Имитационное моделирование организационных систем управления проектами и программами

Кошкш Костянтин Вiкторович Доктор технiчних наук за спещальнютю 05.13.22 «Управлшня проектами та розвиток виробництва». Заслужений дiяч науки i технiки УкраТни, лауреат Державно! премп УкраТни в галузi науки i технiки. Професор по кафедрi iнформацiйних

технологiй. Директор 1нституту комп'ютерних та

iнженерно-технологiчних наук, завщувач кафедри iнформацiйних управляючих систем та технологш,

Нацiонального унiверситету кораблебудування iменiадмiрала Макарова

Тема дисертацм: Управлiння проектами та оргашза^я вiртуальних виробництв у суднобудуваннi.

Робота виконана в УкраТнському державному морському техшчному унiверситетi iменi адмiрала Макарова Мшютерства освiти i науки УкраТни.

Науковий консультант доктор технiчних наук, заслужений дiяч науки i техшки УкраТни, лауреат Державно' премп УкраТни в галузi науки i техшки, професор Павлов Олександр Анатолшович, КиТвський нацiональний технiчний унiверситет УкраТни "КП1" Мiнiстерства освiти i науки УкраТни, декан факультету iнформатики та обчислювальноТ технiки, завiдувач кафедри автоматизованих систем обробки шформаци i управлiння.

Оф1ц1йн1 опоненти:

доктор технiчних наук, заслужений дiяч науки i технiки УкраТни, лауреат Державно' преми УкраТни в галузi науки i технiки, професор Бушуев Серг1й Дмитрович, КиТвський нацюнальний унiверситет будiвництва i архiтектури Мшютерства осв^и i науки УкраТни, завщувач кафедри проектного менеджменту, президент УкраТнськоТ асо^аци управлiння проектами;

доктор техшчних наук, заслужений дiяч науки i технiки УкраТни, лауреат ДержавноТ преми УкраТни в галузi науки i технiки, професор Рашковський Олександр Саулович, УкраТнський державний морський технiчний ушверситет, завiдувач кафедри технологи суднобудування;

доктор техшчних наук, професор Рибак Анатолш 1ванович, Одеський фiлiал УкраТнськоТ академи державного управлiння при Президентовi УкраТни, декан факультету проектного менеджменту, завщувач кафедри проектного менеджменту, вще-президент УкраТнськоТ асо^аци управлшня проектами.

Захист вщбувся «21» сiчня 2002 року о 13 годинi на засiданнi спецiалiзованоТ вченоТ ради Д.38.060.01 УкраТнського державного морського техшчного унiверситету iменi адмiрала Макарова за адресою: 54025, м. МиколаТв, пр. ГероТв Сталiнграду, 9.

"УправлЫня проектами та розвиток виробництва", 2014, № 2(50), 6-14

ДисертацГя присвячена розробц теоретичних основ для створення, впровадження i функцiонування конкурентоспроможних вiртуальних виробництв у суднобудуваннi. В робот розробленi математичнi моделi, методи, методики i програмне забезпечення управлшня проектами вГртуально' верфi.

Запропонована нова система планово-облкових одиниць для використання у складi вiртуального пiдприeмства. Теоретичн результати впровадженi при розробцi компонент комп'ютеризованих та вiртуальних виробництв на суднобудГвних пiдприeмствах та установах.

На основi аналiзу стану укра'нського суднобудування i флоту, а також нацюнальних програм розвитку суднобудування в США, бвропейському СоюзГ, Япони' та Росшсько''' Федерацiï визначено, що одним з основних напрямш пiдвищення конкурентоспроможностi суднобудГвно' галузi Укра'ни е органiзацiя комп'ютеризованих штегрованих i вiртуальних виробництв, як забезпечують весь життевий цикл побудови судна.

Обфунтований конструктивно-iерархiчний принцип формування планово-о6лгкових одиниць (ПОО) i на його основг розроблена ушверсальна система ПОО, що забезпечуе планування, мошторинг та коригування о6сяггв ро6гт, тимчасових i вартiсних показникiв вiртуальних верфей.

