Текст книги "Имитационное моделирование процессов планирования на промышленном предприятии"

1.7. Классификация имитационных моделей промышленного предприятия

Имитационные модели вообще и имитационные модели промышленного предприятия в частности можно классифицировать различными способами. Так, например, в классической монографии Р. Шеннона [141], посвященной имитационному моделированию, приводится классификация основных типов имитационных моделей. Указываются следующие типовые группы моделей:

• статические и динамические;

• детерминированные и стохастические;

• дискретные и непрерывные.

В работе [19] предлагается классификация имитационных моделей по способу управления системным временем (механизму системного времени).

По цели эксперимента существуют следующие имитационные модели [135]:

• с оценкой влияния факторов на результативный показатель;

• с оценкой взаимного влияния факторов;

• с оптимизирующим экспериментом.

Описания этих типовых групп рассмотрены в работах [19, 135, 141]. Следует лишь заметить, что по таким признакам могут быть классифицированы и имитационные модели промышленного предприятия.

Кроме того, имитационные модели промышленного предприятия можно классифицировать по следующим признакам:

• по применяемой парадигме моделирования;

• по уровню абстракции;

• по моделируемым направлениям деятельности предприятия;

• по степени адекватности модели;

• по отношению к окружающей среде;

• по характеру исследования;

• по периоду планирования;

• по способу использования;

• по типу предприятия.

По применяемой парадигме моделирования имитационные модели классифицируются следующим образом:

• модели системной динамики;

• дискретно-событийные;

• агентные;

• модели динамических систем.

Уровень абстракции имитационных моделей может быть:

• высоким;

• средним;

• низким.

Уровень абстракции – уровень, по которому можно определить, что важно, а что нет в процессе моделирования. При низком уровне моделируется поведение отдельных объектов. На этом уровне принято решать задачи, связанные с движением, транспортировкой и др. На среднем уровне абстракции обычно оперируют с расписаниями, задержками, мощностями и емкостями, физическое перемещение при этом не анализируется. На этом уровне абстрагируются от индивидуальных свойств объектов моделирования (людей, машин, товаров) и в основном рассматривают их потоки. Характерными задачами этого уровня являются системы массового обслуживания, модели бизнес-процессов, логистика. При высоком уровне абстракции в модели, как правило, отсутствуют индивидуальные объекты сами по себе, оперируют лишь с их количеством и агрегированными показателями. На данном уровне моделируются проблемы рыночного равновесия, социально-экономического развития городов, экологические процессы [111].

Как уже было отмечено, имитационные модели обычно строят только для одного или нескольких выбранных видов процессов. В зависимости от выбранного вида процесса имитационные модели промышленного предприятия можно классифицировать по следующим направлениям деятельности:

• производственный процесс, проектирование и реинжиниринг;

• процессы планирования на предприятии (стратегического, тактического, оперативного);

• процессы принятия решений и контроля;

• процессы маркетинга на предприятии;

• процессы взаимодействия предприятия с внешней средой;

• моделирование финансовых процессов на предприятии [3, 18, 24, 81, 86, 104].

По степени адекватности модели подразделяются на:

• на полные модели, когда модель в полной мере адекватна изучаемому объекту моделирования (для более простых систем);

• на приближенные модели, когда модель не отражает некоторые аспекты функционирования моделируемого объекта, что характерно для большинства моделей.

По отношению к внешней среде имитационные модели промышленного предприятия бывают:

• внутренними, описывающими структурно-функциональную организацию предприятия;

• внешними, описывающими взаимодействие предприятия с внешней (по отношению к предприятию) средой.

Имитационные модели можно также классифицировать по периоду планирования:

• долгосрочные;

• среднесрочные;

• краткосрочные.

Режим работы имитационных моделей подразделяется, таким образом, на:

• интерактивный, при котором пользователь управляет модельным временем, имея возможность при этом в каждом периоде изменять входные данные;

• неинтерактивный (пакетный) – подразумевает, что исходные данные не изменяются на протяжении имитации, а продвижение модельного времени происходит без участия пользователя.

По способу использования имитационные модели в практике управления промышленным предприятием делятся:

• на тренажеры;

• на встроенные в бизнес-процесс в режиме online;

• на демонстрацию работы предприятия в виде компьютерной анимации;

• на варианты планирования и проектирования.

Кроме того, имитационные модели можно классифицировать по типу предприятия:

• проектируемые;

• реально действующие.

