Применение методов имитационного моделирования к решению задач повышения надежности организационных систем

УДК 631.17: 664.61.001.2

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ОРГАНИЗАЦИОННЫХ СИСТЕМ

© 2015 г. В.Н. Курочкин

Предлагается решение задач повышения надежности организационных систем на основе имитационного моделирования, когда систему рассматривают как сеть систем массового обслуживания (СеМО). Для решения практических задач надежности организационных систем предлагается разработанная на основе системы моделирования дискретных систем GPSS Мичиганского университета имитационная модель. Она реализована на примере организационных систем в растениеводстве, интерпретирована как сеть массового обслуживании, имеющую соответствующие технологическим операциям фазы, между которыми по определенным технологией правилам циркулируют транзакты, образуя входящие и выходящие потоки, которые описываются законами распределения. Модель имитирует функционирование организационной системы, что позволяет использовать ее как универсальную, позволяющую исследовать надежность системы. На основании анализа результатов моделирования можно сделать выводы о наиболее рациональной структуре организационной системы, необходимых для надежного функционирования, об оптимальном варианте параметров.

Ключевые слова: организационные системы, имитационное моделирование, надежность, сеть массового обслуживания.

There is proposed the solution of organizational systems reliability increase task based on imitation modeling, when the system is considered as a network of queuing systems.

To solve practical problems of organizational systems reliability there is proposed developed simulation model on the basis of GPSS discrete systems imitation modeling system of the University of Michigan.

It is implemented on the example of crop production organizational systems and is interpreted as a queuing network having appropriate technological operations phase, between which on certain technology rules transacts are circulating forming input and output streams, which is described by the distribution laws.

The model simulates the organizational system operation that allows you to use it as a universal, allowing to explore the system reliability.

Basing on the simulation results analysis, you can draw conclusions about the most rational organizational structure, that is necessary for reliable operation, the optimal variant parameters.

Key words: оrganizational systems, simulation, reliability, network of mass service.

Введение. Вопросам надежности функционирования машин и оборудования посвящены работы академиков В.М. Кряжкова [1], А.Э. Северного, В.И. Черноиванова и др.

При решении задач повышения надежности сельскохозяйственной

техники, отмечал академик В.М. Кряжков [1], необходимо учитывать особенности их эксплуатации, то есть в каких организационных системах они будут использоваться. Обычно определяются зависимости между результатами функционирования и потоком требований, временем обслуживания, структурой процесса, наличием машин. Выявляются условия, при которых функционирование будет оптимальным: какая структура

обеспечивает обслуживание, сколько необходимо основных и вспомогательных машин, потребность в резервах, требуемый режим работы, необходимые затраты времени обслуживающих подсистем [2, 3]. Определяя указанные условия, тем самым устанавливают соотношение между основными и вспомогательными машинами, согласовывают пропускные способности фаз процессов, уровня технологических заделов и

производственных запасов. Использование для решения отмеченных задач детерминированных (в той или иной части расчетов) методов, равно как и применение для различных подсистем неодинаковых методов или подходов моделирования, не

позволяет адекватно определить перечисленные условия, так как данный подход либо не учитывает случайный характер происходящих процессов, либо дает несопоставимые результаты [4]. В итоге на одних операциях использование техники будет планироваться с перегрузкой, агрегаты не справятся с работой в срок, а на других будут частично простаивать.

Цель исследования: разработка алгоритма математического

имитационного моделирования

организационной системы для решения повышения её надежности.

Методика исследований. В качестве методической основы использованы работы по моделированию

организационных систем в

растениеводстве, выполненные

академиком Э.И. Липковичем [5, 6].

