Kitobni o'qish: «Имитационное моделирование процессов планирования на промышленном предприятии»

Введение

Современная экономическая ситуация в большинстве стран характеризуется высоким уровнем динамики, плохой предсказуемостью, нестабильностью и неопределенностью развития внешних условий. Постоянно усиливающаяся конкуренция требует от предприятий быстрого реагирования на изменения, происходящие как во внешней среде, так и внутри самих предприятий [1, 18]. Своевременное принятие правильных решений при изменении экономической ситуации выступает одним из главных условий эффективного управления промышленным предприятием [4].

К управлению предъявляются все более высокие требования, что связано с усложнением и совершенствованием технологических процессов, вследствие чего подготовка и принятие самих управленческих решений становится все более трудной задачей. Наблюдается возрастание числа рассматриваемых альтернатив, эффективный анализ которых невозможен без компьютерной поддержки принятия решений [5].

Все это приводит к необходимости расширения области использования моделей, относящихся к классу имитационных. Метод имитационного моделирования – один из самых точных и достоверных при анализе процессов планирования на промышленном предприятии, так как при создании модели он позволяет в максимальной степени учесть условия функционирования реального производства, т.е. обеспечить требуемый уровень адекватности модели, отображающей конкретный объект исследования. При применении данного метода появляются новые возможности для совершенствования процессов принятия решений, улучшения экономических показателей предприятия и уменьшения рисков управленческих решений.

В настоящее время зарубежными и отечественными исследователями достаточно полно сформулированы теоретико-методологические основы имитационного моделирования. Метод имитационного моделирования развивался в работах отечественных авторов, среди которых следует отметить К.А. Багриновского, В.Н. Бусленко, Е.М. Кудрявцева, М.В. Грачеву, А.А. Емельянова, В.П. Кирлицу, Н.Б. Кобелева, Н.Н. Лычкину, В.И. Малюгина, Ю.Н. Павловского, С.Б. Перминова, И.М. Соболя, Ю.С. Харина, А.В. Борщева, С.А. Власова, О.А. Савина, В.В. Девяткова, Ю.Г. Карпова, Ю.И. Рыжикова, Б.Я. Советова, С.А. Родионова, И.В. Горошко, С.А. Аристова, Е.Б. Цоя, В.М. Ефимова, В.Ф. Комарова, Н.В. Чепурных, А.Л. Новоселова, В.И. Дудорина, В.Г. Соколова, В.А. Смирнова, Р.В. Игудина, Д.М. Хомякова, П.М. Хомякова, С.А. Яковлева, В.Л. Конюха, В.Н. Томашевского, Б. Гнеденко, Ю.А. Ивашкина, В.С. Иозайтиса, М.В. Савранскую, Д.А. Горшкова, Д.В. Ермошина, Н.А. Саломатина, Д.М. Пугачева, Г.В. Беляева, В.Ф. Петроченко, С.В. Терентьеву, Е.В. Прошлякова, И.Г. Поспелова, А.М. Шейна, Ю.И. Толуева и мн. др.

Среди иностранных специалистов данную проблематику исследовали П. Джекел, С. Бир, Дж. Касселл, Дж. Клейнен, Дж. Стерман, Дж. Нейман, С. Улам, Н. Метрополис, Т.Н. Нейлор, К.П. Роберт, Дж.Д. Морекрофт, Дж.С. Фишман, Дж.М. Хеммерсли, Д.С. Хэндскомб, Р. Шеннон, Дж.В. Форрестер, В. Кельтон, Р.А. Лоу, Дж. Бэнкс, Т.Дж. Шрайбер и др.

Вместе с тем, несмотря на серьезную проработку проблем применения метода имитационного моделирования в экономике, многие вопросы, касающиеся методики разработки имитационных моделей для поддержки процессов планирования на промышленном предприятии, требуют разрешения и, как следствие, проведения дополнительного анализа.

Глава 1
Анализ инструментов и методов планирования на промышленном предприятии

В главе обозначен круг проблем, который связан с процессами планирования на промышленном предприятии. Приведен обзор различных методов и инструментов для анализа процессов планирования на промышленном предприятии с целью выявления их достоинств и недостатков и выявлена необходимость применения метода имитационного моделирования для решения задач планирования на промышленном предприятии.

Анализируется текущее развитие метода имитационного моделирования в России и за рубежом и выявляются основные направления будущего развития метода в целом. Уточняется определение понятия имитационного моделирования промышленного предприятия, исследуются основные парадигмы (дискретно-событийное моделирование, системная динамика, агентное моделирование, динамические системы и метод Монте-Карло) и пакеты имитационного моделирования, применяемые для разработки имитационных моделей, проведения экспериментов с моделями, обработки и визуализации результатов экспериментов. Выделяются основные сферы деятельности промышленного предприятия, для которых может быть применен метод имитационного моделирования. Дается вариант классификации имитационных моделей для промышленного предприятия.

