Моделирование и выбор оптимальных технологических цепочек на базе территориально распределенных производственных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Гаршин, Дмитрий Александрович

• Гаршин, Дмитрий Александрович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гаршин, Дмитрий Александрович

Содержание.

Введение.

Глава 1. Анализ моделей и методов формирования технологических цепочек на основе территориально распределенных объектов.

1.1. Проблематика формирования альтернативных технологических цепочек.

1.2. Постановка задачи моделирования и анализа территориально распределенных производственных систем.

1.3. Математические методы моделирования и структурного анализа технологических цепочек.

1.4. Современные технологии проектирования производственных структур.

1.5. Цель работы и задачи исследования.

Глава 2. Моделирование территориально распределенных технологических цепочек.

2.1. Формализованное описание технологической среды формирования производственной системы.

2.2. Математическая модель территориально распределенной технологической цепочки.

2.3. Анализ устойчивости математической модели.

2.4. Моделирование технологических цепочек с учетом возможности ветвления потока сырья.!.

Выводы.

Глава 3. Алгоритмизация процесса формирования оптимальных технологических цепочек.

3.1. Модель выбора оптимальных решений на основе метода случайного поиска.

3.2. Алгоритм поиска оптимальных решений на основе метода динамического программирования.

3.3. Численная реализация модели выбора оптимальных технологических цепочек.

3.4. Линейное представление производственных функций.

3.5. Алгоритм синтеза технологической цепочки с учетом ветвления потока сырья. 102 Выводы.

Глава 4. Программное обеспечение моделей анализа и выбора оптимальных технологических цепочек.

4.1. Структура программного обеспечения.

4.2. Графический интерфейс.

4.3. Результаты практической апробации модели оптимального синтеза технологических цепочек.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование и выбор оптимальных технологических цепочек на базе территориально распределенных производственных систем»

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

В современных условиях реформирования отечественной экономики, характеризующихся отсутствием целостной производственной среды, большое значение приобретает проблема создания новых производственных структур, ориентированных на воспроизводство конечного продукта, свойства которого оперативно регламентируются динамично изменяющейся конъюнктурой потребительского рынка. Такие производственные системы в экономической литературе получили название вертикально организованных. Реализация данной проблемы осуществляется как на уровне органов административного управления региональной экономикой, так и коллективов частных инвесторов.

При создании производственной системы важнейшим вопросом, как правило, является формирование технологической цепочки, выполняемое на множестве территориально распределенных производственных объектов с учетом факторов их взаимной эффективности, существующей транспортной инфраструктуры, а также заданных требований к производственному процессу и конечному продукту.

На первый взгляд данная проблема сводится к задаче о назначениях. Однако классическая задача о назначениях не только не способна отразить структурную составляющую искомой производственной системы, но также ограничивает множество структурных элементов, из которых формируется производственная система.

Проблемы подобного рода в настоящее время рассматриваются экономической логистикой, в рамках которой помимо точных методов разрабатываются принципиально эвристические, базирующиеся на использовании профессиональной интуиции и типовых проектных решений.

Специфика рассматриваемых технологических цепочек заключается в необходимости включения в их состав функционально неоднородных территориально распределенных технологических объектов с заданными функциональными свойствами. Это существенно ограничивает возможность использования в этой области строгих аналитических моделей и методов. Альтернативой здесь выступают специальные математические средства, сочетающие в себе строгий аппарат математического программирования, теории графов и эвристические методы, учитывающие специфику объектной области.

Таким образом, актуальность темы диссертационного исследования продиктована необходимостью разработки специальных математических средств моделирования и анализа технологических цепочек, формируемых на основе территориально распределенных производственных объектов, реализующих аналитические методы, а также эвристические подходы, учитывающие специфику объектной области и обеспечивающие получение оптимальных решений.

Тематика диссертационной работы соответствует одному из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета «Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы».

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Цель работы заключается в разработке математических средств моделирования, анализа и выбора оптимальных технологических цепочек, формируемых на основе территориально распределенных производственных систем, а также разработке программных средств формирования и выбора оптимальных решений.