Для достижения поставленной цели определили задачи, решение которых необходимо для достижения надежного функционирования организационных

систем, задачи разбили на группы. Решение задач первой группы связано с определением вероятностей состояний системы (вероятность обслуживания в системе с отказами, вероятность занятости всех машин системы обслуживания, вероятность нахождения в очереди не более заданного времени, вероятность отказа в обслуживании или потери продукции, вероятности начала

обслуживания заявки в момент поступления). На основании полученных вероятностей можно выяснить, справляется система с обслуживанием или работает с перегрузкой; насколько велики потери в системе; какова вероятность наличия межоперационного задела; устойчива ли работа многофазовой системы.

Решение задач второй группы позволяет определить число средств обслуживания с учетом их производительности: например, сколько необходимо ремонтных мастерских для

обслуживания работающих в данный сезон в поле.

При решении задач третьей группы с целью моделирования надежности и эффективности организационных систем их технологические процессы

рассматриваются как сети систем массового обслуживания (СеМО).

Решение задач четвертой группы будет иметь прикладное значение в будущем, когда получат развитие АСУ технологическими процессами на сельскохозяйственных предприятиях. Их решение связано с организацией обслуживания запросов, поступающих в автоматизированную систему.

Решение задач пятой группы позволяет анализировать качество отдельных машин, систем обслуживания, СеМО и на основании анализа делать вывод о наиболее рациональной структуре системы, необходимых технологических заделах и запасах, необходимых производительностях фаз процессов. Использованы ранее разработанные Е.Н. Кущевой, С.Л. Никитченко, Е.В. Мохиревым методики исследования надежности оборудования и систем их использования [3, 7, 8].

Результаты и их обсуждение. С использованием различных методов моделирования таких организационных систем, как СеМО теоретически возможно обоснование параметров предполагаемого оборудования подсистем, исследование возможности использования инноваций. Важными также представляются выводы о соотношениях параметров фаз СеМО и вариантов структур по эффективности, полученные по результатам

имитационного моделирования, так как они позволяют выбрать или оптимальный вариант структуры, или соотношение параметров. Установлено, что

технологический процесс погрузки зерна на пункте его накопления, перевозки автомашинами на хлебоприемный пункт с последующим взятием проб и

взвешиванием может быть представлен как СеМО. Она будет иметь следующие фазы: погрузка на автомашины, транспортировка, взятие пробы, взвешивание, разгрузка. Каждая из фаз является системой массового обслуживания. Поток обслуживается одним или несколькими погрузчиками. Обслуженные автомашины перевозят зерно на хлебоприемный пункт, при этом имеет место обслуживание погруженных партий зерна транспортной системы, "автомашина - дорога - водитель - окружающая среда". Последняя, а также водитель и дорога вносят определенные коррективы в составленный план перевозок: из-за влияния случайных факторов продолжительность рейса является стохастическим параметром. Фазы взятия проб и взвешивания, разгрузки аналогично могут быть представлены как системы массового обслуживания [5].

Решение указанных вопросов проектирования систем эксплуатации сельскохозяйственной техники требует использования методов математического моделирования ввиду сложности, а подчас и невозможности организации натурного эксперимента. В частности,

математическое моделирование

применяется при исследованиях эксплуатации уборочной техники [6]. Единая методика моделирования технологических процессов,

представленных в виде

последовательности технологических

операций, предполагает следующие общие для различных систем моменты:

- использование генераторов случайных чисел;

- средства, помогающие «разыгрывать» случайную величину по эмпирическим или теоретическим законам распределения;

- встроенный таймер модельного времени;

- автоматическое выполнение некоторых логических операций (проверка

состояния очереди и др.);

- продвижение таймера до времени возникновения ближайшего события;

- присвоение приоритетов и передача управления в ту часть модели, которая содержит алгоритм обработки ближайшего события:

- сбор стохастических данных в заданных местах модели;

- реализация дисциплины обслуживания;

- распечатка результатов [9].