1.1. Промышленное предприятие как организационно-производственная система

В работе примем следующее определение предприятия: «предприятие – самостоятельный, организационно-обособленный хозяйствующий субъект с правами юридического лица, который производит и сбывает товары, выполняет работы, оказывает услуги» [54, 149, 150].

Предприятие выполняет определенные экономические и социальные функции. Функции предприятия конкретизируются и уточняются в зависимости от размера предприятия, формы собственности, отраслевой принадлежности, наличия коммерческой и социальной инфраструктуры. Интересами любого предприятия являются те функции и операции, которые необходимы для производства продукции. В частности, предприятие включает такие функции и операции, как приобретение производства, маркетинг, финансы, инженерия и научные исследования. К основным функциям предприятия можно отнести следующие:

1) материально-техническое обеспечение производственного процесса на предприятии;

2) управление и организация труда персонала на предприятии;

3) изготовление продукции;

4) продажа и поставка продукции потребителю;

5) повышение качества продукции;

6) снижение издержек и рост объема производства на предприятии;

7) уплата налогов, внесение обязательных и добровольных взносов и осуществление платежей в бюджет;

8) соблюдение действующих стандартов, нормативов.

Основным показателем, характеризующим деятельность любого промышленного предприятия, является объем выпущенной и реализованной продукции, определяющий его размер. В свою очередь, качество производимой продукции и ее разнообразие наряду с ценовыми параметрами определяют устойчивость предприятия на рынке товаров и услуг.

Производство – центральное ядро предприятия, организованное на основе рационального сочетания средств, предметов труда и самого труда для реализации производственного процесса по изготовлению изделий [122]. Под производственным процессом на промышленном предприятии понимается совокупность трудовых процессов, конечным результатом которых служит завершенная продукция. Составляющие производственных процессов и их взаимосвязи характеризуются определенной структурой. Все производственные процессы состоят из стадий и определенных технологических операций. По времени протекания производственные процессы делятся на прерывные (дискретные), непрерывные и импульсивные (обладают свойствами непрерывности и дискретности одновременно) [149].

Производственный процесс делится на основное, вспомогательное и побочное производства. К основному производству относят те процессы, результатом которых является изготовление продукции, а к вспомогательным – процессы, с помощью которых создаются полуфабрикаты для основного производства. Процессы побочного производства необходимы для переработки отходов основного производства или их утилизации.

По назначению производственные процессы делятся, таким образом, на:

• технологические, обеспечивающие качественные изменения предметов труда, их состояние, форму и свойства, а также внешний вид;

• обслуживающие, поддерживающие нормальные условия для работы машин (чистка, смазка и уборка рабочего места);

• транспортные, изменяющие расположение предметов труда в пространстве;

• контрольные, поддерживающие правильное выполнение технологических операций, соблюдение необходимых режимов работы (контроль и регулирование процесса).

Под организацией производственного процесса понимают различные методы сочетания его элементов в пространстве и во времени с целью достижения эффективного использования. Основными принципами в организации производственного процесса признаны непрерывность, надежность, экологичность, модульность, гибкость, автоматичность, параллельность и ритмичность. Организация основного производства будет рациональной только в том случае, если обеспечивается действие всех принципов в совокупности [122].

Одним из подходов к исследованию проблем организации производства является системная концепция. Напомним, что под системой (греч. systema – целое, составленное из частей; соединение) понимают множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, а также образующих определенную целостность и единство [89]. Концепция – это система взглядов на какое-либо явление или деятельность. Основным принципом системной концепции служит признание понятия системы при исследовании и организации деятельности предприятия.

Под структурой предприятия понимается упорядоченная совокупность взаимосвязанных элементов, находящихся между собой в устойчивых отношениях, обеспечивающих их функционирование и развитие как единого целого. Так как предприятие – это сложная система, то внутри него в зависимости от целей можно выделить несколько взаимодействующих между собой структур [30]. Рациональное построение его структур (производственной и организационной) выступает необходимым условием успешной деятельности предприятия.

Под производственной структурой понимается состав и взаимосвязь образующих его цехов, участков и служб в процессе производства продукции. Производственная структура оказывает влияние на важнейшие экономические показатели предприятия: качество продукции, рост производительности труда, величину издержек производства и эффективность использования ресурсов. На производственную структуру предприятия оказывают влияние ряд факторов: отраслевая принадлежность, характер продукции и методы ее изготовления, объем выпуска продукции и ее трудоемкость, уровень специализации и кооперирования производства [54].

Под организационной структурой предприятия понимают состав, соподчиненность, взаимодействие и распределение работ по подразделениям и органам управления, между которыми устанавливаются определенные отношения по поводу реализации властных полномочий, потоков команд и информации. Организационная структура постоянно совершенствуется в соответствии с изменившимися условиями [41]. Различают несколько типов организационных структур: линейные, функциональные, матричные, линейно-функциональные, дивизиональные и адаптивные, а также проектные.

В теории организации производства в качестве объекта изучения выбирают производственную систему. Производственная система – это совокупность множества элементов и подсистем, предназначенная для реализации целей изготовления и выпуска промышленной продукции или других видов материальных благ.

