Автоматизация технологических процессов производства работ на протяженных автодорожных объектах

Организационный и технологический уровень строительных и монтажных работ при создании протяженных автомобильно-дорожных объектов (ПАДО) различного назначения определяется в первую очередь уровнем автоматизации технологических процессов и производств, концентрацией и технологической специализацией строительных организаций, организационной и технологической подготовкой строительного производства, оперативно-диспетчерским управлением ходом строительства [1].

Перечисленные мероприятия способствуют интенсификации производства, снижению затрат на строительство и монтаж, обеспечивая значительный экономический эффект. Однако еще больший эффект может быть получен в результате комплексной автоматизации строительства — при представлении процессов производства строительных материалов и деталей, их транспортирования на объекты и организации работ по их использованию непосредственно на объектах — в виде единой цепи взаимосвязанных подсистем. Необходимость и эффективность автоматизации технологических процессов строительства автодорожных объектов, в том числе городских магистралей, транспортных развязок, путепроводов и т. п. не вызывает сомнения [2].

Современные системы менеджмента качества для предприятий промышленного комплекса, обеспечивающих производство протяженных автодорожных объектов (ПАДО) дают стратегическую цель и планирование, концентрацию усилий на наиболее существенном, уменьшение «холостых усилий», улучшение реализации целей предприятий, а также улучшение информационных потоков, снижение проблем в коммуникации, концентрацию информации, повышение наглядности административных процессов, совершенствование общего менеджмента.

В достижении качества весьма эффективен переход от контроля к обеспечению: Наилучшие достижения в этой области реализуются в «высоких технологиях», где измерения и контроль проводятся на начальных и основных этапах производства, что создает — обеспечивает качество. Развитие этого подхода резко снижает брак и на приемочный (выходной) контроль остается как функция не отбраковки, а подтверждения качества. Именно эта методология наиболее эффективна для дорожного хозяйства.

Переход от контроля качества к его обеспечению возможен на основе комплексного анализа качества в дорожном хозяйстве, выделения ключевых направлений деятельности, приоритетов и планирования целевых мероприятий, в том числе, обеспечение информационной поддержки систем менеджмента качества с применением РЭМ — систем (систем управления данными о создаваемом объекте).

Такой подход позволит существенно повысить прозрачность механизма деятельности дорожного хозяйства, оценить его эффективность на основе показателей, связанных с транспортно-эксплуатационным состоянием сети автомобильных дорог. Внедрение в дорожном хозяйстве современных методологий качества должно стать приоритетной задачей.

В производственной деятельности повышение эффективности реально достижимо за счет внедрения систем менеджмента качества (СМК), интеграции СМК с общим менеджментом и администрированием, развитием компьютерных сетей и, в том числе, с применением САЬ8(ИПИ)-технологий (технологии информационной поддержки жизненного цикла изделий).

При этом использование методов и средств автоматизации повышает требования" и к самим участникам процесса создания объекта, заставляя пересмотреть устаревшие методы организации работ, стремясь к системности и эффективности частных инженерных решений, более полному использованию резервов роста технического уровня и надежности работ.

Создание методов и средств автоматизации технологических процессов организации и управления процессами работ по созданию ПАДО в виде взаимосвязанного комплекса задач производства, транспортировки и использования на автодорожных объектах материалов и комплектующих изделий является актуальной задачей. Создание методов и средств автоматизации технологических процессов организации и управления процессами работ по созданию ПАДО в виде взаимосвязанного комплекса задач производства, транспортировки и использования на ПАДО материалов и конструкционных изделий является актуальной задачей. Технологический процесс создания ПАДО является комплексным процессом, в который помимо собственно созидательных подпроцессов, непосредственно связанных с возведением и оборудованием такой транспортной развязки, входит и подпроцесс или система обеспечения технологии создания автодорожного объекта. Особое значение этой системы обусловлено тем, что от её работы зависят и качество объекта дорожного строительства (ОДС), и эффективность технологического процесса работ по созданию ПАДО, включая его ритмичность, а следовательно, и выполнение установленных сроков (как правило весьма сжатых в современных условиях).

Указанные обстоятельства предопределяют актуальность настоящей диссертационной работы, ориентированной на решение рассматриваемой проблемы автоматизации и повышения качества единого технологического процесса.