Последний из рассматриваемых признаков классификации – характер исследования. По этому признаку имитационные модели промышленного предприятия подразделяются:

• на теоретические – модели, построенные для теоретического изучения процессов функционирования и управления промышленным предприятием с целью понять и изучить общие тенденции развития и функционирования предприятия;

• на практические – модели, предназначенные для практических (реальных) целей, данные которых будут использованы для кардинальных изменений функционирования и управления промышленным предприятием.

В табл. 1.1 представлен авторский вариант классификации имитационных моделей промышленного предприятия, проведенной по различным классификационным признакам.

Таблица 1.1

Вариант классификации имитационных моделей промышленного предприятия

Предложенная классификация имитационных моделей промышленного предприятия позволяет сгруппировать имеющиеся имитационные модели и выделить определенные категории, которые будут характеризоваться рядом общих свойств, в соответствии с принятым методом классификации. Кроме того, классификация дает возможность осуществлять выбор подходящей модели с учетом определенных признаков и с ориентацией на поставленную задачу моделирования выбранных методов деления, а также помогает ориентироваться во всем многообразии имитационных моделей промышленного предприятия. Классификация является дополнением к методике применения имитационного моделирования для поддержки процессов планирования на промышленном предприятии, которая в свою очередь содержит часть классификационных признаков (например, выбор моделируемого направления деятельности, определение способа применения имитационной модели, выбор уровня абстракции и парадигмы моделирования).

1.8. Выводы по первой главе

При планировании деятельности таких сложных систем, как промышленное предприятие, необходимо не только наличие эффективных методов и моделей принятия решений, но и использование современных информационных технологий. От этого во многом зависит качество принятия управленческих решений [120]. В настоящее время во всем мире широко используются инструментальные средства, в основе которых лежит метод имитационного моделирования. Причина растущей популярности этой технологии связана с особой сложностью экономических и производственных процессов современного мира.

При моделировании деятельности промышленного предприятия в основном используют два подхода в имитационном моделировании: дискретно-событийное (преимущественно) и непрерывное моделирование. Дискретно-событийное моделирование – подход, основанный на концепции заявок (пассивных объектов, транзактов, entities), ресурсов и потоковых диаграмм (flowcharts), определяющих потоки транзактов и использование ресурсов [47]. 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.

Для моделирования в рамках системной динамики существует не так много систем имитационного моделирования (VenSim, PowerSim, iThink, ModelMaker, Dynamo, Stella и Anylogic), тогда как дискретно-событийное моделирование поддерживается десятками различных инструментов (Arena, ExtendSim, AutoMod, ProModel, GPSS, WITNESS, SIMUL8, QUEST, Enterprise Dynamics, Plant Simulation и Anylogic); кроме того, существует множество специализированных систем имитационного моделирования, основанных на идеологии дискретно-событийного моделирования, созданных под конкретные задачи.

Глава 2
Методика разработки имитационных моделей для поддержки процессов планирования на промышленном предприятии

В главе представлена методика применения имитационного моделирования для поддержки процессов планирования на промышленном предприятии, которая в дальнейшем может быть использована в практике планирования предприятиями различных отраслей промышленности национальной экономики.

Методику проведения имитационного эксперимента для процессов планирования на промышленном предприятии можно рассматривать для реально действующего предприятия и проектируемого предприятия. Отличительной особенностью двух методик является возможность получения данных для моделирования и некоторых постановок задач. В нашей работе представлена методика для предприятия, уже существующего. Это позволит рассмотреть применение метода имитационного моделирования для более широкого класса задач планирования на предприятии. Предполагается, что положения данной методики частично можно будет использовать и для рассмотрения процессов функционирования проектируемого предприятия.

Предлагаемая нами методика состоит из следующих основных этапов:

1. Предпроектное исследование объекта моделирования.

2. Разработка концептуальной модели.

3. Разработка модели в программной среде.

4. Планирование и проведение имитационных экспериментов.

5. Анализ результатов имитационного моделирования.

6. Документирование модели и принятие решений (рис. 2.1).

Хотя названия этих этапов встречаются как в фундаментальных работах, так и в научно-популярной литературе по имитационному моделированию, они не до конца разработаны методически и совсем не ориентированы на процессы планирования промышленным предприятием. Нами учтена специфика функционирования промышленных предприятий. Заметим, что данная методика не привязана к технологическим процессам предприятия конкретной отрасли промышленности, что в значительной мере позволяет применять ее для анализа процессов планирования на промышленных предприятиях различных отраслей промышленности.

