ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА

Южный федеральный университет

Факультет высоких технологий

Кафедра «Системный анализ и управление»

МОДЕЛИ ИНЖЕНЕРНОГО МЕНЕДЖМЕНТА

В ПРОЕКТИРОВАНИИ И ПРОИЗВОДСТВЕ

ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА

Автореферат

диссертации на соискание степени магистра техники и технологий

по направлению 220100 – Системный анализ и управление

Автор диссертации: Бородулина Екатерина Николаевна

(ф.и.о. полностью, подпись)

Научный руководитель работы: доцент, к.т.н., Корохова Е.В. .

(должность, звание, фамилия и.о., подпись)

Ростов-на-Дону

В настоящее время все мировое пространство охватывает процесс глобализации, который сопровождается укрупнением и усложнением связей и взаимодействующих элементов. В связи с этим приоритетными направлениями деятельности организационных структур стали повышение качества управления и улучшение показателей функционирования как организационных, экономических, так и технических систем.

ЗАО «ИФ «Орион-ХИТ» и ООО «ОЗ «Элиак» осуществляют полный цикл работ по производству и проектированию химических источников тока специального назначения для космической, оборонной и других отраслей и относятся к наукоемким предприятиям.

В сфере наукоемких производств определилась основная задача - разработка и совершенствование систем и моделей менеджмента, которые позволяют наблюдать за происходящими явлениями и качественно управлять процессами, подвергающимися изменениям.

В то же время непрерывно существующая конкуренция добавила свои требования к такому классу систем и моделей, которые постоянно ужесточаются в связи с существенным и непрерывным возрастание личных, производственных, общественных потребностей, возрастанием роли и темпов научно-технического прогресса, совершенствованием услуг, конструкций выпускаемых товаров, ужесточением показателей качества и требований к интенсификации продукции .

Так, технологии менеджмента должны не только выполнять функции качественного управления, которое предполагает избежание кризисных и рискованных ситуаций, выход из ситуаций, связанных с появлением неопределенных факторов, но и повышать эффективность бизнес-процессов, конкурентоспособность изделия за счет улучшения качества, сокращения затрат и доли брака, увеличения прибыли и количества заказов.

Таким образом, разработка комплексной системы, опирающейся на модели инженерного менеджмента и осуществляющей функции контроля, анализа, управления, оптимизации, планирования, проектирования и составления отчетности, в рамках сопровождения жизненного цикла изделия становится актуальной задачей .

Степень разработанности проблемы.Важность и эффективность внедрения на предприятие систем информационной поддержки процессов жизненного цикла изделия, концепции их разработки, особенности определенных подклассов, существующие проблемы и методы их устранения рассмотрены в научных и практических трудах многих российских и зарубежных ученых и практиков: Норенков И. Б., Кузьмик Б. К., Тихонова А. Н., Полянскова Ю. В., Левин А. И., Судов Е. В., Давыдов А. Н., Барабанов В. В., Свирин В.И., Дмитров В.И., Макаренков Ю.М., Ковалев С. В., Шильников П.С., Овсянников М.В., Шульга С.С., Глущенко Ю.В., Шалумов А.С., Никишкин С.И., Носков В.Н., Маклаков С. В., Орлик С. Т., Колчин А.Ф., Овсянников М.В., Стрекалов А.Ф., Сумароков С.В., Кривошеев И.А., Яруллин Т.Р., Сапожников А.В., Павлов В.В., Каневский В.Е., Сидорин В.В., Александров А.А., Рыбин М.А., Сорокина О.М., Надеев А.И., Попова А.И., Сурина А.В., Свечников Ю.К., Бром А.Е., Шутеев В.А., Силуянова М. В., Анисимов А. Ю., Кормашов М.С., Мисевич П.В., Утросин В.В., Елтышев Д.К., Петроченков А.Б., Гладков В.К., Сушков А.С., Сушков С.И., Яковлев К.А., Глущенко Ю.В., Кабанов Д.П., Попов Е.В., Бром А.Е., Тарасов А.П. и других.

Инженерный менеджмент, занимающийся решением вышеуказанных задач, в России чаще называемый программной инженерией, не смотря на существенную разницу, является развивающимся направлением. Основные труды в этой области принадлежат специалисту Барышникову М. Ю.