Существуют различные классификационные признаки элементов производственной системы. При классификации элементов по содержанию выделяются: коллективы людей, оборудование, материалы, энергия и информация. Существует классификация элементов с учетом процессов и структуры. В этом случае могут быть выделены службы, цеха и участки.

Промышленное предприятие как производственная система представляет собой способ организации производственных процессов, таких как управление закупками, организация рабочих операций, управление материальными потоками на производстве, обслуживание оборудования, управление качеством и т.д. [121]. Она охватывает все стадии производственной и сбытовой деятельности, определяет качество продукции и издержки производства, является одним из факторов конкурентоспособности предприятия.

Производственная система обладает рядом свойств:

• является открытой системой, так как она обменивается с внешней средой ресурсами, энергией и информацией;

• обладает свойством целенаправленности, так как ориентирована на цели;

• является сложной системой, так как включает в себя множество элементов и их связей;

• обладает свойством адаптивности, так как способна реагировать на изменения внешней среды;

• является долговременной системой, которая может функционировать продолжительное время, сохраняя при этом свои свойства;

• обладает свойством целостности, которое характеризуется тем, что вся система способна на большее, чем каждая из ее действующих частей в отдельности;

• является управляемой системой и допускает временное изменение процесса функционирования под влиянием воздействий [25].

Кроме того, промышленное предприятие представляет собой динамичную систему, способную изменяться, переходить из одного качественного состояния в другое, оставаясь в то же время системой благодаря определенным свойствам:

• результативности (способности создавать продукцию или оказывать услуги);

• надежности (способности к устойчивому функционированию, способности локализировать в сравнительно небольших частях системы отрицательные последствия каких-либо изменений, происходящих как внутри системы, так и во внешней среде);

• гибкости (возможности приспосабливаться к изменяющимся условиям внешней среды, таким как повышение уровня конкуренции, изменение потребностей рынка и др.);

• управляемости (возможности управления предприятием как системой).

Основными особенностями функционирования промышленного предприятия в условиях конкурентной среды являются:

• включение задач исследования рынка, проектирования продукции и процессов ее изготовления в общий производственный цикл;

• наличие динамической обратной связи между результатами производства и его подготовкой;

• усложнение задач управления на всех этапах цикла: разработка – подготовка – производство;

• увеличение числа уровней иерархии управления ввиду использования автономных технологических модулей и комплексов;

• использование в качестве технической базы автоматизации сети компьютеров;

• создание автоматизированной информационной базы, интегрирующей данные всех подсистем производства [98].

Итак, промышленное предприятие – самостоятельный хозяйственный субъект, производящий продукцию, выполняющий работы и оказывающий услуги для удовлетворения потребностей и получения прибыли [150]. Главная цель предприятия – получение максимальной прибыли в долгосрочной перспективе, а также обеспечение стабильной финансовой устойчивости в его работе.

1.2. Обзор существующих методов планирования на промышленном предприятии

Планирование является важнейшей составной частью производственно-хозяйственной деятельности предприятия, без которой невозможна его успешная работа [149]. Недооценка роли планирования на промышленном предприятии приводит к неэффективному использованию материальных, трудовых, интеллектуальных, организационных, информационных и финансовых ресурсов предприятия, неоправданно увеличивает затраты, что приводит к росту себестоимости продукции и снижает ее конкурентоспособность [122].

Планирование тесно связано с другими функциями управления на предприятии. Любая функция управления состоит из пяти видов деятельности, обладающих относительной самостоятельностью: планирования и прогнозирования, организации, координации и регулирования, учета, анализа и контроля [54]. Каждая функция характеризуется присущим ей технологическим процессом обработки информации и способом воздействия на управляемый объект (рис. 1.1).

Планирование как управленческая функция представляет собой проектирование альтернативных вариантов будущего состояния предприятия и выбор оптимального с точки зрения рациональности достижения поставленных целей [134]. Именно оно дает возможность оптимально использовать имеющиеся возможности предприятия по выпуску продукции со сложившимися на рынке спросом и предложением [149]. Планирование позволяет:

• рационально использовать имеющиеся ресурсы предприятия;

• эффективнее проводить научно-техническую политику на промышленном предприятии;

• повышать эффективность производства и улучшать финансовое состояние предприятия.

Рис. 1.1. Взаимосвязь основных функций управления [54]

Процесс планирования на предприятии предполагает контроль [98]. Без контроля не могут быть полностью реализованы все другие функции управления. Контроль призван обеспечивать адекватную оценку реальной ситуации и тем самым создавать условия для внесения изменений в запланированное. При этом контроль предполагает не только сравнение текущих показателей с плановыми, но и их анализ по отношению к показателям аналогичных прошлых периодов. Поэтому контроль выступает одним из главных инструментов принятия решений, обеспечивающих нормальное функционирование фирмы и достижение ею намеченных целей как в долгосрочной перспективе, так и в оперативном управлении.

Выделяют семь основных функций планирования на предприятии:

1. Целевая ориентация участников планирования.