На основг системних дослщжень реструктуризацп дгяльностг судно6удгвних пiдприемств (оргашзацГя концернГв, холдингових компанГй i вГртуальних пГдприемств) створена органГзацГйна модель суднобудГвного пГдприемства, а також запропонована технолопя реГнжинГрингу i використання Гснуючих баз даних та програмного забезпечення, накопиченого суднобудГвними пщприемствами за останнГ 20 ... 30 рокГв.

Розроблено математичну модель вГртуального пГдприемства, яка зводиться до вирГшення задачГ лГнГйного цточисельного програмування. В якостГ функГцонала використовуються витрати на будГвництво судна, а обмеженнями служать технолопчы та часовГ характеристики споруди конкретного проекту.

Проведена модифГкацГя алгоритму методу спрямованого уаченого перебору проф. А.А. Павлова для завдань управлшня проектами в суднобудуванш. Встановлено адекватнють функцГонування модифГкованих методГв i визначенГ меж1 'х ефективного використання.

Виконано моделювання формування оптимально' вГртуально' верфГ для будГвництва танкера за участю чотирьох виконавцГв для двох пакетГв робГт генерального графГка. Встановлено ГстотнГ (до 23%) резерви зГ зменшенням витрат на будГвництво судна.

На основГ дослщжень шформацшних моделей вироби (1М1) CAD / CAM / CAE-систем TRIBON, FORAN, ДЕЙМОС визначено концептуальн пщходи 'х взаемоди. Запропоновано структуру шформацшного сховища для реалГзаци' взаемоди' цих систем i розроблено вщповщш шструментальш засоби. РеалГзацГя та вГдпрацювання мехашзму взаемоди' здГйснювалась в рамках створеного макету вГртуального проектного центру.

Запропонована методика поетапного впровадження комп'ютеризованих штегрованих i вГртуальних виробництв з урахуванням економГчного стану пГдприемства та оцшки ефективност впровадження запропонованих рГшень.

"УправлЫня проектами та розвиток виробництва", 2014, № 2(50), 6-14

УДК 005.8:519.876.5

К.В. Кошкин

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОРГАНИЗАЦИОННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТАМИ И ПРОГРАММАМИ

Предложена интегрированная имитационная модель, которая отражает взаимное влияние параметров организационной системы и параметров проектов. Представлена содержательная интерпретация компонентов имитационной модели, описан процесс симуляции на ее основе. Рис. 2, ист. 8.

Ключевые слова: проект, организационная система, имитационное моделирование, управление проектами.

Статья подготовлена совместно с аспиранткой Н.Р. Кнырик.

Постановка проблемы в общем виде и ее связь с важными научными или практическими задачами. Под организационной системой понимают объединение людей, совместно реализующих некоторую программу или цель и действующих на основе определенных процедур и правил [6]. Наличие процедур и правил, регламентирующих совместную деятельность членов организации, является определяющим свойством и отличает организацию от группы и коллектива.

Очевидно, что системы управления проектами и программами являются разновидностями организационных систем.

Методологии управления проектами и программами рассматривают данные системы как временные, прекращающие свое существование после достижения поставленных целей. Это сужает возможности эволюционного формирования и развития организационных систем, и требует наличия эффективных инструментов их проектирования (до начала совместной деятельности).

Основной сложностью формирования организационных систем является определение их конфигурации для достижения необходимых целевых состояний. Данная проблема вызвана особенностью организационных систем -активностью поведения их элементов (людей). Это обуславливает низкую эффективность применения аналитических моделей для прогнозирования будущих состояний.

Проведенные исследования показали, что данная проблема может эффективно решаться методами имитационного моделирования.