В Российской Федерации разработаны соответствующие стандарты: ГОСТ Р 52611-2006 «Системы промышленной автоматизации и их интеграция. Средства информационной поддержки жизненного цикла продукции. Безопасность информации. Основные положения и общие требования», ГОСТ Р 50.1.031-2001 «Информационные технологии поддержки жизненного цикла продукции. Терминологический словарь. Часть 1. Стадии жизненного цикла продукции», ГОСТ Р 50.1.032-2001 «Терминологический словарь. Часть 2. Применение стандартов серии ГОСТ Р ИСО 10303»,
ГОСТ Р ИСО 10303, приказ РФ от 27.01.2004 N 79 «О создании технического комитета по стандартизации «Информационная поддержка жизненного цикла изделий»; существуют центры, занимающиеся разработкой систем и технологий информационной поддержки жизненного цикла изделий: НИЦ CALS-технологий «Прикладная логистика»; имеют лицензию и сертификат следующие системы: АСОНИКА, ATLAS, LSA Suite, PDM STEP Suite, САПР-Альфа.

Однако, несмотря на огромную важность и повышенный интерес к системам информационной поддержки жизненного цикла изделия на российском рынке их недостаточно, а существующие узко специализированы.

Целью квалификационной работы являетсяповышение эффективности проектирования и производства химических источников тока путем разработки системы информационной поддержки изделий, позволяющей на основе моделей инженерного менеджмента решать задачи управления наукоемким предприятием.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

- системный анализ деятельности предприятия и его основных процессов;

- анализ российского рынка систем информационной поддержки жизненного цикла изделия (CALS-Continuous Acquisition and Lifecycle Support, ИПИ);

- разработка структуры CALS-системы для информационной поддержки управления процессами проектирования и производства ХИТ;

- разработка модели жизненного цикла ХИТ;

- разработка модели материально-технического снабжения предприятия;

- создание базы данных материально-технического снабжения комплекса, включающего проектирование и производство ХИТ;

- разработка модели оптимального комплектования ХИТ;

- оценка экономической эффективности внедрения ИПИ-системы.

Объектом исследования являются ИПИ-система и модели инженерного менеджмента предприятия.

Предметом исследования являются методы системного анализа и принятия решений, оптимизации, поддержки и принятия решений.

Теоретико-методологическую базу исследования составили системный анализ, теория принятия решений и исследования операций, методы управления запасами, теория организации баз данных, теория моделирования, методы анализа и управления, объектно-ориентированный подход, подходы к анализу систем, концепция CALS.

Информационной базой исследования явились материалы Министерства образования и науки, Министерства промышленности и торговли, Министерства обороны, Министерства науки и технологий, опубликованные в официальных изданиях и представленные на официальных сайтах, данные исследований отечественных и зарубежных ученых, материалы научно-практических конференций, собственные расчеты соискателя.

Нормативно-правовую базу исследования составили стандарты: ГОСТ Р 52611-2006 «Системы промышленной автоматизации и их интеграция. Средства информационной поддержки жизненного цикла продукции. Безопасность информации. Основные положения и общие требования», ГОСТ Р 50.1.031-2001 «Информационные технологии поддержки жизненного цикла продукции. Терминологический словарь. Часть 1. Стадии жизненного цикла продукции», ГОСТ Р 50.1.032-2001 «Терминологический словарь. Часть 2. Применение стандартов серии ГОСТ Р ИСО 10303»,
ГОСТ Р ИСО 10303, приказ РФ от 27.01.2004 N 79 «О создании технического комитета по стандартизации «Информационная поддержка жизненного цикла изделий».

Научная новизна исследования состоит в следующем:

- предложена структура системы непрерывной информационной поддержки процессов научно-исследовательского опытно-конструкторского производственного комплекса, основанная на концепции CALS, включающая множество моделей, описывающих ХИТ на этапах жизненного цикла и обеспечивающая эффективное управление проектированием и производством наукоемкой продукции;

- разработана концептуальная модель системы информационной поддержки жизненного цикла ХИТ, представленная в виде совокупности диаграмм вариантов использования, функционально-целевых классов, служащая основой для проектирования программного обеспечения системы;

- предложено решение задачи оптимальной комплектации на основе модели селективной сборки многокомпонентных изделий, обеспечивающей производство максимально возможного количества изделий при условии удовлетворения требований заказчика и установленных технологических и экономических ограничений, базирующейся на эволюционном подходе к поиску наилучшего решения.

