Повышение качества пошагового принятия технологических решений на основе метода динамического формирования вектора критериев

УДК 621.68

Л.Я. Кожуховская, И.А. Мантурова

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОШАГОВОГО ПРИНЯТИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ НА ОСНОВЕ МЕТОДА ДИНАМИЧЕСКОГО ФОРМИРОВАНИЯ ВЕКТОРА КРИТЕРИЕВ

Предлагается новый подход к повышению качества принятия решений при проектировании технологических процессов и систем в условиях многономенклатурного производства, основанный на формировании вектора интегральных критериев на каждом этапе проектирования путем динамической оценки веса и ранга частных критериев, используемых при принятии решений.

L.Y. Kozhuhovskaya, I.A. Manturova WITH STEP-BY-STEP USING METHOD TECHNOLOGICAL DECISIONS QUALITY IMPROVEMENT OF DYNAMICALLY FORMED CRITERIONS VECTORS

The new approach for quality improvement of technological decisions in conditions of multi nomenclature production is studied here. This approach is bases on dynamical estimates for ranges and weights of partial criterions used for making decisions and the formation of integral criterions vector at the every step of design.

Повышение эффективности машиностроительных производств в современных экономических условиях определяет необходимость поиска заказов, расширения номенклатуры изделий при повышении качества и выполнении требований заказчика в кратчайшие сроки. Это обусловливает не только многономенклатурность производства (МНП), но и динамично изменяющуюся производственную ситуацию. Изменение номенклатуры изделий, частая их сменяемость приводят к необходимости сокращения сроков технологической подготовки производства (ТПП). В этих условиях важной задачей является совершенствование методов принятия технологических решений, обеспечивающих сокращение сроков ТПП и позволяющих учитывать динамику изменения ситуации. Это обусловливает необходимость выявления показателей, используемых в качестве критериев принятия решений на различных этапах проектирования.

Производственная ситуация в некоторый текущий интервал времени выдвигает приоритетные задачи, которые определяют структурообразующие факторы при проектировании технологических процессов (ТП). В связи с этим технологу необходимо на каждом этапе проектирования оценивать значимость и весовые коэффициенты каждого используемого критерия в зависимости от создавшейся производственной ситуации и решаемых задач. Изменение интегрального критерия на каждом этапе проектирования динамически формирует вектор, определяющий принятие решений на каждом этапе технологического проектирования (рис. 1).

Реализация предложенного подхода, позволяющего учесть изменение ситуации при принятии технологических решений в условиях МНП, определяет оперирование большим объемом используемой информации. Трудности в решении задачи повышения эффективности ТПП, связанные с оперированием большими массивами информации, могут быть решены путем использования систем автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП). Однако в своей структуре построения существующие САПР ТП используют традиционные методы проектирования ТП, что не позволяет объективно учитывать изменение производственной ситуации. В связи с этим возникает необходимость исследования путей создания информационного обеспечения МНП, основанного на использовании новых подходов к проектированию технологических процессов.

Анализ большого числа работ, посвященных методам

проектирования ТП в условиях многономенклатурности, показал эффективность использования в качестве методической основы разрабатываемого информационнотехнологического обеспечения

методологию ситуационного

управления процессом формирования технологических структур [1]. Ее использование позволяет обеспечить быстрый переход проектируемых технологических процессов и систем (ТС) к изготовлению новых деталей с учетом меняющейся

производственной ситуации и возможность использования

информации об этих изменениях для управления технологическими

структурами на этапе проектирования.

Это определяет необходимость в разработке научно-методического обеспечения процесса автоматизированного принятия решений при ситуационном проектировании ТП, позволяющего учесть специфику МНП.

Использование вектора динамического формирования критериев выбора структуры ТП основано на выявлении и анализе производственной ситуации, определении типичных ситуаций в производственных условиях и классификации их с позиций теории ситуационного управления. Это позволяет определить веса и ранги используемых критериев, в качестве которых используются частные и интегральные показатели производительности, точности, затрат, сложности деталей.

Анализ множества возможных производственных ситуаций позволил выявить типичные и определить основные стратегии формирования вектора критериев для принятия технологических решений в условиях МНП.

Ситуация 1. Расширение номенклатуры изделий в целях повышения коэффициента загрузки оборудования, необходимость поиска заказов. Наибольший вес принимает критерий сложности деталей, определяющий структуру ТП и трудоемкость изготовления деталей в конкретных производственных условиях.

Ситуация 2. Срочные разовые заказы. Наибольший вес принимает критерий временных затрат на проектирование ТП, ТПП и изготовление деталей.

Точность

1-й этап проектиро вания ТП

і /

1

1-й этап проектиро вания ТП

Области возможных структур ТП

Формирование интегрального вектора критериев

Сложность

Затраты

Производительность

Рис. 1. Принятие технологических решений на основе формирования динамического вектора критериев

Ситуация 3. Постоянный периодически изменяющийся заказ. Наибольший вес принимает критерий затрат в связи с конкуренцией между предприятиями.