Исходя из цели работы определены следующие задачи исследования:

• разработка модели формализованного описания технологической цепочки, включающей функционально неоднородные территориально распределенные производственные объекты;

• построение структурной модели многоальтернативной среды формирования технологических цепочек;

• разработка структурно-функциональной модели технологической цепочки с учетом ограничений, накладываемых на материальные ресурсы;

• исследование свойств модели технологической цепочки с точки зрения устойчивости вариантов решения;

• построение модели оптимального выбора технологической цепочки, обеспечивающей максимум критерия эффективности решения;

• разработка средств программного обеспечения модели анализа и выбора оптимальных технологических цепочек.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Методы исследования основаны на использовании аппарата теории графов, динамического и дискретного программирования, линейной алгебры, вычислительной математики и объектно-ориентированного программирования.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

• структурная модель многоальтернативной среды формирования технологических цепочек, обеспечивающая строгое формальное описание их свойств и функциональных характеристик;

• структурно-функциональная модель технологической цепочки, отличающаяся учетом ограничений, накладываемых на материальные ресурсы, выраженных в виде областей пространства состояний сырьевого потока;

• модель оптимального формирования технологической цепочки, отличающаяся реализацией предложенной модификации метода Форда-Беллмана;

• алгоритм оптимального синтеза технологической цепочки в условиях линейного представления производственных функций, отличающийся реализацией процедуры исключения избыточности систем линейных неравенств, используемых для описания линейных многогранных множеств в пространстве состояний сырьевого потока;

• структура программного обеспечения модели анализа и выбора оптимальных технологических цепочек, отличающаяся реализацией специальных средств интеграции с промышленными пакетами прикладных программ.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ В работе предложен комплекс моделей, алгоритмов и программных средств, позволяющий проводить моделирование, анализ, и оптимизацию технологической цепочки, включающей функционально неоднородные территориально распределенные производственные объекты.

Применение данного комплекса в условиях реструктуризации ► производственной системы позволяет осуществить выбор оптимальной технологической цепочки при заданных ограничениях на ее параметры. РЕАЛИЗАЦИЯ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ Основные результаты работы были реализованы в виде прикладного программного продукта «Модуль проектирования производственных цепочек с рекуррентным линейным функционалом качества». Разработанное программное средство внедрено на предприятии ООО «Илимский лесной центр» и используется при формировании технологических карт переработки различных типов поступающего сырья на основе данных о состоянии склада и текущих заказах на продукцию.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы на предприятии ООО «Илимский лесной центр» обусловлен повышением оперативности управления технологическим процессом распила хлыстов и транспортировки сырья по территории предприятия.

Результаты работы также внедрены в учебный процесс Воронежского государственного технического университета на кафедре Автоматики и информатики в технических системах.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Основные результаты работы были доложены на VII международной конференции «Информатика: проблемы, методология, технологии» (Воронеж, 2007), международной конференции «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-19 (Воронеж, 2006), всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» НТ-2006 (Воронеж, 2006), всероссийской конференции «Современные проблемы прикладной математики и математического моделирования»

Воронеж, 2005), всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» НТ-2005 (Воронеж, 2005), а также на научных семинарах кафедры АИТС ВГТУ (2005-2007г.г.).

ПУБЛИКАЦИИ

По материалам диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 1 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы из 101 наименования, 2 приложений. Основная часть работы изложена на 127 страницах, содержит 17 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Гаршин, Дмитрий Александрович

Заключение

Проведенные в рамках диссертации теоретические исследования позволили получить следующие результаты, имеющие практическое и научное значение:

1. Предложена структурная модель многоальтернативной среды формирования технологических цепочек, обеспечивающая строгое формальное описание их свойств и функциональных характеристик.

2. Предложена структурно-функциональная модель технологической цепочки, отличающаяся учетом ограничений, накладываемых на материальные ресурсы и выраженных в виде областей пространства состояний сырьевого потока.

3. Разработана модель оптимального формирования технологической цепочки, реализующая предложенную модификацию метода Форда-Беллмана.

4. Разработан алгоритм оптимального синтеза технологической цепочки в условиях линейного представления производственных функций, отличающийся реализацией процедуры исключения избыточности систем линейных неравенств, используемых для описания линейных многогранных множеств в пространстве состояний сырьевого потока.

5. Разработана структура программного обеспечения модели анализа и выбора оптимальных технологических цепочек, отличающаяся реализацией специальных средств интеграции с промышленными пакетами прикладных программ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гаршин, Дмитрий Александрович, 2007 год

1. The Extensible Stylesheet Language Family (XSL) // http://www.w3.org/Style/XSL/

2. Апатенок Р.Ф. Элементы линейной алгебры. -Минск: Высшая школа, 1997. -256 с.