Практические результаты исследования:

- проведен системный анализ деятельности комплекса и его основных процессов, выявлены проблемы и пути их решения;

- проведен анализ российского рынка программного обеспечения и осуществлен выбор компоненты проектируемой системы информационной поддержки жизненного цикла изделия;

- разработана модель жизненного цикла химических источников тока;

- решена задача материально-технического снабжения для предприятия с вытягивающим типом производства;

- разработана база данных материально-технического снабжения для информационного обеспечения жизненного цикла ХИТ.

Апробация результатов исследования.

Результаты работы доложены и обсуждены на научной конференции. По результатам работы подготовлены к опубликованию материалы:

- статья «Модели инженерного менеджмента в проектировании и производстве химических источников тока» в сборнике материалов ежегодной научно-практической конференции студентов « Неделя науки ЮФУ»,
2012 г.;

- тезисы «Решение задачи оптимальной комплектации в производстве химических источников тока» на Всероссийскую научную конференцию молодых ученых, аспирантов, студентов, посвященную 60 – ю ТТИ ЮФУ,
2012 г.

Структура диссертацииобусловлена логикой и последовательностью задач исследования. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка литературы, приложения, 27 рисунка, 12 таблиц. Общий объем работы составляет 146 страницы текста.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показана степень научной разработанности рассматриваемой предметной области, определены цели и задачи исследования, указаны элементы научной новизны работы и ее практическая значимость.

В первой главепроведен системный анализ деятельности ИФ «Орион – ХИТ», представляющей научно-исследовательский опытно-конструкторский комплекс по созданию и производству первичных литиевых химических источников тока (ХИТ) с жидкими окислителями.

Представлены результаты анализа внутренней среды организации, проведенного путем построения диагностического профиля, выявлено, что проблемными сферами деятельности являются следующие:

- управление процессами предприятия в рамках улучшения организационного взаимодействия, в первую очередь, с ОЗ «Элиак», в особенности процессами материально-технического снабжения;

- производимые нововведения, в том числе технологические, а именно в процессах проектирования и производства химических источников тока, с целью повышения конкурентоспособности и возможного снижения себестоимости, что в дальнейшем позволит увеличить объем финансовых средств за счет полученной чистой прибыли;

- введение информационных систем, в особенности сбора и обработки информации с целью оперативного получения адекватных данных для проектирования и производства изделий и полного анализа и управления ими.

В результате отмечено, что особого внимания заслуживают процессы производства и проектирования химических источников тока.

В связи с этим построены соответствующие модели в терминах теории управления, отражающие существующую последовательность и взаимосвязь составляющих этапов.

Показано, что на этапе проектирования батарей и конструкторских разработок должно выполняться обеспечение требованиям.

Количественное определение их дано в системе стандартов - ГОСТ 28125-89.

Процесс производства представлен системой этапов, включающих входной контроль, проверку комплектности, сборку, выходной контроль.

Указано, что высокое качество изделия определяется не только высоким качеством элементов его составляющих, но и точным их подбором по характеристикам.

Кроме того, ИФ «Орион – ХИТ» относится к предприятиям наукоемкой отрасли, основная часть времени и затрат которых приходится на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, в данном случае на разработку технической документации, составление эскизов, макетов, чертежей ХИТ, приемлемой сборочной конструкции, изготовление и испытание опытного образца, подготовку производства для выпуска партии изделий.

Одним из главных признаков таких проектов является неопределенность получения положительного результата, а значит, имеет место риск, характеризующийся возможностью потерь. В связи с этим разработана система рисков и порождающих их факторов для всех областей влияния внутренней среды: информация, персонал, время, финансы, технологии.

Выявлено, что устранимые организацией риски связаны с информационной и технологической сферой, что в большей степени характерно для наукоемкой отрасли.

В соответствие с этим потенциальное развитие организации обуславливается введением таких методов управления и принятия решений, которые бы снизили существующие риски, и перспективным направлением является инженерный менеджмент, с помощью которого возможны разработка моделей управления запасами, проектирования и производства.