Язык ОРББ [9] учитывает эти моменты с помощью специальных операторов и процедур, что значительно сокращает трудозатраты на создание модели, отечественный аналог - пакет прикладных программ для моделирования сложных дискретных систем (ПМДС). Задача применимости моделирования систем эксплуатации

сельскохозяйственной техники решалась на примере уборочно-транспортного и заготовительного процесса - наиболее сложного процесса эксплуатации сельскохозяйственной техники. Задача разработки динамической модели отмеченных процессов поставлена академиком РАН Э.И. Липковичем [6]. На моделях, имитирующих реальный процесс, могут быть решены перечисленные группы задач, в том числе (согласование производительностей отдельных

элементов, обоснование уровней запасов и заделов, выбора методов резервирования исследования устойчивости и надежности систем в условиях действия случайных факторов).

Блок-схема моделирования

составляется из стандартных блоков в соответствии с реально отображаемой системой [4]. Пошаговое выполнение процедур символически изображается в виде передачи управления от одних блоков к другим. Концепция передачи управления от блока к блоку имеет специфические особенности. Конфигурация блок-схемы

отражает направления, по которым происходит движение перемещающихся элементов. Каждый такой элемент называется транзактом. Транзакты являются динамическими, (т.е.

движущимися) элементами ОРББ-модели. Работа последней заключается в перемещении транзактов от блоков к блокам [9].

В самом начале моделирования в ОРББ-модели нет ни одного транзакта. В процессе моделирования транзакты входят в модель в определенные моменты времени в соответствии с теми логическими потребностями, которые возникают в моделируемой системе.

Условно считали, что обслуживания выполняются в «устройствах». В качестве "устройств" могут выступать как единичные объекты и машины (линии зерноочистительных комплексов), так и их совокупности (звенья зерноуборочных комбайнов, жаток, автоотряды и др.) [5, 6].

Моментом поступления транзакта в модель является, для рассматриваемого примера: уборочно-транспортного и заготовительного процесса (УТЗП) созревание очередной партии массива.

На созревание хлебного массива влияет множество различных факторов, поэтому даже посеянные в одинаковых условиях семена дают растения, колоски которых созревают не одновременно. Созревающий массив либо скашивается в валки, либо обмолачивается напрямую, либо убирается для обработки на стационаре.

В общем случае созревание урожая, подготовка почвы для посева, условий для внесения удобрений и т.п. могут быть интерпретированы неслучайной функцией от времени и случайных параметров щ1, щ2, ..., X = х(г,Щ , Ц2-)-

Необходимо существование

некоторого технологического задела в виде созревшего массива, который необходим для бесперебойной работы машин.

Задел должен быть оптимальным.

Оптимальность определяется двумя факторами: с одной стороны, слишком малый задел может вызвать, в условиях действия случайных факторов, простой техники из-за отсутствия фронта работ и, с другой стороны, возможны потери урожая из-за значительного задела в виде созревшего, но не убранного массива.

С целью моделирования по системе ПМДС представили созревание массива и его обработку в виде материального потока, который время от времени разделяется.

Имеет место следующая схема (рисунок 1): за промежуток времени ДЪ созревает элементарная порция массива йх, вся совокупность которых составляет: *2

р = \ /

ч

Из этого массива формируются материальные потоки ^ , Х2 , Х3 и Первая фаза процесса приводит к разделению потока в элементе 2 и 3 на два (незерновую и зерновую части урожая). Закономерности обработки потоков , Х2 , Х3 и X также могут быть интерпретированы в виде гистограммы. Интересно отметить, что в первой фазе материальные потоки приобретают четко выраженный дискретный характер: бункер зерна, копна соломы, валок скошенного массива, на основании чего предположили неявное существование соответствующих порций (транзактов) еще в созревающем массиве.

Действительно, убираемый массив в будущем обязательно делится на порции зерна, копны, гектары убранной площади за минуту, час, смену и т.д., то есть транзакты существуют физически во все время уборочно-транспортного и заготовительного процесса. Во вторую фазу поступают валки, которые обмолачивают с запаздыванием, необходимым для их подсыхания до кондиционной влажности (рисунок 2).