Рис. 2.1. Схема алгоритма построения имитационной модели промышленного предприятия

Наибольший интерес для исследования представляют этапы предпроектного исследования предполагаемого объекта моделирования и разработки концептуальной модели. Они самые важные в общей схеме построения имитационной модели для поддержки процессов планирования на промышленном предприятии, и от решений, принятых на данных этапах, зависит адекватность построенной модели, что в свою очередь приведет к правильному принятию управленческих решений, основанных на модели.

Дополнительно к предлагаемой методике разработан алгоритм, позволяющий создавать оптимизационные имитационные модели для складских систем на этапе концептуального проектирования. Алгоритм состоит из двух этапов (этапа построения имитационной модели, этапа построения оптимизационной модели), которые можно выполнять как последовательно (сначала построить имитационную модель, потом – оптимизационную), так и одновременно друг с другом.

2.1. Предпроектное исследование объекта моделирования

Первым и наиболее важным этапом имитационного моделирования является этап предпроектного исследования объекта моделирования. Данный этап предполагает, прежде всего, формирование группы для работы над имитационным проектом, диагностику проблем предприятия, понимание необходимости применения метода имитационного моделирования для поддержки процессов планирования на промышленном предприятии, анализ цели и задачи моделирования, а также понимание процесса функционирования существующей системы моделирования в целом.

Основной целью данного этапа служит определение общей задачи моделирования и ее разложение на составляющие подзадачи, в результате чего создается общее «дерево» задач, которые будут поэтапно решены с помощью соответствующих методов имитационного моделирования. На данном этапе происходит понимание того, решается данная задача с помощью метода имитационного моделирования или нет. Возможно, проблему можно решить методом прямого перебора, оптимизацией или любым другим аналитическим методом. Для того чтобы правильно выбрать необходимый метод моделирования, следует четко знать, какие задачи нужно решить в процессе моделирования и каковы возможности для их реализации.

В качестве основополагающих критериев целесообразности применения метода имитационного моделирования для поддержки процессов планирования на промышленном предприятии можно выделить следующие:

• Отсутствие законченной постановки задачи планирования на моделируемом объекте.

• Наличие достаточного количества исходных данных для имитационного моделирования.

• Возможность учета случайных факторов, воздействующих на процессы планирования предприятием.

• Невозможность описания протекающих в системе процессов планирования на промышленном предприятии в аналитической форме.

• Необходимость проведения большого количества вычислений и сравнения различных альтернативных стратегий на уровне планирования предприятием.

• Потребность в дополнительном исследовании планов и стратегий, разработанных с помощью стандартных методов планирования на предприятии.

• Потребность в поиске оптимального варианта решения для моделируемой системы.

• Необходимость наблюдения за деятельностью предприятия или отдельных его компонентов в течение определенного периода, в том числе с изменением скорости протекания процессов.

• Изучение новых ситуаций на предприятии либо оценка его функционирования в новых условиях.

• Необходимость исследования поведения предприятия при введении в него новых компонентов.

• Подготовка специалистов и освоение новой техники (в качестве тренажеров) на предприятии [28, 30, 204].

Разработка и реализация любой имитационной модели всегда носит проектный характер. Для ее реализации формируется рабочая группа, называемая командой проекта, в состав которой входят: основной заказчик имитационной модели, как правило, это генеральный директор предприятия; технический директор; ведущий технолог; специалисты, работающие на складах, в цехах и др.; аналитик; разработчик имитационной модели и его команда (в случае выполнения крупного проекта). Количество участников проекта определяется объемом работ и сроками его выполнения. Эта группа создается на период реализации имитационного проекта. Возглавляет группу руководитель проекта (на Западе его называют проект-менеджером), осуществляющий организацию и координацию деятельности всех участников имитационного проекта. На первом совещании рабочей группы решаются в общих чертах вопросы о необходимости проведения имитационного исследования, востребованности в ресурсах для моделирования, сроках выполнения и стоимости выполнения имитационного проекта.