Показано, что модели могут быть интегрированы в единую многофункциональную информационную систему - систему информационной поддержки жизненного цикла изделия.

Данная технология использует единообразные способы управления процессами и взаимодействия всех участников этого цикла: заказчиков продукции, поставщиков, производителей продукции, персонала и позволяет достичь следующих эффектов:

- повысить качество изделий за счет более полного учета имеющейся информации при проектировании и принятии управленческих решений. Обоснованность решений будет выше, если участники процесса будут иметь оперативный доступ к информации, также это даст возможность оптимизировать планы работ, поставок, содержание заявок, затраты;

- сократить временные и материальные затраты на проектирование и изготовление продукции, ввиду наличия автоматизированных моделей жизненного цикла изделия.

Структура системы информационной поддержки жизненного цикла химических источников тока, базирующаяся на ранее перечисленных моделях инженерного менеджмента, представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структура системы информационной поддержки жизненного цикла химических источников тока

Во второй главерассмотрены концептуальные основы ИПИ - технологий, проведен анализ российского рынка основанных на этом систем.

В настоящее время российский рынок ИПИ-систем и технологий не имеет столь больших масштабов, как западный, откуда пошло развитие данного средства. Количество сертифицированных инструментов, которые имеют признание у потребителей не велико: АСОНИКА, ATLAS (Aircraft Technical LogBook and Analysis System), PDM STEP Suite, LSA Suite, САПР Альфа. Однако, каждая система имеет свои особенности, функциональные возможности и может применяться в конкретной сфере, для которой была разработана. В связи с этим анализ произведен по таким показателям:

- комплексность (учет всего жизненного цикла изделия);

- универсальность (возможность применения на уровне всей сферы деятельность);

- функциональность (выполнение полного спектра задач получения, обработки, хранения, анализа данных, управления, контроля, процессов и ресурсов, составления моделей);

- интеграция с другими системами управления ERP/CAD/CAE/MRP;

- гибкость (возможность настройки системы под конкретное предприятие);

- безопасность (защищенность от несанкционированного доступа);

- всеситуационность (возможность действия в любой ситуации, даже чрезвычайной);

- оперативность (возможность своевременно реагировать на изменения);

- эффективность включает продуктивность (оценка степени достижения системой поставленных целей), экономичность (оценка степени использования системой необходимых ресурсов), эффективность (соотношение между уровнем продуктивности и расходов по их достижению), качество (полнота решения задач) (таблица 1).

Таблица 1 - Анализ российского рынка ИПИ-систем

Критерий	АСОНИКА	ATLAS	PDM STEP Suite	LMA Suite	САПР Альфа
Комплексность
Универсальность
Функциональность	7,5
Интеграция с СУ
Гибкость
Безопасность
Всеситуационность
Оперативность
Продуктивность
Экономичность
Эффективность
Качество

Выявлено, что только PDM STEP Suite обеспечивает интеграцию с другими системами управления и соответственно является лучшей по выбранным критериям ИПИ - системой.

С учетом полученных результатов, проведено концептуальное конструирование ИПИ – системы ХИТ в среде StarUML, представляющее разработку минимальной совокупности необходимых и достаточных диаграмм для определения базового инварианта архитектуры, позволяющего проводить исследования в рамках статистической структуры.

При построении диаграммы функционально - целевых классов предварительно определена иерархия целей:

- основная цель – целеполагаемая задача – повышение эффективности управления процессами жизненного цикла литиевых батарей;

– локальные цели – целедостигаемые задачи:

- повышение эффективности управления материально-техническим снабжением;

- повышение эффективности управления проектированием литиевых батарей;

- повышение эффективности управления производством литиевых батарей.

– локальные задачи:

- разработка базы данных;

- разработка модели материально-технического снабжения;

- разработка модели оптимального комплектования литиевых элементов;

- разработка модели сборки литиевых батарей. (рисунок 2).

Рисунок 2 – Диаграмма функционально – целевых классов системы информационной поддержки жизненного цикла химических источников тока

Построена матрица ответственностей (таблица 2).