В качестве объекта исследования рассматривается технологический процесс в системе производства и обеспечения работ по созданию протяженных автодорожных объектов (СПР, СОР ПАДО). Производителем и поставщиком используемых материалов, изделий и конструкций выступают растворобетонные узлы, асфальтобетонные заводы и заводы железобетонных изделий (РБУ, АБЗ и ЗЖБИ) и т. п., а потребителем — организации, выполняющие работы по созданию и обеспечению качественного функционирования участка (линейного или транспортной развязки или моста) автодорожной магистрали с цементобетонным, асфальтобетонным или битумоминеральным покрытием.

Таким образом, в сформулированных условиях оказывается необходимым решение следующих задач: декомпозиция объекта исследования на функциональные подсистемы (ФПС), так как каждая подсистема характеризуется собственным набором параметров, что затрудняет процесс оптимизации параметров системы в целомразработка методики автоматизированного выбора параметров автодорожного объекта, как важный этап, предваряющий весь указанный выше единый технологический процесс создания ПАДОобоснование принципов оптимизации параметров ФПС СПР или СОР ПАДО в условиях многокритериальное&trade— разработка методов комплексной автоматизации технологических процессов поставки, транспортирования и, главное, использования материалов и изделий при создании объектовразработка методов, моделей и алгоритмов, обеспечивающих автоматизацию процессов и подпроцессов в системе организации работ и обеспечения создания ПАДОповышение эффективности и качества работ по созданию ПАДО и самих ПАДО за счёт применения РШИ-технологий для информационной поддержки систем менеджмента качества (СМК) ПАДО с использованием РБМ-систем (систем управления данными об объекте) — разработка информационной модели ПАДОразработка методов создания единого информационного пространства (ЕИП) для предприятий, обеспечивающих создание ПАДОреализация и экспериментальное исследование разработанных методов и алгоритмов автоматизации технологических процессов обеспечения создания отдельных участков автомагистрали.

В качестве теоретической основы для создания системы в условиях реального функционирования, многочисленных неопределенных факторов и неодинаковой степени информированности органов управления разных уровней использовалась общая теория иерархических многоуровневых систем. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались методы математического программирования и математической статистики, теории графов, теории нечетких множеств, теории марковских процессов, теории информации, общей теории систем.

Задача разработки средств анализа и синтеза параметров ПАДО, рассматриваемого как ОДС, весьма актуальна, так как обеспечивает выработку исходных данных, позволяющих осуществить качественное формулирование заказа на поставку комплектующих материалов, изделий, конструкций и т. д.

Разработке моделей и методов синтеза структуры и параметров СПР ПАДО посвящены работы [69,81,92,95]. В настоящее время возникла насущная необходимость в новых подходах и принципах организации технологических процессов создания ПАДО, связанных с реализацией, прежде всего, системного подхода, что предполагает решение следующих основных проблем:

1. Формирование совокупности целей и задач СПР ПАДО. Обоснованный выбор требований к системе.

2. Декомпозиция задачи системного синтеза структуры и параметров СПР ПАДО. Выбор критериев оптимизации.

3. Разработка комплекса оценочных моделей, адекватных выбранным критериям эффективности.

4. Повышение эффективности процедур синтеза структуры и параметров СПР ПАДО. Автоматизация процесса принятия решений.

5. Обеспечить всем участникам жизненного цикла ПАДО возможность использовать единую информационную модель объекта, причём так, чтобы они могли работать с одной и той же информацией и все применяемые в технологических процессах и процессах управления системы автоматизации имели возможность понимать эту информацию одинаково.

Процесс принятия решений при создании СПР ПАДО по существу реализует основные положения системного подхода [11].

Предметом исследования в настоящей работе является СПР ПАДО, а также процесс принятия решений при автоматизированном управлении технологическим процессом создания ПАДО.

Условно можно выделить три этапа процесса синтеза параметров, как процесса принятия решений: этап «внешнего» проектирования, этап «формирования облика» транспортной системы, этап «внутреннего» проектирования [5,12,21].

Проблема первого этапа заключается в анализе особенностей функционирования системы, реализации декомпозиционного подхода, позволяющего свести решение сложной задачи к некоторой последовательности более простых, постановке задачи синтеза параметров в векторной форме.

Этап «внутреннего» проектирования связан с построением частных моделей параметрической оптимизации СПР ПАДО заданной структуры в соответствии с выбранными на первом этапе критериями.

При «формировании облика» системы проблема заключается, прежде всего, в построении множества альтернативных вариантов проектируемой системы, удовлетворяющих требованиям «внешнего» проектирования и учитывающих возможности «внутреннего» проектирования.