Если задел по валкам недостаточен, обмолачиваются недосохшие растения, если задел велик, колоски пересыхают и зерно осыпается: во время дождей зерно в валках прорастает, ветром валки может

разметать по полю, при этом потери урожая достигают 40-70%, поэтому величина задела должна быть обоснована с точки зрения минимизации потерь урожая.

Заделы по операциям УТЗП

Т

Всего созрело хлебного

массива (Хд) К-убрано напрямуюУ/С - скоЫено

соорано половы

Hi- стянуто С СЛОМЫ

Н;- перевезено соломы

А- перевезено половы

А,- заскирдовано половы

заскирдовано соломы

собрано зернового вороха 3^- очищено зернового вороха 3; - подготовлено е продаже 3^ - пер е ве з ено н р е алнзовано 3; - оставлено в СХП 3^- продано сильной пшеницы 3 - продано ценной шпешщы

Рисунок 1 - Схема технологического процесса

2(30) 2015

Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование

ограничитель задела; х - задел

Рисунок 2 - У Во второй фазе (рисунок 3) продолжается разделение материальных потоков. Выходом операций фазы являются: зерновой ворох

З; = З; + З;" + З1 , НЧУ на поле и убранная по технологии с измельчением, задел по уборке НЧУ и лущению стерни. При уборке незерновой части урожая копны доставляют к месту скирдования.

ойство I УТЗП

Для лущения и вспашки входящим потоком служат площади, освобожденные от НЧУ. Вспашка следует за лущением, поэтому необходим задел, сглаживающий случайности входящего потока как перед лущением, так и задел, компенсирующий фактическое рассогласование лущения и вспашки.

Рисунок 3 - Устройство II УТЗП

Выходом совокупности операций является площадь под лущение и солома в скирдах (рисунок 4).

Выходной поток исследуемого процесса представлен по рассмотренным

операциям (рисунок 5) заскирдованной НЧУ и подготовленным для дальнейшего участия в севообороте полем.

Рисунок 4 - Устройство III УТЗП

а - перевозка зерна от зерноуборочных комбайнов; б - обработка машины на ПНЗ;

в - обработка зерна на ЗАВе Рисунок 5 - Устройство IV УТЗП Поступающий от комбайнов зерновой ворох подлежит перевозке на пункты

накопления зерна с последующим разделением на зерно и отходы линией предварительной очистки

зерноочистительного агрегата типа ЗАВ. В каждой операции происходит разделение материальных потоков: на загруженные автомашины и зерноуборочные комбайны с пустым бункером; отходы и очищенный ворох (зерно). После предварительной очистки следует первая, и, с вероятностью рр, вторая очистка на соответствующих линиях ЗАВ. Подготовленное на линиях очистки ЗАВов зерно накапливается в заданных объемах, затем грузится на автомашины, отвозится на хлебоприемный пункт. Накапливание зерна предусмотрено технологией перевозки автоотрядами с

целью его загрузки на одну или несколько смен (рисунок 6).

Рассмотренные фазы исследуемого процесса вошли в основу разработки имитационной модели, с использованием пакета прикладных программ для моделирования на ЭВМ сложных дискретных систем. В начале синтезировали блок-схему УТЗП из устройств (рисунки 2-5). Участвующие в каждой фазе процесса машины, оборудование, трудовые ресурсы представлены в виде подсистем, имеющих вход, выход, механизм функционирования, приоритет очереди, качественные и количественные характеристики

материальных потоков.