Анализ исследований и публикаций и выделение нерешенных ранее частей общей проблемы. Исследования социально-экономических систем с применением метода имитационного моделирования проводились в различных сферах человеческой деятельности. Серия интересных имитационных моделей была предложена создателем системной динамики Дж. Форрестером - модель социально-экономического развития города, первый вариант модели системной динамики мировой социально-экономической системы [1]. В своих работах Дж. Форрестер утверждал, что понятие обратной связи может обеспечить прочную теоретическую основу и целостную схему для разнообразных наблюдений поведения социальных систем. Целью его исследований было изучение типов поведения систем и разработка мер, способных улучшить результаты их функционирования.

Ким Уоррен, профессор Лондонской школы бизнеса, рассматривает организацию как открытую систему, активно взаимодействующую с окружающей

"УправлЫня проектами та розвиток виробництва", 2014, № 2(50), 6-14

средой. Формирование и анализ стратегически важных ресурсов позволяет проследить влияние управленческих решений на развитие организации, найти точки приложения управленческого решения, которые позволяют влиять на эффективное функционирование организации [4, 5].

Одну из первых агентных моделей по социально-экономической тематике разработал Томас Шеллинг еще в 1970-х гг. Он исследовал расовую сегрегацию в американских городах [3]. Множество агентных моделей посвящено проблемам пешеходного и автомобильного трафика, вопросам эвакуации и поведения людей в чрезвычайных ситуациях. Например, уже ставшее классическим исследование Д. Хелбинга, Т. Вицека и И. Фаркаша по поведению толпы в экстремальной ситуации [2]. При помощи поведенческих моделей можно предсказывать иррациональное поведение.

Для решения проблем прогнозирования и управления социальными и экономическими системами в средине прошлого столетия сформировались и развивались теория активных систем, теория иерархических игр и дизайн механизмов Mechanism design). На сегодняшний день можно говорить о полном слиянии этих научных направлений и появлении нового синтетического направления - теории управления организационными системами [9].

Однако в этой теории детально проработанными являются только отдельные механизмы (планирования, мотивации, контроля и т.п.) и недостаточно внимания уделяется их системной интеграции. Как уже отмечалось выше, в силу низкой эффективности применения аналитических моделей, обусловленной активностью поведения участников, такую интеграцию целесообразно производить на базе имитационного моделирования.

Целью статьи является разработка подходов к имитационному моделированию организационных систем управления проектами и программами.

Изложение основного материала исследования с полным обоснованием полученных результатов. Особенностью организационных систем является то, что в них субъект и объект управления совпадают. Более того, организационные проекты являются подсистемами организационной системы, которую они трансформируют. Другими словами, изменяя организационную систему, проекты сами испытывают воздействие результатов такого изменения. Сложность управления организационными проектами многократно увеличивается при одновременном протекании нескольких трансформационных процессов.

Для согласования действий участников и уменьшения неопределенности при управлении портфелем проектов трансформации организационных систем необходима модель, отражающая влияние входных и выходных параметров проектов друг на друга и на организационную систему в целом [7]. Предлагается для этой цели использовать модель, в которой установлены зависимости между входными и выходными параметрами, определенные особенностями организационной системы и спецификой трансформационных процессов. Здесь возможно использование, как моделей системной динамики, так и агентных моделей, а также их комбинации.

Технология управления формированием и трансформацией ОС представляет собой последовательность следующих шагов.

1. Построение модели - описание реальной ОС в формальных терминах.

2. Анализ модели - исследование поведения участников при тех или иных механизмах управления.

3. Синтез управлений - решение прямой и обратной задач управления.

4. Исследование устойчивости решений. Подразумевает изучение зависимости оптимальных решений от параметров модели (корректности

"УправлЫня проектами та розвиток виробництва", 2014, № 2(50), 6-14

оптимизационной задачи, чувствительности, устойчивости принципов оптимальности и т. д.), а также теоретическое исследование адекватности модели реальной системе.

5. Идентификация ОС - приведение модели в соответствие с имеющимися параметрами конкретной ОС.