2. Перспективная ориентация и раннее распознавание проблем развития.

3. Координация деятельности участников планирования.

4. Подготовка управленческих решений.

5. Создание объективной базы для эффективного контроля.

6. Информационное обеспечение участников планирования.

7. Мотивация участников [139].

Под принципами планирования понимают основные теоретико-методологические положения, которыми следует руководствоваться в процессе планирования на предприятии [150]. Впервые общие принципы планирования были сформулированы А. Файолем, в их основе лежат следующие требования:

• необходимость планирования (применение планов при выполнении любого вида трудовой деятельности);

• единство планов (разработка общего или сводного плана социально-экономического развития предприятия);

• непрерывность планов (осуществление на предприятии постоянства процессов планирования, организации и управления производством);

• гибкость планов (корректировка установленных показателей и координации планово-экономической деятельности предприятия);

• точность планов (осуществление точности планов предприятия с учетом его финансового состояния, положения на рынке и других факторов) [54].

В современной практике планирования помимо классических широко известны общеэкономические принципы: комплексности, эффективности, оптимальности, пропорциональности, научности, детализации, простоты и ясности.

В зависимости от содержания, целей и задач выделяют такие формы планирования: стратегическое, тактическое и оперативное. Каждый из указанных видов планирования имеет свою методологию, формы и методы расчета показателей [149].

Стратегическое планирование – форма планирования, ориентированная на долгосрочную перспективу. Оно определяет основные направления развития предприятия и выражается не в детально разработанном плане, а в проекции на будущее. С помощью инструментов стратегического планирования принимают решения о том, как расширить сферы деятельности бизнеса, сформировать процесс удовлетворения нужд потребителей, какие мероприятия следует применять для удовлетворения рыночного спроса, какую продукцию выпускать или какие услуги оказывать и в каком количестве, с какими партнерами вести бизнес и т.д. Основной целью стратегического планирования является создание предпосылок для стабильного и динамичного функционирования предприятия в условиях изменяющейся внешней и внутренней среды. Период такого планирования составляет 10-15 лет и осуществляется высшим руководством предприятия [148].

Тактическое планирование – форма планирования, которая охватывает краткосрочный и среднесрочный периоды. Основной особенностью такой формы планирования является разница в корректировке его показателей: показатели ближайшего года проверяются ежеквартально, а показатели второго и третьего годов – каждые полгода. Объекты и предметы этого планирования могут быть самыми разными. Для того чтобы сделать процесс тактического планирования контролируемым, необходимо планировать только основные виды продукции, затрат, но при этом должна строго соблюдаться зависимость: «издержки – выпуск – прибыль – цена». Иначе тактическое планирование становится нецелесообразным. Тактическое планирование охватывает временной период от 1 до 3 лет [98].

Оперативное планирование – завершающий этап в планировании производственно-хозяйственной деятельности предприятия. Задача этой формы планирования заключается в конкретизации показателей плана с целью организации планомерной повседневной работы предприятия и его структурных подразделений. Оперативное планирование осуществляется сроком на один календарный год с разбивкой по кварталам. По сравнению с тактическим оперативное планирование более детальное, особенно относительно производства, запасов материальных ресурсов, ценообразования и других [116].

В отечественной практике встречаются различные методы планирования на предприятии: балансовый, метод планирования по технико-экономическим факторам, нормативный и программно-целевой [150]. Балансовый метод используется при планировании на народнохозяйственном уровне, при этом составляют следующие виды балансов: материальный, трудовой и финансовый. Метод планирования по технико-экономическим факторам применяется при планировании издержек производства и реализации продукции, производственной программы и других разделов плана экономического и социального развития предприятия. Сущность нормативного метода заключается в том, что в результате процесса планирования применяется целая система норм и нормативов использования ресурсов предприятия. Данный метод может применяться только, если используется прогрессивная нормативная база. Сущность программно-целевого метода заключается в направлении ресурсов предприятия на выполнение научно-технических программ.

Не уменьшая важности описанных методов планирования на промышленном предприятии, все же отметим, что с их помощью трудно получить ценные для практики результаты в тех случаях, когда рассматривается такая сложная система, как промышленное предприятие [150].

Специфика управления промышленным предприятием обусловлена наличием существенных факторов риска и неопределенности, затрудняющих реализацию такой важнейшей функции управления, как планирование. К наиболее важным факторам внешних рисков промышленных предприятий относятся: инфляция, нестабильность политических условий, изменение налоговых ставок, нестабильность налоговой политики, изменения конъюнктуры внутреннего и внешнего рынков. К наиболее важным факторам внутренних рисков промышленных предприятий относят: низкое качество управленческих решений, ошибки персонала и выход из строя оборудования [86].