Целью диссертационной работы является разработка моделей и методов автоматизации технологических процессов обеспечения и производства работ по созданию ПАДО (участков магистралей, транспортных развязок и пр.), обеспечивающих, в том числе, повышение качества объектов и позволяющих учесть взаимосвязь основных механизмов обеспечения автомобильно-дорожного развития в условиях многокритериальное&tradeи неопределенности ресурсных и критериальных ограничений.

Городские и междугородние магистрали, транспортные развязки, путепроводы, тоннели, мосты и другие автодорожные сооружения, как элементы развитой транспортной системы во многом идентичны коммуникационным системам, в связи с чем основные результаты, полученные по принципам создания и функционирования последних, вполне применимы и к транспортным системам и сетям.

В работах Глушкова В. М. [12], Девиса и Барбера [70,77], Таненбаума [101] и др. проанализированы основные функции коммуникационных систем, которые сводятся к реализации трех сетевых механизмов — механизма ограничения нагрузки, выбора маршрута и коммуникации.

В данной работе применительно к СПР ПАДО проводится следующая аналогия: ограничение нагрузки — механизм регулирования потоков грузов, обеспечивающий потребности ПАДО в необходимых механизмах, конструкциях и материалах и учитывающий простои и поломки автотранспортных средств, используемых для доставки грузоввыбор маршрута — механизм рационального выбора маршрута движения автотранспортных средств, который позволяет сократить время доставки грузов на ПАДОкоммуникация — механизм установления связей между парами отправитель груза (поставщик) — получатель груза (создаваемый участок ПАДО), а также механизм приема и распределения грузов на ПАДО.

Привлекательность и существующие проблемы реализации изаритмического метода ограничения нагрузки обсуждаются в [69,71,76,77, 92, 132]. Среди методов маршрутизации предпочтительнее выглядит дельта-маршрутизация [97], что имеет хорошую аналогию в автотранспортных системах, так как в них доставка грузов осуществляется исключительно дискретно. В целом, однако, можно отметить, что вопросы взаимосвязи, функциональной полноты и минимальности различных сетевых механизмов для транспортных сетей рассмотрены недостаточно.

Вопросы оптимизации, в том числе параметрической, обсуждаются во многих работах. Здесь, например, следует отметить работы Л. Клейнрока и Н. Герла [19,81,82], в которых в основном решены вопросы выбора пропускных способностей транспортных каналов с учетом маршрутизации.

Таким образом, можно констатировать, что вопросы параметрической оптимизации СПР (СОР) ПАДО на системном уровне решены в основном только для механизма маршрутизации. Системный подход предполагает совместное решение указанных задач, что приводит к необходимости решения одной из центральных проблем оптимизации — проблемы многокритериальное&trade-.

Проблеме многокритериальное&tradeпосвящено большое количество научной литературы, раскрывающей различные подходы к ее решению. Следует отметить работы В. В. Подиновского, В. М. Гаврилова, В. Д. Ногина [36,37], Дж. Ван Гига [И].

Среди множества подходов к решению проблемы многокритериальное&tradeнаиболее интересными представляются методы, основанные на идеях Парето [37,50].

В качестве теоретической основы для принятия решений в условиях, когда существует несовпадение интересов различных подсистем одной системы, в условиях неопределенных факторов и различной степени информированности о них органов управления разных уровней, может служить теория иерархических систем [24,26].

В целом можно отметить, что предлагаемые подходы и методы решения указанных проблем носят общий характер и не учитывают специфику рассматриваемого объекта, а именно СОР ПАДО.

В соответствии с вышеизложенным, для достижения поставленной цели необходимо решение следующих проблем:

— исследовать технологические процессы организации работ по созданию ПАДО, осуществить функциональную декомпозицию системы организации обеспечения работ по созданию ПАДО на взаимосвязанные подсистемы;

— разработать методику автоматизированного синтеза параметров СОР ПАДО в условиях многокритериальное&tradeи неопределенности;

— разработать систему и процедуру согласованного функционирования полученных функциональных подсистем;

— разработать комплекс моделей и методов выбора оптимальных параметров функциональных подсистем;

— разработать методику создания ЕИП для предприятий, участвующих в работах по созданию ПАДО;

— разработать методику использования систем управления данными (РБМ) о ПАДО для информационной поддержки систем менеджмента качества (СМК) ПАДО с целью повышения эффективности и качества объектов;

— реализовать разработанные методы в виде комплекса программ и разработать методику его использования.

Логическая структура работы соответствует решению перечисленных проблем в указанной последовательности.

