, что снижает их практическую значимость, либо эти методики применимы лишь для определенных специфичных условий. Значительную сложность, кроме того, представляет проблема оценки качества получаемых расписаний.

Таким образом, существует необходимость в разработке методики опера-

тивного календарного планирования работы предприятий дискретного производства, которая позволила бы проводить оптимизацию расписания оборудования по нескольким критериям качества с учетом существующих ограничений, формировать сменно-суточные задания подразделениям цеха и при этом обеспечивала бы получение оптимальных или близких к оптимальным решений.

Анализ существующих методов календарного планирования показывает, что система, отвечающая указанным требованиям, может быть построена на основе генетических алгоритмов, которые в настоящее время используются для решения широкого круга многокритериальных и многомерных оптимизационных задач. При этом не требуется построение точных математических моделей, также не предъявляется специальных требований к виду целевой функции.

Цели и задачи исследования. Целью диссертации является повышение эффективности внутрицехового планирования литейных цехов металлургических предприятий единичного и мелкосерийного типов производства на основе генетических алгоритмов.

Достижение цели диссертационной работы потребовало решения следующих задач:

разработка структуры системы оперативно-календарного планирования литейного цеха, в которой производится оптимизация загрузки сталеплавильного оборудования с учетом существующих ограничений;-

разработка методики решения многокритериальной задачи о распределении литейных форм по плавкам (определении состава плавок), основанной на генетических алгоритмах и теории полезности;

построение детерминированной модели решения задачи об определении состава плавок и получение сравнительной оценки эффективности данного метода с разработанной методикой, основанной на генетических алгоритмах;

разработка методики оптимизации расписания работы оборудования, основанной на ГА и теории полезности;

получение сравнительной оценки эффективности решения задачи составления расписания работы оборудования литейного цеха разработанной методи-

ки, использующей генетические алгоритмы и детерминированных методов;

сравнение эффективности простых и параллельных генетических алгоритмов для задачи календарного планирования производства;

реализация разработанной методики в виде программной системы календарного планирования литейного цеха;

доказательство эффективности разработанной методики в ходе экспериментальной проверки планирования на базе ОАО «Оскольский Завод Металлургического Машиностроения» и анализ результатов внедрения данной системы.

Объект исследования. Объектом исследования, проводимого в настоящей диссертационной работе, является организация оперативно-календарного планирования и управления на металлургических предприятиях.

Предмет исследования. Предметом настоящего исследования является система внутрицехового оперативного управления в сталелитейных цехах металлургических предприятий единичного и мелкосерийного типов производства.

Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа, теории принятия решений, математической статистики, динамического и целочисленного программирования, математический аппарат генетических алгоритмов.

Методологическую и теоретическую основу диссертационной работы составили научные труды отечественных и зарубежных авторов в области теории расписаний, организации и оперативного управления производством, математического программирования и эволюционных вычислений.

Научная новизна исследования. На основании выполненных автором исследований и при его личном участии впервые разработаны математические модели, методики и алгоритмы, позволяющие повысить эффективность оперативного управления на металлургических предприятиях дискретного производства.

В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся на-

учной новизной:

предложен способ оперативно-календарного планирования работы сталелитейного производства, основанный на разделении приоритетов технологических операций с учетом производительности оборудования, ограничений на потребляемую электроэнергию, плановых ремонтов и состояния металлургической оснастки;

разработана методика, основанная на генетических алгоритмах, включающая решение задач определения номенклатурного состава плавок и составления расписания работы технологического оборудования литейного цеха;

с целью оценки эффективности разработанной методики, была предложена методика альтернативного решения задач определения номенклатуры плавок и составления расписания работы технологического оборудования, основанная на классических детерминированных методах: динамическое программирование и целочисленное линейное программирование;

получены результаты сравнительного анализа разработанной методики и классических методов, доказывающие преимущество генетических алгоритмов для решения задачи календарного планирования в условиях дискретного производства;

предложен способ совершенствования разработанной методики на основе применения параллельной структуры генетических алгоритмов и получены экспериментальные результаты, подтверждающие его эффективность.

Достоверность научных результатов. Научные положения, теоретические выводы и практические рекомендации, включенные в диссертацию, подтверждены расчетами, моделированием на ЭВМ, производственными экспериментами и экспертными оценками специалистов, а также результатами, полученными при создании и внедрении на производстве автоматизированной системы оперативного календарного управления сталелитейным производством.