3. Асанов М.О., Баранский В.А., Расин В.В. Дискретная математика: графы, матроиды, алгоритмы. —Ижевск: ННЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001, -288 с.

4. Ахо А., Хопкрофт Дж., Ульман Дж. Построение и анализ вычислительных алгоритмов -М.: Мир, 1979. -536 с.

5. Ахо А., Хопкрофт Дж., Ульман Дж. Структуры данных и алгоритмы. -М.: Издательский дом "Вильяме", 2000. -384 с.

6. Ашманов С.А. Линейное программирование. -М.: Наука, 1981. -340 с.

7. Банди Б. Основы линейного программирования: Пер. с англ. -М.: Радио и связь, 1989. -176 с.

8. Басакер Р., Саати Т. Конечные графы и сети. -М.: Наука, 1973. -368 с.

9. Беллман Р. Динамическое программирование. -М.: Изд-во иностр. лит., 1960. -400 с.

10. Беллман Р., Дрейфус С. Прикладные задачи динамического программирования. -М.: Наука, 1965, -460 с.

11. Берж К. Теория графов и ее применения. -М.: Иностранная литература, 1962. -319 с.

12. Бурков В.Н., Багатурова О.С., Иванова С.И., Овчинников С.А., Ануфриев И.К., Маркотенко В.Л. Оптимизация обменных производственных схем в условиях нестабильной экономики. -М.: ИПУ РАН, 1996. -45 с.

13. Бурков В.Н., Зинченко В.И., Сочнев С.В., Хулап Г.С. Механизмы обмена в экономике переходного периода. -М.: ИПУ РАН, 1999. -70 с.

14. Бурковский B.JL, Гаршин Д.А. Графическое решение параметрической транспортной задачи при проектировании технологических цепочек. // Вестник Воронежского государственного технического университета. -Воронеж: ВГТУ, 2006. т.2, №5. -с. 42-46.

15. Бурковский B.J1., ГаршинД.А. Оптимизация территориально-распределеииой технологической цепочки переработки сырья. // Промышленная информатика: межвуз. сб. науч. тр. -Воронеж: ВГТУ, 2005. -с. 43-48.

16. Бурковский В.Л., Гаршин Д.А. Поиск оптимальной технологической цепочки переработки сырья с учетом производственных рисков. // Информатика: проблемы, методология, технологии : материалы пятой междунар. науч.-метод. конф. -Воронеж: ВГУ, 2005. -с. 52-55.

17. Бурковский В.Л., Гаршин Д.А., Долгачев П.А. Система оптимизации производственных цепочек. // Государственный фонд алгоритмов и программ Российской Федерации, рег-номер: 50200501737 от 15 декабря 2005.

18. Буч Г. Объектно-ориентированное проектирование с примерами применения: Пер. с англ. -М.: Конкорд, 1992. -519 с.

19. Вентцель Е.С. Элементы динамического программирования. М.: Наука, 1964.-175 с.

20. Вирт Н. Алгоритмы и структуры данных: Пер. с англ. -М.: Мир, 1989. -360 е., ил.

21. Гаджинский A.M. Логистика: Учебник для высших и средних специальных учебных заведений. —2-е изд. —М.: Информационно-внедренческий центр "Маркетинг", 1999. —228 с.

22. Галеев Э.М., Тихомиров В.М. Оптимизация: теория, примеры, задачи. -М: Эдиториал УРСС, 2000. -320 с.

23. Гамма Э., Хелм Р., Джонсон Р., Влиссидес Дж. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования. -СПб.: Питер, 2001.-368 с.

24. Гаршин Д.А., Бурковский B.JI. Модуль проектирования производственных цепочек с рекуррентным линейным функционалом качества. // Государственный фонд алгоритмов и программ Российской Федерации, рег-номер: 50200700883 от 26 апреля 2007.

25. Гаршин Д.А., Бурковский B.JI. Разработка информационно-управляющей системы промышленного предприятия лесной отрасли. // Информатика: проблемы, методология, технологии : матер, седьмой междунар. науч.-метод. конф. -Воронеж: ВГУ, 2007. -с. 80-84.

26. Генетические алгоритмы // http://neuronet.alo.ru/ga.html

27. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация: Пер. с англ. -М.: Мир, 1985.—509 с, ил.

28. Горбатов В.А. Фундаментальные основы дискретной математики. Информационная математика. -М.: Наука. Физматлит, 2000. -544 с.

