ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ПРИМЕРЕ КАБЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются вопросы построения математических моделей, описывающих общесистемные производственные процессы. В качестве объекта исследования определено кабельное производство, где производственно-технологический процесс представлен как сложная техническая система, описанная множеством математических моделей. Вопросы разработки имитационной модели базируются на теории кабельного производства, как процесс унификации методов системного исследования сложных производственных, технических и технологических систем. Проанализированы методы моделирования для имитационного моделирования в рамках реализации управляемой технологии производства кабельного изделия. Рассмотрены вопросы разработки методологии для имитационного моделирования, на базе составления содержательного описания объекта моделирования – производственно-технологического процесса для кабельного завода.

ABSTRACT

The article deals with the construction of mathematical models describing system-wide production processes. Cable production is defined as an object of research, where the production-technological process is represented as a complex technical system described by a set of mathematical models. The issues of simulation model development are based on the theory of cable production as a process of unification of methods of system research of complex production, technical and technological systems. Modeling methods for simulation modeling within the framework of implementation of controlled technology of cable product production are analyzed. The issues of development of methodology for simulation modeling, on the basis of making a meaningful description of the object of modeling - production-technological process for the cable plant are considered.

Ключевые слова: математическая модель, имитационная математическая модель, кабельное производство, кабельно-проводниковая продукция, сложная техническая система, рабочие параметры, база данных, комплексная технологическая платформа, надежность, точность.

Keywords: mathematical model, simulation mathematical model, cable production, cable-wire products, complex technical system, operating parameters, database, complex technological platform, reliability, accuracy.

Введение.

В области построения математических моделей (ММ) объектов для проведения различного рода исследований накоплен колоссальный практический опыт. Однако, узконаправленность в разработке ММ которая ориентирована на определенную производственную сферу, рассматривается как общесистемная и включает в себя специфические принципы и методы для комплексного исследования объекта моделирования. У этого процесса есть определенные трудности имеющие различные причины: наличие разнородной информация; большие объемы данных, информационные массивы различных областей знаний, использование специфических для данной области знаний понятийных аппаратов, профессиональная разобщенность задействованного персонала и т.д.

Решение производственных вопросов, направленных на улучшение процесса изготовления готовой продукции, это трудная научная задача, требующая разработки унифицированного системного подхода. В этом случае производственно-технологический процесс рассматривается, как сложная техническая система (СТС) с большим количеством входных и выходных значений, а также разнообразных рабочих параметров. СТС представляет собой множество математических моделей, равных численным значением групп и параметров, поддерживающий функционал технологической системы с конкретными исходными свойствами.

Процесс построения ММ СТС для промышленного производства строится прежде всего на первоначальном выявлении и классификации входящих в нее подсистем с сходным специфическим свойствам. Ведение дальнейшей разработки содержит определенные принципы методологии в рамках единой математической терминологии, принятой как системная для всех входящих в нее пользователей [1, 10].

Формирование баз данных (БД), ориентированных на работу подсистем ММ с различным уровнем сложности, является следующим этапом, в объем которых входит: формулировка требований; определение физической сущности процесса и параметров систем/подсистем; ввод ограничений и допусков, а также уровней и диапазонов регулирования величин; проведение формализации действий.

В этой связи, цифровизация производственного процесса изготовления кабельно-проводниковой продукции (КПП), рассматривается как область научных исследований, имеющая цель построения единой Комплексной технологической платформы (КТП). Трудность проводимого объема работ определяется необходимостью представления ее как сложно сочененной технической и технологической системы, в которой единовременно функционируют не только экономические, производственные, технологические части, но и действующие в ней системы управления, энергообеспечения, технические системы, а также вычислительные сети уровень взаимодействия и слаженность их работы обеспечивающих в производственном масштабе комплексное быстродействие, надежность, безотказность и безопасность жизнедеятельности.  Сложность выполнения данной работы определяется тем, что технология изготовления КПП имеет вероятностные характеристики, описывающие возможность их функционирования, как совокупность работы всех входящих в нее производственных систем [1] в установленный временной интервал – «Производственное задание» на изготовление готового кабельного изделия по заказу Заказчика.

Производственный процесс изготовления КПП состоит из последовательно выстроенных технологических операций и представляет собой технологические системы, имеющие специфические, узко ориентированные функциональные особенности: надежность работы оборудования, технические и технологические характеристики технологических операций, качественные параметры сырья и материалов, а также технологической оснастки и инструментов, комплектующих и запасных частей и их технический уровень сложности. Поэтому решение вопроса по увеличению эффективности технологии изготовления КПП сводится прежде всего к поиску вариантов, которые обеспечат бесперебойность системной работы сложных технических систем кабельного производства, как единый производственный механизм, в котором должна быть синхронизирована работа всех элементов и устройств, оптимизированы параметры входящих систем с целью минимизации существующих расходов и сокращения уровня производственных отходов дорогостоящего сырья и материалов.