Таблица 2 - Модели инженерного менеджмента

Процесс жизненного цикла ХИТ	Модель инженерного менеджмента	Используемые средства
Планирование производства ХИТ	База данных МТС	Система PDM Step Suite ( в которую загружаются модели жизненного цикла)
Материальное - техническое обеспечение	Модель материально-технического снабжения
Проектирование литиевых батарей	Модель оптимальной комплектации химических элементов
Производство литиевых батарей
Реализация и распределение продукции	База данных

В результате установлено, что система информационной поддержки жизненного цикла химических источников тока должна выполнять следующие функции, чтобы соответствовать требованиям, предъявленным к ней:

-решать задачи материально-технического обеспечения и хранения;

- осуществлять составление заказов и продажи;

- выполнять проектирование литиевых элементов и батарей, соблюдая требования клиента и эксплуатационные особенности;

- осуществлять мониторинг контролировать и управлять процессами жизненного цикла изделия;

- составлять отчеты.

На основе данной информации разработана и количественно оценена диаграмма функциональных требований.

В конечном счете, создана и оценена логическая модель внутренней среды ИПИ – системы.

Кроме того, при разработке любой системы, и в особенности системы информационной поддержки жизненного цикла важно знать поведение объекта, который проходит определенные состояния, отвечая на события и реагируя на команды. Последовательность таких событий составляет деятельность - динамический аспект, который в работе представлен моделью жизненного цикла химических источников тока, разработанной на основе теории автоматов.

В третьей главепредставлены результаты разработки моделей инженерного менеджмента.

Так, предварительно в сфере логистики выявлена проблема обработки и управления информацией о потоках материальных ресурсов. При этом факторами, осложняющими организацию снабжения, стали следующие:

- нелинейный характер потребностей средств производства, который обосновывается стохастичностью поступления заказов и прямой зависимостью от сроков проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ввиду индивидуальности заказов и мелкосерийности продукции;

- прямая зависимость поставок от ограничений производственных мощностей поставщика.

Представленные признаки соотносимы с характеристиками высокотехнологичной организации, которой и является описываемый комплекс.

Последствиями организации материально – технического снабжения ИФ «Орион - ХИТ» кроме организационных, таких как сбои в производстве и простои, стали и материальные:

— административные расходы на разрешение рисковой ситуации и изменение производственных графиков;

— оплата простоев основным производственным работникам или изменение тарифов оплаты труда;

— затраты, связанных с запасами, хранением избыточного количества элементов, с задержкой доставки при дефиците сырья.

Устранение выявленных недостатков свелось к внедрению следующих положений:

- концепции «точно в срок», ориентированной на спрос, который является основой для корректировки плана снабжения;

- организации «вытягивающей системы» для управления производством, в котором объем партии ограничен (рисунок 3).

Рисунок 3 – Схема «вытягивающей» системы производственной логики с производством «точно в срок»

В соответствие с данной схемой создана программа, при реализации которой обеспечивается полное и своевременное удовлетворение спроса на продукцию, с учетом существующих ограничений на поставку и минимальности материальных затрат. Решение данной задачи проводилось в два этапа:

- теоретический поиск параметров стратегии управления запасами;

- практическая реализация модели управления запасами в среде MS Excel.

Таким образом, предложенная модель управления запасами явилась более эффективной, поскольку не допускает неудовлетворенного спроса и при этом учитывает ограничения производственных мощностей химических элементов, возможные потери, связанные с некомплектностью батареи и хранением на складе.

Решена задача оптимального комплектования элементов путем выбора методов на каждом этапе и представления в виде модели (рисунок 4)

Рисунок 4 – Модель процесса селективной сборки

Предложен смешанный алгоритм поиска оптимального решения, предполагающего производство максимального количества батарей при их ограничениях по массе и размеру (рисунок 5).

Рисунок 5 – Смешанный алгоритм поиск оптимального решения

На основе данной модели возможно решение задачи оптимального комплектования с наименьшими затратами при высоком качестве изделия, удовлетворяя требования клиента, соответствуя нормам и стандартам

ИФ «Орион» выполняет спектр задач, связанных с использованием точных адекватных данных, необходимых для устойчивого технологического процесса, таких как:

- количество поступивших элементов;

- сроки поступления элементов;

- количество батарей, которое необходимо произвести;

- сроки выполнения заказа на батареи;

- информация о диаметре полученного элемента;

- информация о массе полученного элемента;

- информация о требованиях заказчика

Для этого разработана база данных для интегрального использования логистическим, проектировочным и производственным отделом, представлена структура и схема данных, сконструированы соответствующие таблицы, запросы, отчеты, формы для работы с таблицами и ввода данных.