В работе [4] отмечены следующие проблемы, возникающие при современном планировании на промышленном предприятии:

• нечеткая формулировка цели планирования и критерия его эффективности;

• нереальность планов, не ориентированных на перспективы развития предприятия на многолетний период;

• неиспользование современных методов финансового менеджмента и математического моделирования в финансовом планировании;

• длительность процессов долгосрочного планирования;

• осуществление процессов планирования на безальтернативной основе;

• субъективный характер планирования;

• увольнение одного из специалистов, задействованного в планировании производственно-хозяйственной деятельности предприятия, что приводит к существенным ошибкам в расчетах.

Процесс планирования производственно-хозяйственной деятельностью промышленного предприятия весьма сложен и трудоемок, требует огромного количества времени и ресурсов. Для решения этих задач стали использовать специализированные программные продукты, с помощью которых возможно охватить всю деятельность предприятия. На рынке программных продуктов планирования деятельности промышленного предприятия представлено достаточно много программных средств. Они различаются как по функциональным возможностям, так и по масштабу предприятия.

Для повышения эффективности процессов планирования на промышленных предприятиях, работающих в условиях воздействия случайных факторов, необходимо применять соответствующие математические и инструментальные методы, основанные на методе имитационного моделирования [47].

Необходимость применения метода имитационного моделирования для процессов планирования на промышленном предприятии обусловлена тем, что материальные, информационные, трудовые и финансовые потоки имеют характеристики, изменяющиеся во времени по случайным законам. Следствием этого является существенная неравномерность использования ресурсов.

1.3. Развитие имитационного моделирования в России и за рубежом

В классической работе Р. Шеннона [141], посвященной имитационному моделированию, ему дано следующее определение: «Имитационное моделирование – это процесс конструирования модели реальной системы и постановки экспериментов на этой модели с целью либо понять поведение системы, либо оценить (в рамках ограничений, накладываемых некоторым критерием или совокупностью критериев) различные стратегии, обеспечивающие функционирование данной системы».

Имитационные модели широко применялись в практической деятельности страны еще в 1960-1980-е гг. [95]. В тот период с помощью имитационных моделей решались многие практические задачи на уровне регионов, отраслей и отдельных предприятий. Однако после периода бурного развития имитационного моделирования – с конца 1980-х и в 1990-е гг. – наступил период, когда школа имитационного моделирования в России практически не развивалась. Это привело «к утрате связей между научными коллективами и отдельными учеными, прекращению активной деятельности многими из них, нарушению преемственности поколений, приостановке или прекращению ряда перспективных разработок» [104].

Однако мировая наука в области имитационного моделирования последние десятилетия не стояла на месте: за рубежом регулярно проходили конференции по имитационному моделированию, оно все шире внедрялось в практику управления промышленным предприятием, разрабатывались и внедрялись в производство новые системы имитационного моделирования. Об активности этого направления в странах Западной Европы и США свидетельствует регулярность конференций (например, Winter Simulation Conference, Summer Computer Simulation Conference, Spring Simulation Multiconference, INFORMS Annual Meeting, International System Dynamics Conference и др.), симпозиумов (например, Communications and Networking Simulation Symposium, Symposium on Theory of Modeling and Simulation, Military Modeling and Simulation Symposium и др.), конгрессов (EUROSIM Congress и др.), увеличивающееся число публикаций, международных исследовательских проектов и сообществ имитационного моделирования (The Society of Modeling and Simulation International, Federal European Simulation Societies и многие др.), множество специализированных научных журналов («Simulation», «Simulation: Transactions of the Society for Modeling and Simulation International», «International Journal of Simulation and Process Modeling» и др.) [85]. Кроме того, имитационные модели в западных странах являются обязательными в комплекте документов при проектировании нового или модернизации существующего производства [105].

К сожалению, в России, в отличие от США и Европы, широкое использование имитационного моделирования в экономических исследованиях прикладного направления пока не наблюдается. В то же время многие специалисты в области имитационного моделирования в нашей стране признают, что за последнее десятилетие произошли определенные изменения в сторону улучшения ситуации [24]. Отдельные негосударственные предприятия стали активнее использовать метод имитационного моделирования в своей деятельности.

Основные отрасли промышленности у нас, в которых сегодня применяется метод имитационного моделирования, – это легкая промышленность, электроника, судостроение, стройматериалы, пищевая промышленность и металлургия. Большинство используемых моделей обычно включают детальные модели производства для анализа «узких мест» и загрузки оборудования, комплексного управления логистическими процессами, выбора стратегии управления запасами, анализа финансово-экономического состояния предприятия, оперативного и календарного планирования [66].

Кроме того, постоянно увеличивается академическое применение имитационного моделирования, повышается объем и уровень проводимых исследований. В настоящее время 150 вузов России ежегодно выпускают более 10 тыс. специалистов, владеющих основами имитационного моделирования. Аналогично обстоит дело и в странах СНГ. Моделирование введено в учебные планы не только компьютерных, но и ряда экономических специальностей. В сети Интернет появился целый ряд сайтов, посвященных этой проблеме (gpss.ru, simulation.org.ua, gpss-forum.narod.ru, xjtek.com) [42]. Это позволяет говорить о положительных тенденциях развития метода имитационного моделирования в России. Однако следует заметить, что если не решать проблемы, связанные с внедрением этих разработок в производство, эффект от них может оказаться минимальным [151].

