Разработка и анализ математических моделей и алгоритмов оперативно-календарного планирования фармацевтического производства

В конце 90-х годов прошлого столетия в России плановая экономика сменилась рыночной. В результате экономической реформы предприятия России стремительно переместились из дефицитного рынка в конкурентный рынок, причем конкурировать пришлось с мировыми производителями, у которых соотношение цена/качество было предпочтительнее [3].

В решающей степени слабая конкурентоспособность российских предприятий объясняется внутренними факторами: уровнем технологий, состоянием организации производства, совершенством управления предприятием. Состояние этих факторов на отечественных предприятиях определяет высокий уровень затрат на производство, низкое качество выпускаемой продукции, негибкость взаимодействия с потребителями [9, 33], что в конечном счете обуславливает низкий спрос на продукцию, неудовлетворенность потребителей и проигрыш в конкурентной борьбе с иностранными компаниями.

Не является исключением и фармацевтическая индустрия. По данным отраслевого агентства RMBC (www.rmbc.ru) в конце 90-х годов доля иностранных производителей составляла 55−60% отечественного рынка лекарственных средств. Эта доля постоянно растет и к первому полугодию 2003 г. доля иностранных производителей достигла 68% [17].

В современных российских условиях нет серьезных возможностей для объемных инвестиций, поэтому первые шаги по исправлению сложившейся негативной тенденции приходится делать на базе уже существующих технологий и оптимизировать две другие составляющие деятельности: организацию и управление предприятием. Для этого у руководителей российских предприятий есть необходимые условия: теория организации и управления предприятием, а также теория производственного менеджмента в данный момент достаточно развиты.

Вслед за своими западными коллегами российские руководители все чаще осознают необходимость внедрения на предприятиях систем класса MRPII. Эти системы представляют собой интегрированные информационные системы управления. Использование таких систем позволяет достичь конкурентных преимуществ за счет оптимизации бизнес-процессов и материально-финансовых потоков на основе планирования и контроля всей деятельности предприятия, что в итоге приводит к снижению себестоимости, повышению качества выпускаемой продукции, улучшению обслуживания клиентов и заказчиков за счет полного и своевременного исполнения поставок [6]. Системы MRPII являются, таким образом, мощным инструментом бизнеса и средством выживания в нелегких рыночных условиях.

Одной из важнейших составляющих процесса управления с помощью систем MRPII является оперативно-календарное планирование (ОКП) производства, представляющее собой формирование оперативных пооперационных производственных планов цеха на планируемый период [66]. Задачи ОКП в математическом отношении являются НП-трудными (задачи с нелинейной полиномиальной оценкой числа итераций), то есть время, затрачиваемое на решение, растет экспоненциально с ростом размерности задачи. Поэтому усилия исследователей были сосредоточены на разработке эвристических алгоритмов, предназначенных для решения различных задач планирования производственных ресурсов [123]. В последние десятилетия были достигнуты значительные результаты в разработке таких методов, однако подавляющее большинство работ явно или неявно были направлены на исследования методов ОКП дискретных производств [4, 10, 61]. Если в исследованиях и уделялось внимание планированию процессных (непрерывных) производств, к которым относится и фармацевтическая промышленность, то только в плане адаптации методов планирования дискретных производств [100].

Кроме того, изначально в этих алгоритмах время выполнения операций и другие параметры рассматривались как четкие числа, то есть совре5 менные системы производственного планирования основаны на принципе жесткого количественного определения целей и входных параметров. Практическая реализация этого принципа в реальных производственных системах весьма слаба, так как конкретные цели и условия производства зачастую не могут быть точно определены, то есть являются нечеткими [95]. Так как важнейшим вопросом управления является вопрос — до какой степени достигаются намеченные цели, то для решения задач производственного планирования правильней было бы использовать математический аппарат нечетких множеств. К этому в последнее время склоняются многие исследователи планирования производственных ресурсов (см., например, обзор [99]), но за редкими исключениями ([81]) эти исследования носили чисто теоретический характер, и об их применении на практике не сообщалось.

Внедрение на Томском химико-фармацевтическом заводе (ТХФЗ) системы класса MRPII InfonCOM (подробно об этой системе см. в разделе II.1) показало, что особенности процессного производства, а также нечеткость некоторых целей и параметров планирования, которые, в общем, присущи и дискретному производству, сильно влияют на постановку и решение задачи ОКП. Стандартные методы, заложенные в системы MRPII, в т. ч. и в Infor: COM, оказались неспособными решить задачу ОКП производства ТХФЗ на более или менее приемлемом уровне. Также во всех известных автору современных системах класса MRPII отсутствует возможность планирования с учетом нечеткости задания параметров и целей, что тоже затрудняет использование этих систем на практике. Неадекватность практического использования «четких» систем отмечают многие исследователи — см., например, [128]. Поэтому есть насущная необходимость в разработке методов ОКП, специально предназначенных для фармацевтических производств, учитывающих нечеткий характер целей и параметров планирования.