Ситуация 4. Повышение требований точности к изделию постоянного заказа. В этом случае наибольший вес принимает критерий точности с обязательным учетом изменения затрат.

Классификация производственных ситуаций проведена на основе применения многоуровневой иерархической модели технологического проектирования, что позволило выявить этапы принятия решений и критерии, используемые на каждом из них. На первом этапе при формировании маршрутов обработки используется показатель сложности деталей, а также общесистемные критерии - производительность, точность, затраты. На втором этапе при формировании и выборе структуры операции используются их интегральные показатели - штучно-калькуляционное время, суммарная погрешность обработки, себестоимость операций, коэффициент сложности детали. На третьем этапе при разработке операционной технологии используются частные показатели -составляющие затрат времени, элементарные погрешности обработки, составляющие затрат на обработку, частные показатели сложности деталей. На каждом этапе оценивается уровень концентрации критериев, определяются интегральный критерий и направление критериального вектора при переходе на следующий этап.

Таким образом, процедура пошагового принятия решений при формировании технологических структур происходит с использованием п критериев и основана на

оценке уровня концентрации критериев на каждом шаге проектирования. Формируемая структура ТП включает г параметров а1, ..., аг, и ее можно представить в виде точки а =(а1, ..., аг) в г-мерном пространстве параметров (рис. 2). На различных этапах проектирования ТП число г варьируется. Для выбора оптимального параметра структуры ТП и формирования вектора критериев используется оценка веса критериев, основанная на методике их ранжирования. В связи с тем, что на одном этапе принятия решений в качестве критериев используются показатели различной размерности и природы, требуется приведение всех критериев к относительным величинам.

Для приведения критериев от физических единиц (kгj) к относительным (и\) используется

функция перевода и}. (ki ) = и(к) [2]. Значения функции

изменяются в пределах [0; 1]. Для задания функции необходимо определить ее вид и параметры определения интервала аргумента [^п; kmaLX\. С этой целью проведен анализ монотонно возрастающей и убывающей функций перевода для критериев, при увеличении или

уменьшении которых предпочтение объекта выбора возрастает (например,

производительность и затраты).

Линейная функция перевода, использованная для критериев, полезность которых не зависит от их численного значения (например, производительность):

0-21

0-22

0-23

024

оценка приоритетности вариантов решений

Рис. 2. Формирование динамического вектора критериев

и

(к ) =

к - к

кшах - к

, к Є [кшт; ктах ]

тах тт

0, к < кш

1, к > к

Для критериев, изменения которых важны в областях средних значений и мало существенны в областях, близких к нижней или верхней границам

1 к (х-кт )2

и(к) = [ е 2°2 ё

V2п5 -»

Для формирования вектора критериев необходимо определить коэффициент

т

относительной важности или веса критериев Щ (/=1, 2, ..., т); ХЩ = 1. Коэффициенты

3 =1

Щ отражают ранги предпочтений при пошаговом формировании технологических структур на каждом этапе проектирования.

Анализ способов определения весовых коэффициентов позволил выявить два основных метода: непосредственной оценки критериев и попарного их сравнения.

Первый способ заключается в оценке критериев в соответствии с выражением:

Щ' 3 Щ = ——,

3 т ’

3 =1

где - оценка/-го критерия; т - число рассматриваемых критериев.

Второй способ заключается в попарном сравнении критериев к/ (=1, 2, заданной шкале и результаты представляются в виде матрицы парных сравнений А = (а3), (/,/=1, 2, ..., т).

Матрица содержит числовые оценки пары критериев, элементы матрицы а3 определяются по следующему правилу:

если а/ = х, то а/ = 1, х^0;

3 х

если критерии имеют одинаковую важность, то

а3 = а1. = 1.

3 ‘

На основании результатов расчета веса и ранга критериев определяется комплексный показатель приоритетности для каждого варианта технологических решений:

текущее состояние ТС

т) по

области

гибкости

ТС

Р = УВ Р

-‘-г] г]

г=1

возможного расширения технологических возможностей ТС при динамическом формировании вектора технологических структур

где в] - относительная значимость ]-го критерия;

Р] - относительная значимость г-го варианта по ]-му критерию.

В настоящей работе для учета специфики проектирования в условиях МНП принято, что не технологический процесс вносит ограничения, а производственная система и ее количественные показатели являются ограничениями, в области которых производится процесс пошагового принятия решений. Принимая во внимание технологические возможности ТС, нужно отметить, что область, ограниченная показателями системы в 1-й ситуации, в какой-то мере условна. Четкие количественные ограничения характерны для текущего состояния ТС, эту область можно расширить, учитывая возможность расширения функций системы. Поэтому при формировании структур необходимо руководствоваться текущим состоянием ТС и ее уже реализованными на производстве возможностями. Область функциональных возможностей необходимо разделить на уровни, характеризуемые степенью гибкости технологической системы и затратами, необходимыми для реализации той или иной ее

функции (рис. 3). В процессе формирования структур функции определяют области, в которых производится оценка необходимых преобразований в технологической системе, и принимаются решения о целесообразности их проведения.