Таблица 3 – Схема базы данных МТС

Созданная база данных позволяет для данного предприятия выполнить следующее:

- устранить разногласия в наименовании элементов, за счет дополнительных данных о синонимичных названиях;

- сократить затраты, за счет организации решения на ее основе задачи материально-технического снабжения;

- обеспечить данные об элементах для этапа комплектования;

а также в общем добиться эффектов:

- получить больше полезной информации при том же объеме хранимых данных, за счет формулирования запросов, составления отчетов;

- повысить скорость производства, за счет автоматизации поиска и выдачи информации;

- автоматически обновлять данные, поддерживать целостность, упорядочивать и обрабатывать информацию;

- повысить безопасность хранимых данных от несанкционированного доступа.

Таким образом, разработанная база данных обладает гибкостью, практичностью, открытостью к дополнениям и надстройкам, проста в сопровождении и является необходимой для решения, касающиеся деятельности предприятия вышеуказанных проблем.

В четвертой главеоценена экономическая эффективность системы информационной поддержки жизненного цикл химических источников тока. Для этого выбран приемлемый подход - качественный, обеспечивающий быстрый, комплексный, анализ всех аспектов. При этом методом, его реализующим, целесообразно выбрать BITS, используемый для предприятий, основные бизнес-процессы которых зависят от информационной составляющей, которым и является ИФ «Орион».В связи с этим проведена экспертная оценка планируемого состояния деятельности

Таким образом, показано, что система является эффективной, позволяет достичь главной цели по управлению процессами жизненного цикла изделия и приводит к высоким положительным результатам в решении локальных задач

Таблица 12 – Показатели эффективности внедрения ИПИ – системы в научно-исследовательский опытно-конструкторский производственный комплекс

Показатели эффективности для задач	Значение, %
1. Обеспечение точной, адекватной, достоверной информацией
Повышение оперативности и актуальности информации
Повышение качества информации (точности, детальности, объективности)
Сокращение сроков решения задач и принятия решений
Углубление анализа, получение новых аналитических возможностей
Снижение количества времени на подготовку отчетов
Повышение доступности и открытости информации
Повышение информационной безопасности
2.Материально-техническое обеспечение
Повышение качества обслуживания клиента и процента удержания старых заказчиков
Сокращение запасов на складах
Снижение процента простоев из-за несвоевременной поставки
Сокращение времени на проблемы учета поступившей партии
Усиление контроля, предотвращение хищений
3. Производственные задачи
Повышение качества труда за счет сокращения рутинных операций
Повышение квалификации сотрудников при внедрение новой технологии
Совершенствование работы аппарата управления
Улучшение организации производства
Повышение производительности труда
Повышение технологического уровня предприятия

В работе достигнута поставленная цель - обеспечено повышение эффективности управления деятельностью ИФ «Орион – ХИТ» на основе разработки системы информационной поддержки жизненного цикл химических источников тока, позволяющей управлять основными производственными процессами путем использования моделей инженерного менеджмента.

Для этого в работе произведен системный анализ деятельности организации по изготовлению химических источников тока ИФ «Орион – ХИТ», анализ проблем в процессах проектирования и производства изделий

Осуществлен обзор и экспертная оценка российского рынка сертифицированных ИПИ – систем, разработана структура системы информационной поддержки жизненного цикла химических источников тока, модель функциональных требований, матрица ответственностей. Создана модель жизненного цикла изделия с использованием языка UML в среде StarUML.

Решена задача управления запасами для «вытягивающего» производства на основе концепции «точно в срок», предложена модель процесса проектирования химических батарей, принцип и алгоритм ее реализации, базирующийся на генетическом и эволюционном подходах, разработана база данных для интегрированного использования логистическим и проектировочным отделом.

Произведена оценка экономической эффективности внедрения системы информационной поддержки жизненного цикла химических источников тока.