Анализ работ по имитационному моделированию на Winter Simulation Conference [159, 160-162, 164, 168] показал, что основными направлениями его будущего развития являются: объектно-ориентированные системы имитационного моделирования, встроенное имитационное моделирование, приложения, поддерживающие оптимизацию, модули задач планирования ресурсов на предприятии, эмуляция, тренажеры и web-приложения.

Объектно-ориентированный подход значительно упрощает разработчикам программного обеспечения процесс программирования. Основная задача современных объектно-ориентированных систем имитационного моделирования состоит в том, чтобы использовать мощные возможности объектно-ориентированного подхода и имитационного моделирования и сделать их доступными и понятными для непрограммистов, которые знают проблемы реальных систем подробнее. Все системы имитационного моделирования в будущем будут использовать технологии объектно-ориентированного программирования при анализе реальных систем, причем пользовательский интерфейс станет в меньшей степени ориентирован на объектно-ориентированное программирование и в большей степени будет соответствовать всем категориям проблем, которые, вероятнее всего, интересуют пользователя.

Встроенное имитационное моделирование – это программы, «зашитые» в системы управления предприятием (например, ERP) с возможностью проведения имитационных экспериментов. Оно должно увеличить доступность использования имитационных моделей. Ключевым компонентом успеха будет время отклика модели. Имитационное моделирование уже сейчас пользуется успехом как встроенное приложение. В приложениях реального времени имитационные модели будут предоставлять результаты почти сразу.

Оптимизация на основе метода имитационного моделирования заключается в совместном использовании имитационной модели сложной системы и алгоритма оптимизации. С помощью имитационной модели рассчитываются значения основных выходных показателей системы для различных комбинаций входных переменных, которые предлагает алгоритм оптимизации. Примерами пакетов оптимизации для имитационного моделирования являются AutoStat AutoSimulations, OptQuest Optimization, OPTIMIZ, SimRunner2 и WITNESS Optimizer. В большинстве пакетов оптимизации в качестве процедур поиска решений используются эволюционные и генетические алгоритмы [78].

В процессе имитационного моделирования производственных систем требуется значительное количество данных, которые обычно доступны в системах ERP. Прямой интерфейс к этим системам доступен уже сегодня и будет все более функциональным. Управление финансовыми данными с помощью этих систем обеспечит возможность прямой поддержки принятия решений, которые превосходят существующие техники стратегического планирования. В сочетании с другими техниками имитационное моделирование будет развиваться с возможностью создавать детализированное расписание в интегрированных средах.

Эмуляция – имитация работы одной системы средствами другой без потери функциональных возможностей и искажений результатов. Она позволяет уберечь дорогостоящее оборудование, технологическую оснастку от возможных повреждений, сократить затраты на разработку управляющих программ для производства, а также значительно повысить его производительность. Эмуляция выполняется с помощью программных и/или аппаратных средств. Примерами программных средств для эмуляции являются ModelSim, UltraLogic32 и VERICUT. ModelSim – базовая среда программно-аппаратной эмуляции в области автоматизации средств проектирования и верификации аналого-цифровых СБИС Mentor Graphics. UltraLogic32 – система разработки программного обеспечения сбора данных и управления для промышленных контроллеров. VERICUT – программный комплекс разработки управляющих программ для металлообрабатывающего производства.

Тренажеры – это эффективное средство для обучения работе системой в доступном и реалистичном режиме, а также, что немаловажно, в безопасных условиях. Они служат для повышения квалификации и проверки навыков работы в реалистичной системе с помощью имитационной модели.

Интернет меняет все пространство информационных технологий, и имитационное моделирование не исключение. Web– приложения будут играть важную роль при построении и просмотре (дистанционном использовании) имитационных моделей. В будущем предприятия будут получать базу знаний своей системы, процессов и продукции через Интернет. Процессы будут определены в терминах анимационной имитационной модели, которая может быть выполнена пользователем. Основные web-приложения имитационного моделирования: JSIM, Forio Simulate, PowerSim и The Vanguard System.

1.4. Сущность управленческих имитационных игр

Под имитационной игрой понимают игру, которая служит имитационной моделью и предназначена для изучения процессов функционирования организационно-экономических систем [27, 48]. В имитационной игре реальные работники аппарата управления заменяются исполнителями ролей этих работников, реальная информация о производстве – псевдореальной информацией, получаемой с помощью имитации производственных процессов [70]. Кроме того, в игре упрощается организационная структура и сжимается масштаб времени.

Имитационная игра включает в себя пять крупных составляющих: игроки, эксперты, организаторы игры, материал по изучаемой проблеме и экспериментальная ситуация, которую образуют игровая обстановка, сценарий и регламент игры (рис. 1.2). Важной составляющей управленческой имитационной игры является имитационная модель среды, в которой изучаемая система осуществляет свою деятельность.