6. Имитационное моделирование. Этап имитационного моделирования во многих случаях необходим по нескольким причинам. Во-первых, далеко не всегда удается получить аналитическое решение задачи синтеза оптимальных управлений и исследовать его зависимость от параметров модели. При этом имитационное моделирование может служить инструментом получения и оценки решений. Во-вторых, имитационное моделирование позволяет проверить справедливость гипотез (в первую очередь относительно принципов поведения участников системы: используемых ими процедур устранения неопределенности, правил рационального выбора и т.д.), принятых при построении и анализе модели, то есть дает дополнительную информацию об адекватности модели без проведения натурного эксперимента. И наконец, в-третьих, использование деловых игр и имитационных моделей в учебных целях позволяет управленческому персоналу освоить и апробировать предлагаемые механизмы управления.

7. Внедрение. Производится обучение управленческого персонала, внедрение в реальную ОС разработанных и исследованных на предыдущих этапах механизмов управления с последующей оценкой эффективности их практического использования, коррекцией модели и т.д.

Таким образом, имитационное моделирование является достаточно важной частью интегральной технологии управления формированием и трансформацией ОС.

Для иллюстрации взаимного влияния параметров организационной системы и параметров проектов с помощью инструментальной системы AnyLogic создана модель производственного предприятия.

Идея моделирования заключается в создании достоверного, наглядного и простого для понимания описания деятельности предприятия. Описание модели позволяет охватить предприятие в целом, сконцентрироваться на ключевых процессах, обнаружить взаимозависимости, которые являются наиболее существенными.

Правильно построенный алгоритм взаимосвязей позволяет просчитать различные сценарии развития предприятия и оценить последствия тех или иных управленческих решений.

Для понимания поведения системы в целом и динамики происходящих в ней процессов выбран промежуток модельного времени - 50 дней.

Ядром модели являются выстроенные определенным образом динамические связи между изменяемыми (моделируемыми) параметрами, на которые может повлиять предприятие вследствие реализации одного или нескольких проектов и результирующими показателями (прибыль, рентабельность и т. д.).

Параметры созданной модели можно условно разделить на три категории:

- показатели, которые описывают рыночное окружение предприятия;

- показатели операционной деятельности;

- показатели, которые описывают финансовые результаты деятельности предприятия.

Рыночное окружение производственного предприятия характеризуется общим спросом (емкостью рынка) в трудовом измерении, долей рынка (%) и спросом на продукцию предприятия в трудовом измерении.

"УправлЫня проектами та розвиток виробництва", 2014, № 2(50), 6-14

Ключевые показатели процесса производства - производственная мощность в трудовом измерении и объем производства. Объем производства равен величине производственной мощности в том случае, если спрос на продукцию предприятия превышает мощность, и принимает значение спроса, если производственная мощность больше, чем спрос на продукцию предприятия.

В качестве основных параметров, отражающих финансовую сторону производства, рассматриваются цена, выручка, удельные затраты, прямые затраты, постоянные затраты, прибыль, нераспределенная прибыль. "Выручка" -это стоимость всей произведенной продукции, она изменяется прямо пропорционально цене и объему производства. Прямые затраты зависят от удельных затрат и объема производства в отличие от постоянных затрат. Прибыль предприятия вычисляется как разность выручки и суммы всех затрат (прямых затрат, постоянных затрат и налогов).

В созданной модели предприятия определены факторы, на которые можно оказывать влияние. Переменные состояния, значения которых может меняться под воздействием окружающей среды - доля рынка, общий спрос, производственная мощность, удельные затраты, постоянные затраты, цена, нераспределенная прибыль.

На моделируемом производственном предприятии реализуется портфель проектов (рис. 1). Каждый проект, являясь частью организационной системы, оказывает влияние на один или несколько факторов модели:

- СР (доля_рынка) - доля предприятия в общем объеме продаж на момент времени t, %;

- Wt (производственная_мощность) - производственная мощность предприятия в трудовом выражении на момент времени t, нормо-часы;

- ЕС (постоянные_затраты) - суммарные постоянные затраты предприятия на момент времени t, грн.;

- TBt (нераспределенная_прибыль) - накопленная к текущему моменту времени t сумма прибыли, грн.