Практическая значимость исследования. Использование полученных в диссертации моделей и методов позволяет производить автоматизированную разработку оперативных календарных планов подразделений литейных цехов,

что обеспечивает существенное повышение коэффициента использования оборудования и сокращение времени на разработку сменно-суточных заданий. Разработанная методика решения многомерных и многокритериальных задач о загрузке оборудования может быть использована на предприятиях единичного и мелкосерийного производства.

Разработанные модели и методы реализованы, внедрены и используются в планово-распределительном бюро литейного цеха и производственном отделе ОАО «ОЗММ» для составления планов работы подразделений литейного цеха. Основные теоретические положения, методы, алгоритмы и механизмы планирования, а также программные продукты включены в состав учебных курсов и дисциплин: «Проектирование систем управления» и «Системы искусственного интеллекта» для специальностей «Информационные системы», «Прикладное программирование».

Положения, выносимые на защиту:

методика решения задач определения номенклатурного состава плавок и расписания работы оборудования сталелитейного цеха на основе генетических алгоритмов;

методика оценки вариантов номенклатурного состава плавок и расписания плавок, основанная на теории полезности;

алгоритм и концепция построения автоматизированной системы оперативного управления сталелитейным производством.

Апробация работы. Материалы исследования докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Современные сложные системы управления» (г. Воронеж, 2005г.), международных научных конференциях «Образование, наука, производство и управление в XXI веке» (г. Старый Оскол, 2004г.), «The 2005 International Conference on Scientific Computing» (г. Лас-Вегас, 2005г.), региональных, научно-практических конференциях «Системы автоматизированного управления производствами, предприятиями и организациями горно-металлургического комплекса» (г. Старый Оскол, 2003г.), «Молодые ученые - производству» (г. Старый Оскол, 2005г.), «Научно-

техническая конференция ОАО «ОЭМК»» (г. Старый Оскол, 2005г.), «Образование, наука, производство и управление в XXI веке» (г. Старый Оскол, 2005г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ. Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, состоит в следующем: в работах [35], [39] автором выполнен обзор современных методов календарного планирования и сформулирована задача планирования сталеплавильного участка литейного цеха; в работах [29], [37], [116] предложены методики решения задачи оптимизации номенклатурного состава плавок с помощью генетических алгоритмов и динамического программирования и представлены результаты экспериментального сравнения этих методик; в работах [32], [30] предложена методика составления расписания работы оборудования; в работе [33] предложена методика оценки качества расписаний на основе теории полезности; в работе [36] выполнено сравнение результатов простых и параллельных генетических алгоритмов; в работе [31] приведены результаты расчета экономической эффективности от внедрения разработанной системы оперативного управления производством на ОАО «ОЗММ», в работе [28] разработана структура базы данных.

Диссертация выполнялась в соответствии с комплексной темой научно-исследовательской работы СТИ МИСиС «Разработка математических методов управления процессами основного и вспомогательного производства в металлургии» и подтверждена грантом Министерства образования РФ №012.0010881.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 149 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 37 таблиц, список литературы из 154 наименований и 9 приложений.

Подобные работы
Пачевский Денис Евгеньевич
Разработка методов и алгоритмов оптимального управления учебным процессом на основе контроля и диагностики знаний с применением новых информационных технологий
Джеоффрей Отиено Овино
Разработка моделей, алгоритмов управления в экономических системах сахарных заводов Кении
Тютина Марина Васильевна
Разработка методов и алгоритмов настройки гибридной экспертной системы на решение задач оценки в социальных и экономических объектах
Нефедова Ольга Геннадьевна
Разработка алгоритмов и информационно-методического обеспечения системы лицензирования и государственной аккредитации учреждений профессионального образования в субъектах РФ
Бурьян Дмитрий Сергеевич
Разработка методов и алгоритмов управления в клиринговых системах
Бородкин Николай Митрофанович
Разработка моделей и алгоритмов управления производственно-экономической системой стабилизации финансового состояния промышленного предприятия в условиях реструктуризации
Яковлев Андрей Васильевич
Разработка моделей статики, динамики и алгоритмов управления в экономических системах предприятий мебельного производства
Чекменев Анатолий Николаевич
Оптимальное управление дискретным производством сложных изделий на основе информационного мониторинга экономических показателей финансовой состоятельности машиностроительного предприятия
Зимина Галина Анатольевна
Управление инвестициями в условиях обновления производства на основе методов имитационного моделирования и нейросетевых технологий
Зеленин Александр Юрьевич
Управление инвестиционным процессом развития региональной системы телерадиовещания на основе моделей и алгоритмов принятия решений

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net