а - подготовка зерна к отправке; б - погрузка зерна на ПНЗ;

в - продажа зерна

Рисунок 6 - Устройство V УТЗП

Блок-схема была переведена на язык символов ОРББ. Исходные данные для моделирования были выбраны из оперативной отчетности

сельскохозяйственных предприятий и вначале представлены в виде массивов, характеризующих свал массы в валки (F№SVAL), прямое комбайнирование без (Е№РЯ) и с измельчением (Б№РЫ), сбор массы для стационара (ТК^ТАС), перевозка зернового вороха от комбайнов

на зерноочистительный комплекс (F№GS), предварительная очистка (Б№ОСНР1), первичная очистка ^№ОСНР2), погрузка на пункте накопления зерна и перевозка (Б№Р1РЕ), сдача на хлебоприемный пункт (F№GS), уборка соломы по копенной технологии (F№GS), лущение (Т№Ц), безотвальная вспашка (Б№ВОВР), вспашка отвальная (Б№ОВР), перевозка измельченной соломы ^№ОГС), скирдование соломы (Р№ССР), перевозка

массы на стационаре (Б№Р28), обмолот на стационаре (Б№ОР8), обмолот с измельчением (F№OJSV1), обмолот без измельчения (F№OSV), а также сушка в валках и созревание массы.

На основании проведенных исследований были сделаны следующие выводы. Исследование режимов работы организационных систем, их

эффективности, а также надежности протекающих в них организационных систем предпочтительно выполнять на модели, основанной на представлении процесса функционирования в виде абстрактного математического объекта -агрегата, имеющего входные, выходные и управляющие и конструктивные параметры, причем в агрегате происходит

обслуживание «транзакта» по методике Дж. Шрайбера (рисунок 7).

Выводы. Разработанные:

форматированное описание процесса машиноиспользования на примере УТЗП, структуры устройств, входящих в обобщенную модель системы ЭМТП, -изоморфны структуре модели идентичны процессу машиноиспользования в напряженный период ЭМТП.

Для решения практических задач надежности и эффективности

организационных систем предлагается разработанная модель на основе системы моделирования дискретных систем GPSS Мичиганского университета.

Рисунок 7 - Блок-схема алгоритма моделирования УТЗП

Моделирование технологических систем процессов в растениеводстве возможно на их представлении как сети массового обслуживании (СеМО), имеющей соответствующие

технологическим операциям фазы, между которыми по определенным технологией правилам циркулируют транзакты, образуя входящие и вы-

ходящие потоки, которые описываются

законами распределения. С этой целью в модель GPSS необходимо включение устройств (блоков), соответствующих технологическим операциям. Пошаговое выполнение процедур моделирования символически изображено на алгоритмах (рисунки 3-7) в виде передачи управления от одних блоков другим. Конфигурация блок-схемы отражает направления, по которым движутся транзакты, а блоки имитируют операции (фазы, посты) процесса.

Работа модели заключается в перемещении транзактов, что дает возможность использовать ее как универсальную для всех периодов машиноиспользования, позволяющую исследовать общие системные свойства: эффективность и надежность, а также согласовывать производительности

операций (фаз) процесса, обосновывать уровни межоперационных запасов (заделов) выбирать метод резервирования.

6. Липкович, Э.И. Уборочно-транс-портный и заготовительный процесс в районном агропромышленном объединении: основы организации и математическое моделирование / Э.И. Липкович, В.Н. Курочкин, Ю.А. Тимофеев, ЛИ. Сергеева и др. - Москва: ВАСХНИЛ, 1986. - 160 с.

7. Никитченко, С.Л. Автоматизированный контроль надёжности технологических систем растениеводства / С.Л. Никитченко, Е.В. Мохирев, М.Ю. Севостьянов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2010. - № 7. - С. 31-32.

8. Никитченко, С.Л. Инженерное обеспечение растениеводства. - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2011. - 267 с.

9. Thomas J. Schriber. Simulation Using GPSS. - The University of Michigan, 1985. - Р. 900.

Литература

1. Кряжков, В.М. Надежность и качество с.-х. техники / В.М. Кряжков. -Москва: Агропромиздат, 1989. - 355 с.

2. Курочкин, В.Н. Системный подход к исследованию отраслевой экономики / В.Н. Курочкин // Вестник аграрной науки Дона. - 2013. - № 3.