Дифференциальные уравнения, которые описывают зависимости этих факторов имеют следующий вид:

где /Я(Т1() - значение в момент времени t производной функции изменения параметра СР1 (доля_рынка).

3

= 1Я

М г=1

где /Я(Т2) - значение в момент времени t производной функции изменения параметра Wí(производственная_мощность),

^(Т,1) - количество трудовых ресурсов, которое в момент времени t

используется (высвобождается) в ходе реализации проекта /.

= ^),

М

где /Я(Т3) - значение в момент времени t производной функции изменения параметра РС1 (постоянные_затраты).

"УправлЫня проектами та розвиток виробництва", 2014, № 2(50), 6-14

=1 "О

ш го

х"

=1 "О

о ф

ш

"О

о

"О

о

СП

X

го ш

м о

СП

о

Рис. 1. Имитационная модель реализации портфеля проектов на производственном предприятии

тек^щая_длителы-юсть_проекта1 профиль_результата 1

'дельные_затраты

объем производства 250 "

доля_рынка

О прямые затраты 47,500 ~

!ость_потребления_ресурсов1

„предприятия

¡ние_ресурсов1

&ктивность_прс

исггользование_ресурсов1 ( о \

1екс_активности_проекта1

аятивность_высвобождеь

X прибыль

юизводственная_но1

|Ждение_ресурсов 1

профиль_результатг

бюджет проекта.

9,ВВЩ2

индекс_активности_проектаЗ

!стоянные_затраты

цена 50

)ормирование_бгоджета_проекта1

^распределенная прибыль $8,175.833

X высвобо>«ение_ресурсов2

.высвобождеь

профиль_разу^1ьтата2 \ О г

^)ормИрование_бюджета_п^оекта2

тальзовани£_ресурсов2 ^

ь_потре£ления^есурсов2 / 1

:кущая_длительность_прс

бюджет_проекта2

активность_проекта;

)вЗ зЗ

- ф активность_потребления_ресурсовЗ о

г |_) использование_ресурсовЗ

. активность_высвобождения_ресурсовЗ

Сэ 0

текущая_длительность_проектаЗ

^)ормирование_бюджета_проектаЗ бюджет_проектаЗ

спрос_предпри]ггия

- 260

Г

/

/

прибыль

Ш проект 1 В проект 2 В проект 3

бюджет

10^000

5^000 +

че_ресурсов1

^=В -X 1ВСЧ,)*. л 1=1

где Б1 (прибыль) - прибыль предприятия в текущем периоде времени £

¡Б(Т^ - количество денежных средств, затраченных на проект / в момент времени t.

Динамику использования ресурсов, формирования бюджета, изменения целевого параметра организационной системы вследствие реализации проекта отображают таблично заданные функции. Профиль использования ресурсов -производная функции потребности проекта в трудовых ресурсах. Профиль бюджета - производная функции потребности проекта в финансовых ресурсах. Профиль результата - производная функции изменения параметра моделируемой системы, на который оказывает влияние организационный проект. Все перечисленные функции фактически представляют собой таблицы приращений соответствующих параметров в каждый момент времени реализации проекта. Для нахождения промежуточных значений функций используется механизм линейной интерполяции.

Старт любого проекта может осуществляться в произвольный момент времени прогона имитационной модели. Кроме того, допускается прерывание выполнения проекта либо при принятии соответствующего управленческого решения, либо по причине нехватки ресурсов и/или денежных средств. При остановке проекта ресурсы возвращаются в организационную систему, а бюджет проекта замораживается. Состояние всех параметров остановленного проекта остается неизменным до момента его возобновления.

В случае остановки проекта по решению менеджера, его выполнение может быть возобновлено в любой момент времени. Так как на моделируемом предприятии реализуется портфель проектов, то остановленный проект может быть продолжен и в том случае, если его выполнение было прервано по причине отсутствия свободных ресурсов или средств. Проект возобновится в тот момент времени, когда за счет операционной деятельности и реализации других проектов накоплено достаточное количество ресурсов и денежных средств. Текущее состояние проекта определяется признаком активности и значением проектного времени.