Методика формирования вектора критериев обеспечивает структурнопараметрическую оптимизацию технологических процессов и операций. В соответствии с этим предложено вначале устанавливать (г-С) параметрические ограничения а* < а3 < а** и (г-А) функциональные ограничения С* < /1 (а) < с** для каждого этапа

формирования технологической структуры. Эти ограничения устанавливаются на основании оперативной информации о текущем состоянии ТС. Таким образом, определяется область в г-мерном пространстве параметров, ограниченная текущим состоянием системы, в которой происходит формирование структур. Затем определяются уровни расширения функциональных возможностей системы по интегральным (на первом этапе) и частным (на следующих этапах) показателям гибкости (Кг. < Кгзад).

На основе анализа производственной ситуации определяются приоритетные задачи, этапы принятия решений и система критериев Ф^а), ... , Фк(а) с экономически целесообразными пределами их изменения (уровень целесообразной гибкости, экономически целесообразная точность), установленными на основе анализа организационно-технической и технологической структуры данной производственной системы, принципов ее функционирования и требуемых технико-экономических показателей.

В соответствии с процедурой структурно-параметрической оптимизации формируется множество П возможных технологических структур /-го уровня с учетом критерия качества и проводится многокритериальная оценка каждой структуры на 3-м этапе, принадлежащей множеству П, по п критериям /-го уровня. Затем определяется уровень концентрации критериев для технологических структур 3-го уровня, входящих в множество П, и выделение подмножества П по максимальной концентрации критериев. Осуществляется переход на (/+1)-й уровень, на котором уровень концентрации критериев определяется для структур, входящих в П. Данная процедура обеспечивает построение паретовского множества решений. В процессе многокритериальной оценки с п критериями, происходящей в п-мерном пространстве, формируется множество вариантов структур с близкими значениями уровней концентрации критериев, которые образуют паретовскую поверхность п-го порядка.

Из сформированной паретовской области необходимо выделить сечение, соответствующее наиболее рациональному варианту технологической структуры, с помощью функции оптимальности. Параметры сформированной технологической структуры со степенью ее проработки, соответствующей г-му уровню структуры, определяются отображением пространства критериев в пространстве параметров.

Реализация разработанного авторами метода проектирования и выбора технологических структур на основе динамического формирования вектора критериев потребовала разработки информационного обеспечения принятия технологических решений и алгоритмов, обеспечивающих адаптацию принимаемых решений к производственной ситуации и поставленным задачам. Информационная база включает информацию о номенклатуре изделий предприятия, существующих, типовых и групповых технологических процессах, информацию об оборудовании, его состоянии и функциональных возможностях, а также об оснастке, режущем, вспомогательном и измерительном инструменте. Для реализации алгоритмов принятия решений информационное обеспечение включает блоки алгоритмов формирования вектора критериев, оценки сложности деталей номенклатуры, определения показателей гибкости, точности, производительности, надежности и затрат.

Предложенный метод отражает этапы принятия технологических решений, позволяет оценить вес и ранг используемых частных критериев, уровень их концентрации на каждом шаге и, таким образом, динамически формировать вектор интегральных

критериев и использовать его при формировании и выборе технологических структур в данной производственной ситуации на конкретном производстве.

Использование предложенных принципов формирования технологических структур и информационного обеспечения позволяет формировать технологические структуры с учетом изменения производственной ситуации и стохастического характера функционирования ТС в условиях многономенклатурности, что обеспечит повышение эффективности и качества принимаемых решений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кожуховская Л.Я. Повышение эффективности технологических решений путем ситуационного управления процессом формирования структур в условиях многономенклатурного производства / Л.Я. Кожуховская // Известия вузов. Машиностроение. 2003. № 7. С. 23-29.

2. Кожуховская Л. Я. Анализ и ранжирование критериев выбора структур технологических операций в многономенклатурном производстве / Л. Я. Кожуховская, Ю.А. Персичкина, Н.П. Павлова // Современные технологии в машиностроении-2000: материалы Всерос. науч.-практ. конф. Пенза, 2000. С. 16-19.

Кожуховская Людмила Яковлевна -

доктор технических наук,

профессор кафедры «Проектирование технических и технологических комплексов» Саратовского государственного технического университета

Мантурова Ирина Анатольевна -

кандидат технических наук,

доцент кафедры «Проектирование технических и технологических комплексов» Саратовского государственного технического университета Статья поступила в редакцию 21.03.07, принята к опубликованию 03.07.07