29. Емельянов В.В., Курейчик В.В., Курейчик В.М. Теория и практика эволюционного моделирования. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. -432 с.

30. Ефимов Н.В., Розендорн Э.Р. Линейная алгебра и многомерная геометрия. -М.: Наука, 1969. -528 с.

31. Ефимов Н.В. Краткий курс аналитической геометрии. -М.: Физматлит, 2005. -240с.

32. Зубов B.C. Справочник программиста. Базовые методы решения графовых задач и сортировки. —М.: Информационно-Издательский Дом «Филинъ», 1999. —256 с.

33. Зыков А.А. Основы теории графов: М.: Наука. 1987. -384 с.

34. Исаев С. Генетические алгоритмы эволюционные методы поиска // http://www.gotai.net/documents/doc-ga-001 .aspx

35. Калиткин Н.Н. Численные методы. -М.: Наука, 1978. -512 с.

36. Канторович J1.B., Горстко А.Б. Математическое оптимальное программирование в экономике -М.: Знание, 1968, -96 с.

37. Канторович JI.B., Горстко А.Б. Оптимальные решения в экономике. -М.: Наука, 1972, -231 с.

38. Клемент Росс. Генетические алгоритмы: почему они работают? когда их применять? // http://www.computerra.ru/offline/1999/289/2523/

39. Кнут Дональд Э. Искусство программирования. Т. 1, 2, 3. 3-е изд. -М.: Вильяме, 2002-2004.

40. Ковалев М.М. Дискретная оптимизация (целочисленное программирование). Изд. 2-е, стереотипное. —М.: Едиториал УРСС, 2003.—192 с.

41. Конюховский П.В. Математические методы исследования операций в экономике. —СПб: Питер, 2000. —208 с: ил.

42. Корбут А.А., Финкельштейн Ю.Ю. Дискретное программирование (Серия: «Экономико-математическая библиотека»). -М.: Наука, 1969, -368 с.

43. Кормен Т., Лейзерсон Ч., Ривест Р. Алгоритмы: построение и анализ. -М.: МЦНМО, 2000. -960 с.

44. Кормен Т., Лейзерсон Ч., Ривест Р., Штайн К. Алгоритмы: построение и анализ / Пер. с англ. под ред. А. Шеня.-М.: МЦНМО: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. -2-е изд., стереотип. -960 е.: 263 ил.

45. Котов В.Е. Сети Петри. -М: Наука, 1984. -160 с,

46. Кофман А., Анри-Лабордер А. Методы и модели исследования операций. Целочисленное программирование: Пер. с фр. -М.: Мир, 1977.-432с.

47. Коффман Э.Г. Теория расписаний и вычислительные машины, -М.: Наука, 1984, -336 с.

48. Кристофидес Н. Теория графов. Алгоритмический подход. —М.: Мир, 1978. -432 с.

49. Кудрявцев Л.Д. Курс математического анализа: В 3 т. -М.: Высшая школа, 1988-1989.

50. Лескин А.А., Мальцев П.А., Спиридонов A.M. Сети Петри в моделировании и управлении. -Л.: Наука. 1989. -133 с.

51. Липский В. Комбинаторика для программистов, -М.: Мир, 1989.

52. Майника Э. Алгоритмы оптимизации на сетях и графах: Пер. с англ. -М.: Мир, 1981.-323 с.

53. Макаров И.П. Дополнительные главы математического анализа. -М., 1968. -312с.

54. Макконнел Дж. Основы современных алгоритмов. -2-е изд. -М.: Техносфера, 2004. -368 с.

55. Мальцев А.И. Алгоритмы и рекурсивные функции. -М.: Наука, 1986. -392 с.

56. Мину М. Математическое программирование. Теория и алгоритмы. -М.: Наука, 1990. -488 с.

57. Моудер Дж., Элмаграби С. Исследование операций: В 2-х томах. Пер. с англ. -М.: Мир, 1981.

58. Никайдо X. Выпуклые структуры и математическая экономика -М.: Мир, 1972. -520 с.

59. Новиков Ф.А. Дискретная математика для программистов. —СПб.: Питер, 2000. —304 с.

60. О'Лири Д. ERP-системы. Современное планирование и управление ресурсами предприятия. Выбор, внедрение, эксплуатация: Пер. с англ. -М.: ООО «Вершина», 2004. -272 с.

61. Оре О. Графы и их применение: Пер. с англ., -М.: Мир, 1965. -174 с.

62. Оре О. Теория графов. М.: Наука, 1980. -336 с.