Запустить оптимизацию

Тевдцее

Нераспределенная_ прибыль: + 1 71,405.591

Параметры

время_начала_проекта1 46 время_начала_проекта2 41 время_начала_проектаЗ 25

Ко п и р о | ать луч ш е е решение > буфер

Рис. 2. Оптимизационный эксперимент

Лучшее

195,000 190,000 185,000 180,000 175,000 170,000 165,000 160,000

V - >т

, -ч . Ч  к

>

*  м • _____. 1

я  ' 4. " у :

I % щ _____-С ^ Ч    *

0 100 Текущее — Лучшее допустимое

300 400 500

— Лучшее недопустимое

"УправлЫня проектами та розвиток виробництва", 2014, № 2(50), 6-14

Проект реализуется за определенный интервал модельного времени, поэтому независимо от того, прерывалась или нет работа проекта, суммарное время его реализации не может превысить заданное в модели.

С моделью предприятия с тремя организационными проектами, для того, чтобы определить лучшее время начала каждого из проектов, был проведен оптимизационный эксперимент (рис. 2). Результаты показали, что при заданных в модели значениях входных параметров максимальную прибыль можно получить в случае, если проект 1 начать в первый день модельного времени, а второй и третий проекты в 50-й день. Так как работа предприятия моделируется на временном интервале 50 дней, очевидно, что проект 2 и проект 3 при заданных в модели исходных данных реализовывать не выгодно, затраты на относительно небольшом интервале времени не окупаются. Выводы

1. В силу низкой эффективности применения аналитических моделей интеграцию механизмов управления организационными системами целесообразно производить на базе имитационного моделирования.

2. Для согласования действий участников и уменьшения неопределенности при управлении портфелем проектов предложена системно-динамическая модель организационной системы с несколькими организационными проектами.

3. На основе полученных результатов оптимизационного эксперимента с имитационной моделью сделаны выводы о том, какое решение из области допустимых обращает в максимум показатель эффективности системы.

Перспективы дальнейших исследований в данном направлении. Дальнейшие исследования должны быть направлены на анализ влияния изменения вектора входных параметров на поведение и выходные параметры организационной системы путем проведения простых и оптимизационных экспериментов, экспериментов по методу Монте-Карло и анализа чувствительности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Forrester, J. Urban Dynamics [Text] / J. Forrester. - Cambridge: MIT Press, 1969. - 299 p.

2. Helbing, D. Simulating dynamical features of escape panic [Text] / D. Helbing, Т. Viscek, I. Farkas. // Nature. - 2000. - №407. - Р. 487-490.

3. Schelling, T. Micromotives and Macrobehavior [Text] / T. Schelling. - New York: W.W. Norton & Company, 2006. - 272 p.

4. Warren, K. Competitive Strategy Dynamics [Text] / K. Warren. - New York: John Wiley & Sons, 2002. - 330 p.

5. Warren, K. Strategic Management Dynamics [Text] / K. Warren. - New York : John Wiley & Sons, 2008. - 77 p.

6. Бурков, В.Н. Введение в теорию управления организационными системами [Текст]: учеб. / В.Н. Бурков, Н.А. Коргин, Д.А. Новиков; под ред. чл.-кор. РАН Д.А. Новикова. - М.: Либроком, 2009. - 264 с.

7. Возный, А.М. Оценка сценариев развития организационных систем на основе модельных экспериментов / А.М. Возный, К.В. Кошкин, Н.Р. Кнырик // Вюник НТУ «ХП1». Сер. Стратепчне управлшня, управлшня портфелями, програмами та проектами. - Х., 2014. - № 2(1045). - С. 27-32.

8. Новиков, Д.А. Теория управления организационными системами [Текст] / Д.А. Новиков - М.: МПСИ, 2005. - 584 с.

"Управлшня проектами та розвиток виробництва", 2014, № 2(50), 6-14