В первой главе диссертационной работы предполагается определить класс рассматриваемых систем, в рамках которого будут проанализированы основные задачи проектирования СПР ПАДО. На основе исследования выбранного класса систем методами общей теории систем (ОТС) предлагается осуществить функциональную декомпозицию СПР ПАДО на функциональные подсистемы. Формализована и поставлена1 задача оптимизации параметров (ОП) функциональной системы и предложена общая схема ее решения. Выбраны критерии оптимизации каждой ФПС. Анализ информационного обмена между блоками ОП ФПС показал необходимость постановки многокритериальной задачи синтеза параметров.

СПР ПАДО. Отмечается сложность обоснованного выбора критериальных и ресурсных ограничений. Предложена методика автоматизированного синтеза параметров СПР ПАДО, основанная на предварительном зондировании пространства агрегированных переменных системы конечным числом точек, что позволяет при небольшом числе рассматриваемых вариантов построения проводить обоснованный выбор критериальных и ресурсных ограничений. Определена необходимость координации процесса синтеза параметров СПР ПАДО и формализована цель системы координации.

Во второй главе работы рассмотрены вопросы разработки моделей принятия решений с использованием многокритериального подхода. Рассматривается применение теории нечетких множеств и теории возможностей в задачах принятия решений на ранних этапах проектирования ПАДО. Разработана форма представления проектных решений, формальное описание которых приведено в виде нечетких множеств, разработаны процедуры сравнения нечетких множеств, что позволило выделить наилучшие проектные решения при наличии различных оценок по критериям. Проанализированы и формализованы типы неопределенностей, возникающие на ранних этапах проектирования ПАДО. Проведено вычисление индексов возможности и необходимости, а также индексов сравнения нечеткого множества с оптимизирующими множествами. Разработаны нечеткие модели поиска наилучших решений, проанализированы особенности формального описания задач принятия решений в нечетких условиях и разработаны способы выделения множества эффективных нечетких решений.

В третьей главе работы проведен анализ повышения эффективности и качества механизма деятельности автодорожного хозяйства, что, в свою очередь, тесно связано с транспортно-эксплуатационным состоянием сети автомобильно-дорожных объектов, в том числе протяжённых (ПАДО). Предложена методика информационной поддержки систем управления качеством ПАДО с использованием элементов ИЛИ (CALS) — технологийсистем управления данными об автодорожных объектах (PDM-систем).

Аналогичной тематике в других прикладных областях посвящены содержательные и практически хорошо обоснованные работы таких научных авторов как Норенков И. П., Кузьмик П. К., Судов Е. В., Овсянников М. В., Сумароков C.B.

Проведен анализ условий эффективного функционирования системы управления качеством и информационного взаимодействия участников поддержки жизненного цикла ПАДО при наличии интегрированной информационной системы (ИИС) сбора и анализа информации о качестве объекта на всех этапах его жизненного цикла. Предложена информационная модель автодорожного объекта (ПАДО). Актуальность и достоверность информации достигаются за счет того, что любое изменение становится доступным всем участникам жизненного цикла создаваемого автодорожного объекта. Непротиворечивость информации достигается путем использования модели данных, не допускающей использования некорректных данных.

Проведён анализ внедрения ИПИ-технолошй на промышленных предприятиях, обеспечивающих создание ПАДО, и предложена методика создания единого информационного пространства (ЕИП) для всех предприятий, участвующих в возведении и эксплуатации ПАДО.

Четвертая глава диссертации посвящена разработке комплекса программ синтеза параметров ОДС выбранного класса на этапе предварительного проектирования ПАДО на основе теоретических положений, полученных в предыдущих главах диссертации. Приводится методика использования комплекса программ, разработанная на основе опыта его применения, и примеры практической реализации полученных методов и средств, при автоматизации технологического процесса организации обеспечения работ по созданию ПАДО. Определяется проектное решение, и даются рекомендации по использованию получаемой в процессе исследований дополнительной информации.

В заключении представлены основные результаты диссертационной работы.

В Приложении приведены копии актов о внедрении результатов диссертационной работы.

Научная новизна. В диссертации получены и выносятся на защиту следующие основные научные результаты:

— предложена методика автоматизированного синтеза параметров СПР ПАДО в условиях многокритериальное&trade—.

— разработано формализованное описание модели технологического процесса обеспечения создания ПАДО и проведена ее функциональная декомпозиция;

— разработана методика внедрения РОМ-систем для предприятий — организаторов производства ПАДО, что позволяет существенно улучшить эффективность потока работ на протяжении всего жизненного цикла ПАДО;

— разработана структура процедурно-технологического модуля данных (МД), позволяющего установить правила проведения технического обслуживания ПАДО ресурсами виртуального предприятия (ВП) — предложены модели и методы оптимизации параметров функциональных подсистем СПР ПАДО.