3. Курочкин, В.Н. Эффективность и надежность функционирования сложных организационных систем / В.Н. Курочкин.

- Ростов-на-Дону: ЗАО «Ростиздат», 2011.

- 494 с.

4. Курочкин, В.Н.Управление надежностью в разомкнутой системе восстановления отказов / В.Н. Курочкин, Е.Н. Кущева // В сб. ст. Межд. науч.-практ. конф. «Проблемные аспекты экономического развития России». -Германия, Ганновер: Europaische Wissenschaftliche Gesellschaft, 2012. - C. 364-371.

5. Липкович, Э.И. Математическое моделирование механизированных процессов / Э.И. Липкович, В.Н. Курочкин.

- Ростов-на-Дону: Книжное издательство, 1987.

References

1. Krjazhkov V.M. Nadezhnost' i kachestvo s.-h. tehniki [Reliability and quality of agricultural equipment], Moskva: Agropromizdat, 1989, 355 p.

2. Kurochkin V.N. Sistemnyj podhod k issledovaniju otraslevoj jekonomiki [A systematic approach to the study of industrial economics], Vestnik agrarnoj nauki Dona, 2013, No 3.

3. Kurochkin V.N. Jeffektivnost' i nadezhnost' funkcionirovanija slozhnyh organizacionnyh sistem [The efficiency and reliability of complex organizational systems functioning], Rostov-na-Donu: ZAO «Rost-izdat», 2001, 494 p.

4. Kurochkin V.N., Kushheva E.N. Upravlenie nadezhnost'ju v razomknutoj sisteme vosstanovlenija otkazov [Management of open failure recovery system reliability], V sb. st. Mezhd. nauch.-prakt. konf. «Problemnye aspekty jekonomicheskogo razvitija Rossii», Germanija, Gannover: Europaische Wissenschaftliche Gesellschaft, 2012, pp. 364-371.

5. Lipkovich Je.I., Kurochkin V.N. Matematicheskoe modelirovanie

mehanizirovannyh processov [Mathematical modeling of mechanized processes], Rostov-na-Donu: Knizhnoe izdatel'stvo, 1987.

6. Lipkovich Je.I., Kurochkin V.N., Timofeev Ju.A., Sergeeva L.I. i dr. Ubo-rochno-transportnyj i zagotovitel'nyj process v rajonnom agropromyshlennom ob#edinenii: osnovy organizacii i matematicheskoe mode-lirovanie [Harvesting and transportation and procurement process in the regional agroindustrial associations: the organization foundations and mathematical modeling], Moskva: VASHNIL, 1986, 160 p.

7. Nikitchenko S.L., Mohirev E.V., Sevost'janov M.Ju. Avtomatizirovannyj kontrol' nadjozhnosti tehnologicheskih sistem rastenievodstva [Automated control of the plant growing technological systems reliability], Mehanizacija i jelektrifikacija sel'skogo hozjajstva, 2010, No 7, pp. 31-32.

8. Nikitchenko S.L. Inzhenernoe obespechenie rastenievodstva [Engineering support of plant growing], Zernograd: FGOU VPO AChGAA, 2011, 267 p.

9. Thomas J. Schriber. Simulation Using GPSS, The University of Michigan, 1985, p. 900.

Сведения об авторе

Курочкин Валентин Николаевич - доктор техн. наук, старший научный сотрудник, профессор кафедры экономики и управления, Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО ДГАУ в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: 8(8б3-59) 43-8-9б. E-mail: valentin952@mail.ru.

Information about the author

Kurochkin Valentin Nikolayevich - Doctor of Technical Sciences, Senior researcher, professor of the Economics and management department, Azov-Black Sea Engineering Institute FSBEI HPE "Don State Agrarian University" in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: 8 (8б3-59) 43-8-9б. E-mail: valentin952@mail.ru.