63. Пападимитриу X., Стайглиц К. Комбинаторная оптимизация. Алгоритмы и сложност: Пер. с англ. М.: Мир, 1985. -512 с.

64. Первозванский А.А. Поиск. -М.: Наука, 1970. -264 с.

65. Петцольд Ч. Программирование для Microsoft Windows на С# (в двух томах) / Пер. с англ. -М.: Издательско-торговый дом «Русская редакция», 2002.

66. Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем: Пер. с англ. —М.: Мир, 1984. —264 с, ил.

67. Прикладные нечеткие системы: пер. с япон. / К.Асаи, Д.Ватада, С.Иваи и др.; под. ред. Т.Тэрано, К.Асаи, М.Сугэно. М.: Мир, 1993.-368с.

68. Просиз Дж. Программирование для Microsoft.NET / Пер. с англ. -М.: Издательско-торговый дом «Русская редакция», 2003. -704 с.: ил.

69. Репин В.В., Елиферов В.Г. Процессный подход к управлению. Моделирование бизнес-процессов. -М.: РИА «Стандарты и качество», 2004. -408с, ил.

70. Рихтер Дж. Программирование на платформе Microsoft .NET Framework. / Пер. с англ. 2-е изд., испр. -М.: Издательско-торговый дом «Русская Редакция», 2003. -512 е.: ил.

71. Рыжиков Ю.И. Теория очередей и управление запасами. -СПб.: Питер, 2001.-384 с.

72. Саати Т.Л. Целочисленные методы оптимизации и связанные с ними экстремальные проблемы. Пер. с англ. Под ред. И.А. Ушакова -М.: Мир, 1973.-300 с.

73. Самарский А.А. Введение в численные методы, -М.: Наука, 1987. -272 с.

74. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. -М.: Наука, 1989. -432 с.

75. Свами М., Тхуласираман К. Графы, сети, алгоритмы: Пер. с англ. -М.: Мир, 1984. -455 с.

76. Сергиенко И.В., Каспшицкая М.Ф. Модели и методы решения на ЭВМ комбинаторных задач оптимизации. -Киев: Наук, думка, 1981. -288 с.

77. Стренг Г. Линейная алгебра и ее применения. -М.: Мир, 1980, 454с.

78. Татт. Теория графов: Пер. с англ. —М.: Мир, 1988. —424 с.

79. Ткачев И. Автоматическое управление памятью в .NET // http://www.rsdn.ru/article/dotnet/GCnet.xrnl

80. Уилсон Р. Введение в теорию графов: Пер. с англ. -М.: Мир, 1977. -207 с.

81. Уоррен Генри С. Алгоритмические трюки для программистов.: Пер. с англ. —М.: Издательский дом "Вильяме", 2003. —288с.: ил.

82. Фаддеев Д.К., Фаддеева В.Н. Вычислительные методы линейной алгебры. -Изд. 2-е. -М.: Наука, 1963, -656 с.

83. Форсайт Дж., МоулерК. Численное решение систем линейных алгебраических уравнений. -М.: Мир, 1969. -168 с.

84. Хаггарти Р. Дискретная математика для программистов. -М.: Техносфера, 2003. -320 с.

85. Харари Ф. Теория графов. —М.: Мир, 1973. —300 с.

86. Харари Ф., Палмер Э. Перечисление графов. -М.: Мир, 1977. -325 с.

87. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. Пер. с англ. -М: Мир, 1975 г. -534 с.

88. Ху Т. Целочисленное программирование и потоки в сетях. -М.: Мир, 1972. -410 с.

89. Черников С.Н. Линейные неравенства. -М., Наука, 1968. -488 с.

90. Чистяков Владислав. Кто сегодня самый шустрый? // http://www.rsdn.ru/article/devtools/perftest.xml

91. ЧураковМ., Якушев А. Муравьиные алгоритмы. // http://rain.ifmo.ru/cat/view.php/theory/unsorted/ant-a1go-2006/article.pdf

92. Шень А. Программирование: теоремы и задачи. 2-е изд., -М.: МЦНМО, 2004. -296 с.

93. Школы Консорциума W3C // http://xml.nsu.ru/

94. Язык XML Path (XPath) версия 1.0 // http://www.rol.ru/news/it/helpdesk/xpath01.htm

95. Язык преобразований XSL (XSLT) Версия 1.0 // http://www.rol.ru/news/it/helpdesk/xsltO 1 .htm