Практическая ценность. Разработанные модели и методы и реализованные на их основе средства могут быть использованы как для синтеза параметров СПР ПАДО на этапе предварительного общесистемного проектирования автодорожных объектов, так и, самое главное, на этапах организации и управления технологическим процессом производства работ по возведению подобных объектов и на стадии их эксплуатации.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 6 печатных работах.

Апробация работы. Материалы и результаты диссертационной работы были изложены автором на научно-технических конференциях и семинарах (2006;2008 г. г.), а также на заседании кафедры «Автоматизированные системы управления» МАДИ (ГТУ).

Библиографические данные. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, библиографического списка (104 наименования). Работа содержит 180 страниц машинописного текста, 43 рисунка и 3 таблицы.

Выводы.

1. Определены основные проблемы этапа синтеза параметров СПР ПАДО. На основе анализа и формализации процессов организации обеспечения создания ПАДО с позиций общей теории систем осуществлена функциональная декомпозиция системы и поставлена задача параметрической оптимизации функциональной подсистемы СПР ПАДО.

2. Разработано программное обеспечение и методика его эксплуатации, позволившие автоматизировать решение задачи комплексной автоматизации процессов транспортировки материалов на объект строительства на этапе предварительного проектирования системы. Программные средства прошли приемо-сдаточные испытания и внедрены для практического использования в ряде организаций.

3. Предложенная методика и программное обеспечение использованы на этапе технической подготовки обеспечения создания реального ПАДО.

4. Использование результатов диссертационной работы позволило улучшить режим доставки грузов на создаваемый автодорожный объект на 20−25%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Ранние этапы проектирования ПАДО рассмотрены как процесс принятия решений в условиях неопределенности и нечеткости исходной проектной информации.

2. Рассмотрена содержательная интерпретация модели процесса принятия решений применительно к СПР ПАДО.

3. Процесс синтеза параметров СПР ПАДО рассмотрен как процесс принятия решений. Обоснована актуальность проведения исследований в области разработки методики многокритериального синтеза параметров СПР ПАДО, а также моделей и методов выбора параметров СПР ПАДО.

4. Построена модель функционирования СПР ПАДО, учитывающая основные механизмы доставки грузов в системе, такие как выбор маршрутов доставки грузов, прием и распределение поступивших на ПАДО грузов, регулирование грузовых транспортных потоков от поставщиков к ПАДО. Проведена функциональная декомпозиция СПР ПАДО и осуществлена формализация задачи оптимизации параметров ФПС СПР ПАДО.

5. Предложена методология комплексной автоматизации единой технологической цепи «размещение заказов — отгрузка — транспортировка — использование», обеспечивающая скоординированное функционирование всех звеньев и неразрывность процесса, представленного в виде совокупности подпроцессов принятия решений.

6. Предложена содержательная интерпретация модели процесса принятия решений при управлении промышленным предприятием в условиях неопределенности и нечеткости исходной информации.

7. Формализовано представление нечеткого проектного решения в виде возможно точного значения, сформулированы рекомендации по построению иерархически согласованных моделей принятия решений, разработана принципиальная схема поиска наилучших нечетких решений и алгоритм работы с нечеткими моделями принятия решений, что позволило обеспечить функциональные подсистемы управления промышленного предприятия возможно более точными данными для выработки управляющих воздействий.

8. Сформулированы рекомендации по построению иерархически согласованных многокритериальных моделей принятия решений, предложена принципиальная схема и алгоритмы работы с нечеткими моделями принятия решений.

9. Разработана стратегия внедрения РОМ-систем для предприятий — организаторов производства ПАДО, что позволяет существенно улучшить эффективность потока работ на протяжении всего жизненного цикла ПАДО.

10. Разработана структура процедурно-технологического модуля данных (МД), позволяющего установить правила проведения технического обслуживания ПАДО ресурсами ВП.

11. Разработано программное обеспечение и методика его эксплуатации, позволившие автоматизировать решение задачи комплексной автоматизации процессов транспортировки материалов на объект строительства на этапе предварительного проектирования системы. Программные средства прошли приемо-сдаточные испытания и внедрены для практического использования в ряде организаций.

12. Предложенная методика и программное обеспечение использованы на этапе технической подготовки обеспечения создания реального ПАДО.