Имитационная модель некоторого промышленного предприятия есть компьютерная программа, которая позволяет исследовать процесс функционирования предприятия путем проведения экспериментов на компьютере и, следовательно, может считаться виртуальной версией данного предприятия [4, 32].

Для любого промышленного предприятия нельзя построить универсальную имитационную модель, позволяющую описывать все его сферы деятельности по причине его большой размерности, сложности и неформализуемости части процессов. Каждое предприятие имеет свои особенности в планировании, организации производства, постановке задачи моделирования, поэтому и процесс построения имитационной модели для каждого предприятия уникален [86]. Наиболее целесообразным подходом для промышленного предприятия в этом случае представляется создание комплекса имитационных моделей с использованием системы имитационного моделирования [32].

Итак, имитационная модель создается индивидуально для каждого процесса, причем любые изменения какой-либо части модели могут привести к существенным изменениям всей модели. Имитационная модель какого-либо объекта должна или быть точной копией этого объекта, или отображать некоторые существенные свойства объекта в абстрактной форме.

Рис. 1.2. Состав управленческой имитационной игры [68]

В работе [47] замечено, что имитационная модель в управлении промышленным предприятием может восприниматься как своеобразный «тренажер», позволяющий руководителю любого подразделения прогнозировать деятельность предприятия при наличии различных контролируемых и неконтролируемых факторов внешней и внутренней среды.

В подавляющем большинстве имитационные модели создаются при проектировании новых или реконструкции существующих производственных систем [124]. Основные цели, которые обычно преследует специалист по имитационному моделированию при исследовании таких систем, – это анализ плана производства и движения материальных потоков, а также выявление и устранение «узких мест» в организации технологических и производственных процессов [157].

1.5. Парадигмы и пакеты имитационного моделирования

Термин «парадигма» происходит от греческого слова «parádeigma», что означает «пример, образец». Парадигмы (подходы) в имитационном моделировании – системы взглядов, концепций и приемов, стилей моделирования, используемых в качестве «фундамента» при построении моделей [22].

В настоящее время существуют пять наиболее распространенных подходов к имитационному моделированию:

1. Дискретно-событийное моделирование.

2. Системная динамика (непрерывное моделирование).

3. Агентное моделирование.

4. Динамические системы.

5. Метод Монте-Карло.

Каждая из этих парадигм применяется и продвигается специалистами различных школ [63, 111]. Кроме того, они соответствуют разным уровням абстракции (уровень, по которому можно определить, что важно, а что нет в процессе моделирования) при создании модели, что обуславливает применение того или иного подхода.

Дискретно-событийное моделирование – подход, основанный на концепции заявок (пассивных объектов, транзактов, entities), ресурсов и потоковых диаграмм (flowcharts), определяющих потоки транзактов и использование ресурсов [42]. Транзакты, например, детали, требующие обработки на станках. Ресурсы – станки, на которых эти детали обрабатываются. Дискретно-событийное моделирование было открыто Д. Гордоном из IBM (разработчик General Purpose Simulation System, GPSS) в 1960-х гг. Дискретно-событийное моделирование работает на низком и среднем уровнях абстракции [24].

Системная динамика – парадигма моделирования, где для исследуемой системы строятся графические диаграммы причинных связей и влияний одних параметров на другие во времени, а затем созданная на основе этих диаграмм модель «проигрывается» на компьютере [36]. Системная динамика была открыта профессором Sloan School of Management Д. Форрестером во второй половине 1950-х гг. [132]. В 1960-х гг. концепция системной динамики была применена им при моделировании систем на крупных промышленных предприятиях. Это направление получило название индустриальной динамики, широкое применение которой актуально и в настоящее время [80]. Системная динамика, заменяя индивидуальные объекты их агрегатами, предполагает наивысший уровень абстракции [22].

Агентное моделирование – направление в имитационном моделировании, исследующее поведение децентрализованных агентов и их влияние на поведение всей системы в целом. Агенты (Agents) – базовый элемент модели. Под агентом понимают объект, имеющий внутреннюю структуру, собственное поведение и возможность взаимодействия с окружением и другими объектами [23]. Агентное моделирование стало развиваться в середине 90-х гг. прошлого века. Оно может применяться практически на любом уровне абстракции. На самом низком уровне абстракции агентами могут быть пешеходы, автомобили, на среднем уровне – клиенты или продавцы, на высоком уровне – конкурирующая компания. Агентное моделирование часто применяется при моделировании поведения отдельных участников производственного процесса либо при моделировании взаимодействия предприятия с внешней средой (поставщиками, потребителями, конкурентами, рынками). Уровень детализации для данных ситуаций моделирования зависит от конкретной постановки задачи и интересующих выходных показателей моделирования.

Динамические системы – это сложные физические объекты, поведение которых описывается системами алгебро-дифференциальных уравнений, а также событиями, меняющими либо среду, либо модель, либо саму структуру объекта. Динамические системы находятся на самом нижнем уровне абстракции [64]. К этому классу относятся системы управления, физические и механические системы, объекты химической технологии и т.п.