Объектом исследования в данной работе является система оперативно-календарного планирования фармацевтического производства, возможности ее усовершенствования с учетом особенностей фармацевтического производства и нечеткого характера целей и параметров планирования.

Предмет исследования — оперативные календарные планы фармацевтического производства.

Целью работы является разработка математических моделей и алгоритмов оперативно-календарного планирования, специально предназначенных для фармацевтических производств, учитывающих нечеткость целей и параметров планирования, а также апробация разработанных моделей и алгоритмов в условиях реального производства.

Для достижения поставленной цели в работе использовались следующие методы исследования: профессионально-логический анализ особенностей фармацевтического производства и соответствующих особенностей процесса составления оперативно-календарного планов, математическое моделирование системы построения оперативно-календарных планов, методы исследования операций, методы теории нечетких множеств.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. Предложено использовать математический аппарат нечетких множеств для более адекватного формализованного описания и математической постановки задач ОКП фармацевтического производства.

2. Построена оригинальная математическая модель ОКП фармацевтического производства.

3. Разработаны эффективные алгоритмы ОКП, учитывающие неопределенность параметров и целей планирования.

Практическая значимость исследования состоит в том, что в ходе работы была создана автоматизированная система построения оперативно-календарных планов для ПЭВМ. В системе можно задавать параметры планирования, что позволяет строить любые оперативно-календарные планы фармацевтического производства. Длительность производственных процессов и требуемые времена выполнения можно задавать в нечетком виде, что позволяет получать более гибкие графики с учетом нечеткого характера це7 лей и параметров. Результаты исследования внедрены на Томском химфарм-заводе.

Разработанные алгоритмы могут оказаться полезными и при построении оперативно-календарных планов дискретных производств, например, в машиностроении. Вопрос применения разработанных в ходе работы моделей и алгоритмов в других производственных средах (не фармацевтике) требует дополнительных исследований.

Структура диссертационной работы.

В главе I проведен анализ различных видов производственных систем, особенностей фармацевтического производства и его оперативно-календарного планирования. Построена математическая модель, учитывающая характеристики современного фармацевтического производства.

В главе II исследованы существующие методы ОКП, применяемые для планирования фармацевтического производства. Обоснован выбор эвристического правила EDD [123] для планирования в четких условиях и метода, предложенного Самиром Аллетом [81], для планирования в нечетких условиях.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Проведен анализ различных видов производственных систем, показаны особенности оперативно-календарного планирования (ОКП) современного фармацевтического производства. Выявлено, что в современных условиях наиболее важной целью ОКП фармацевтического производства является максимальное удовлетворение потребителей, которое обеспечивается наилучшим качеством продукции и выполнением заказов в установленные сроки, причем эти параметры не поддаются точному количественному анализу. Соподчиненной целью является уменьшение времени межоперационного пролеживания.

2. Предложено использовать математический аппарат нечетких множеств для более адекватного формализованного описания и математической постановки задач ОКП фармацевтического производства, а именно для оценки качества продукции, оценки удовлетворенности временем окончания работ, определения допустимости производственного графика, определения критерия эффективности решения задач ОКП.

3. Построена математическая модель ОКП фармацевтического производства, учитывающая современные требования к ОКП фармацевтического производства, а также нечеткий характер целей и параметров планирования.

4. Разработан алгоритм ОКП по схеме метода ветвей и границ, позволяющий получать минимальное время межоперационного пролеживания, не превышая при этом требуемые времена окончания работ.

5. На основе анализа результатов работы алгоритма по схеме метода ветвей и границ разработана модификация эвристического правила EDD применительно к поставленной задаче ОКП, которая позволила получить такие же результаты, как и при планировании с помощью алгоритма по схеме метода ветвей и границ, но с гораздо меньшими затратами вычислительных ресурсов.

6. Разработана модификация метода учета неопределенностей ОКП фармацевтического производства, предложенного Самиром Аллетом, позволяющая в несколько раз повысить значение критерия эффективности решения задач ОКП.

7. Разработан алгоритм по схеме модифицированного метода Сами-ра Аллета применительно к поставленной задаче ОКП.

8. Разработанные алгоритмы программно реализованы, экспериментально апробированы, что позволило осуществить оценку разработанных алгоритмов с точки зрения эффективности решения задач ОКП фармацевтического производства.

9. Создано программное обеспечение для решения задач ОКП фармацевтического производства, внедренное на Томском Химфармзаводе и используемое в практической деятельности предприятия для оперативно-календарного планирования в составе системы планирования производственных ресурсов MRPII.