Планирование имитационного проекта – самый важный этап предпроектного исследования объекта моделирования, к нему обращаются на протяжении всего жизненного цикла проекта. На данном этапе выделяют основные этапы и фиксируют сроки выполнения проекта, определяют необходимые ресурсы и роли, формируют бюджет, устанавливают требования к проекту и др. Основной выходной документ этого этапа – это план имитационного проекта. Успех всего проекта во многом зависит от правильности составления этого плана. План представляет собой поэтапное изложение порядка работы над имитационным проектом с указанием сроков выполнения.

Можно выделить следующие основные роли в имитационном проекте:

1. Клиент, или заказчик имитационного проекта, – лицо, имеющее реальную проблему, которую необходимо решать с помощью метода имитационного моделирования.

2. Менеджер проекта – ответственный за организацию выполнения проекта. Может не иметь навыков разработки имитационной модели вообще.

3. Разработчик модели – специалист по имитационному моделированию, выполняющий программирование модели и участвующий в разработке концептуальной модели.

4. Пользователь модели – специалист на предприятии, проводящий эксперименты с моделью.

5. «Поставщик данных» – эксперт, предоставляющий информацию для моделирования.

6. Лица, участвующие в опросе. Широкая группа людей, опросив которую можно получить информацию для моделирования [191].

Встречи для обсуждения имитационного проекта проводят в различных форматах на регулярной основе среди участников имитационного проекта: в виде совещания, видеоконференции, по телефону или по е-mail.

Среднее время разработки имитационного проекта сложно оценить, так как оно зависит от многих факторов: сложности имитационной модели, имеющегося у заказчика времени на выполнение проекта (основной фактор, определяющий время, отводимое на моделирование) и др. Можно выделить следующие шкалы среднего времени, отводимого на моделирование: 1) имитационные проекты, длящиеся одну неделю или меньше; 2) проекты, выполняемые от недели до месяца; 3) наиболее частые проекты – от 1 до 3 месяцев; 4) проекты – от 3 до 6 месяцев; 5) более крупные проекты длительностью более 6 месяцев [7].

Время, отводимое на каждый этап разработки имитационного проекта: предпроектное исследование объекта моделирования – 15 %, разработка концептуальной модели – 25 %, разработка модели в программной среде – 30 %, планирование и проведение экспериментов с работающей моделью – 15 %, анализ результатов моделирования – 10 %, документирование модели и ввод ее в эксплуатацию – 5 %. Этапы «Предпроектное исследование объекта моделирования» и «Разработка концептуальной модели» затратны по времени, именно они в большинстве своем определяют точность и качество всего имитационного проекта.

Предприятие находится в постоянном взаимодействии с окружающей средой, в результате которого оно получает ресурсы в необходимом количестве [54]. Главной задачей, стоящей перед предприятием в этом случае, является организация такого взаимодействия, которое позволило бы ему эффективно осуществлять свою деятельность в этой среде. К основным объектам внешней среды предприятия относят потребителей, поставщиков, конкурентов, законодательство, технологии и др. На данном этапе их в первую очередь и необходимо проанализировать.

Выбор моделируемого направления деятельности осуществляется согласно п. 1.7:

• имитационное моделирование производственного процесса, проектирования и реинжиниринга;

• имитационное моделирование процессов планирования на предприятии (стратегического, тактического, оперативного), принятия решений и контроля;

• имитационное моделирование процессов маркетинга на предприятии;

• имитационное моделирование взаимодействия предприятия с внешней средой;

• имитационное моделирование финансовых процессов на предприятии;

• имитационное моделирование действий персонала на предприятии [3, 18, 24, 82, 86, 104, 111].

Следует заметить, что этими направлениями деятельности применение метода имитационного моделирования для поддержки процессов планирования на промышленном предприятии не ограничивается. С каждым годом сфера применения этого метода постоянно расширяется, усовершенствуются методы и подходы к моделированию, упрощаются и улучшаются программные продукты для имитации.

Формулирование проблемы – один из самых сложных этапов имитационного моделирования. Именно он определяет ход выполнения всего имитационного проекта и предполагает более тесное сотрудничество с заказчиком модели [78]. Умение правильно поставить проблему – необходимая предпосылка для ее успешного решения. Чтобы правильно поставить задачу имитационного моделирования, разработчик должен провести всестороннее изучение моделируемого объекта: основных его особенностей, представляющих интерес, главных проблем исследования. В рамках данного этапа формулируется вопрос, выражающий основной смысл проблемы, обосновывается его правильность и важность, а также предварительно формулируются задачи, последовательность их решения и методы, которые будут применяться в имитационном моделировании.