Метод Монте-Карло – общее название группы численных методов, основанных на получении большого числа реализаций стохастического (случайного) процесса. Моделирование методом Монте-Карло является эффективным методом исследования простых систем с несложной логикой функционирования. Метод Монте-Карло был открыт в 1940-х годах Дж. Нейманом и С. Уламом. Суть данного метода состоит в том, что проводится розыгрыш случайного явления c помощью некоторой процедуры, которая дает случайный результат. После такого розыгрыша получают одну реализацию случайного явления. Осуществляя розыгрыш многократно, накапливают множество реализаций случайной величины, которые потом можно обрабатывать статистическими методами [128].

Повсеместное распространение ряда систем имитационного моделирования, специально предназначенных для построения имитационных моделей промышленного предприятия как широкого назначения, так и специализированных по отраслям промышленности, повлекло за собой широкое использование имитационного моделирования как средства анализа [21]. Системы моделирования значительно облегчают процесс создания модели по сравнению с универсальными языками программирования. Большинство из них имеют удобный графический интерфейс, системные потоковые диаграммы, что в значительной степени облегчает процесс разработки и реализации имитационных моделей. Кроме того, существует возможность просматривать результаты в виде различных графиков, таблиц, отчетов и компьютерной анимации.

Р. Шеннон [141, 198] отметил следующие преимущества использования систем имитационного моделирования:

1. Снижение трудоемкости программирования.

2. Возможность четкого выражения понятий и формулирования модели.

3. Облегчение документирования и представления результатов моделирования.

4. Обеспечение гибких возможностей расширения и пересмотра модели.

5. Наличие вспомогательных функций общего назначения, необходимых при любых видах моделирования.

Вышеуказанные преимущества систем имитационного моделирования, реализующие его концепции, актуальны и в настоящее время. Рассмотрим системы имитационного моделирования более подробно (рис. 1.3). Итак, для моделирования в рамках системной динамики существуют всего шесть систем имитационного моделирования, тогда как дискретно-событийное моделирование поддерживается десятками различных инструментов, кроме того, существует множество специализированных систем имитационного моделирования, основанных на идеологии дискретно-событийного моделирования, созданных под конкретные задачи. Коммерческие инструменты для агентного моделирования появились на рынке только в последнее десятилетие.

Практически все присутствующие на рынке системы имитационного моделирования разработаны для поддержки одного определенного подхода [12]. В этом смысле AnyLogic и ExtendSim отличаются от остальных программных продуктов полной поддержкой всех современных парадигм имитационного моделирования.

Рис. 1.3. Системы имитационного моделирования и применяемые парадигмы

Таким образом, современная система имитационного моделирования – это программа компьютерного моделирования, предназначенная для профессионалов в области моделирования, которая позволяет быстро создавать модели из базовых графических компонентов, выполнять компьютерные эксперименты с моделями, включая различные виды анализа, а также имеет широкие возможности для оптимизации моделируемых процессов и анимации.

1.6. Имитационное моделирование процессов планирования на промышленном предприятии

Имитационное моделирование представляет собой эффективный метод решения задач, получивший распространение на всех уровнях планирования – от стратегического до оперативно-календарного. В планировании под имитационным моделированием понимают создание модели реальной производственно-хозяйственной ситуации и экспериментирование с этой моделью в целях обоснования планового решения [54, 73].

Имитационное моделирование применяется при планировании сборочных операций, организации ремонта оборудования, работе пунктов обслуживания, анализе процессов перемещения грузов, планировании производственных процессов на предприятии, исследовании производительности использования оборудования, планировании снабженческо-сбытовой деятельности предприятия, оценки своевременности обслуживания заказов, при управлении технологическими процессами, проектировании нового производственного участка, определении количества работников на производственном участке и др.

Имитационное моделирование процессов планирования на промышленном предприятии позволяет проводить эксперименты с процессами на предприятии при ограниченности его ресурсов, что дает возможность избежать возможных рисков (последствий) в случае неудачного эксперимента [109]. Кроме того, имитационное моделирование с максимальной приближенностью к действительности позволяет проверить выбранный вариант без необходимости проведения реальных экспериментов с предприятием, а также обеспечивает многовариантный анализ альтернативных стратегий управления, что облегчает процесс принятия решений и позволяет выявить «узкие места» в организационной и управленческой структуре предприятия. Имитационные модели широко применяются для решения задач оперативного, тактического и стратегического планирования (рис. 1.4) [167].

При решении задач оперативного планирования используется в основном дискретно-событийная парадигма моделирования, тактического – дискретно-событийное моделирование и системная динамика, стратегического – системная динамика и агентное моделирование. Выбор парадигмы моделирования автоматически обуславливает и выбор пакета имитационного моделирования.

Рис. 1.4. Планирование деятельности промышленного предприятия

Таким образом, имитационное моделирование процессов планирования промышленного предприятия с использованием системы имитационного моделирования является эффективным средством изучения их функциональной структуры, позволяет наметить оптимальные стратегии развития, совершенствовать методы планирования и повысить эффективность функционирования предприятия в целом.