Таким образом, поставленная задача может быть решена путем разработки имитационной математической модели (ИММ) кабельного производства, которая позволит создать благоприятные условия для выполнения главной производственной задачи, выпуск готового кабельного изделия в жестко установленные временные рамки, высокого качества и с минимальными производственными потерями.

Методология исследования.

Разработка имитационной модели (ИМ) кабельного производства, базируется на существующих теоретических основах моделирования, где  основным направление работы  принят процесс унификации методов системного исследования сложных производственных, технических и технологических систем рассматриваемых, как узконаправленные производственно-технологические параметры с вероятностными значениями по времени имеющие специфические особенности взаимного функционирования элементов систем, описываемые конечным множеством математических моделей и протекающих технологических процессов.

Следует отметить, что построение ИМ, это динамическая модель, работа которой позволит при правильно выбранных допусках и ограничениях, максимально оптимизировать протекание действующих технологий в производственном процессе [5]. Являясь перспективным направлением кабельных технологий ИМ должна включать в себя передовые разработки в области моделирования и программирования, что даст эффективные результаты для анализа работы входящих в нее систем и подсистем, а также получить наиболее точные результаты оптимизации, имеющие цель улучшения показателей экономической эффективности технологического процесса производства КПП [6, 7, 10, 11].

Проведение системного анализа работы кабельного завода и технологического процесса производства ККП строится на результатах ранее проведенных научных исследований в этом направлении [1, 10, 11]. Разработанный нами подход к реализации управляемой технологии производства КПП, как ИМ является оптимизированным процессом действующих кабельных технологий ориентированный на улучшение результатов экономической эффективности для всего кабельного предприятия в целом.

Таким образом, технология изготовления кабельной продукции являясь совокупностью производственно-технологических процессов и технологических операций.  В понятие «технология кабельного производства» входит подробное описание способа производства, представляющего собой последовательность технологических операций с указанием задействованного кабельного оборудования, оснастки и инструментов, а также сырья и материалов, из которых изготавливается кабельное изделие [10, 11].

ИМ, являясь результатом строится на сложном программировании с использованием и применением методов прогрессивных технологий, включает в себя обязательную возможность внесения корректировок в работу систем и их развитие в технологическом процессе: проектирование (формирование назначений и принципа построения модели), изготовление, эксплуатация до полного прекращения работы модели [4]. При этом, функциональная нагрузка ИМ в обязательном порядке ориентирована на жесткий контроль взаимосвязанной работы сложных производственных систем, где технология, изготовление и использование программного продукта неразрывно связаны с процессом его эксплуатации и адаптации к кабельному производству, работе технологического оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры.

Таким образом, проектирование сложной производственно-технологической системы, в рамках производства кабельного изделия – это трудоемкий интеллектуальный процесс, базирующийся на больших численных значениях и размерах входящих в него подсистем, сложно взаимосвязанных, последовательно протекающих и ориентированных друг на друга в системе входных и выходных сигналов и возмущающих воздействий.

Таким образом, процесс моделирования кабельной технологии включает в себя проектирование, испытание и эксплуатацию многомерной, разнородной, сложно связанной производственной системы, которой содержит: техническое задание (ТЗ), техническое предложение (ТП), эскизное проектирование, технический проект, рабочий проект и комплекс испытаний. Начало разработки ориентировано на формирование требований к работе системы модели, определяемых внешними воздействиями (внешнее проектирование со стороны внешней среды) и внутренними сигналами (организацию функционирования сложной системы), действующие для рассматриваемые объекты - технология, технологическое оборудование, кабельное изделие, производственный процесс или другие сферы производственного взаимодействия входящих подсистем [2-9].

Результаты и обсуждение.

Процесс разработки ИМ представляет собой базовую схему (рис.1) [2], описывающую взаимодействие объекта моделирования со множеством частных взаимосвязанных подзадач и путей их решения, а также предъявляемых к ним требованиям. При этом, методология разработки ИМ включает в себя [3]:

Определение объекта имитации с целью описания его, как объект моделирования сложной системы, с указанием исходных данных: технической информации, особенностей функционирования, возможных ограничений, формулирование критериев эффективности, описание внешней среды и параметров взаимодействия.

Рисунок 1. Схема разработки ИМ [2]

Разработка концептуальной модели осуществляется по результатам анализа сложной системы и действующих допущений. В ходе выполнения данного этапа выполняют: уточнение задач моделирования, определение процедур и составление графика имитационного эксперимента.

Формальное описание объекта моделирования, построенного на разработке алгоритмов поведения компонент сложной системы и их взаимодействия. Процесс формального описания модели использует язык формализации, определяемый выбором способа организации квазипараллелизма и методикой составления формального описания объекта имитации (рис. 2).

Рисунок 2. Схема взаимосвязи сигналов ИМ

Процесс проверки определяет достоверность разрабатываемой модели и правомочностью ее доказательной базы. Они фигурируют в модели в виде составных частей. На вход таких моделей поступают данные, вычисляемые в предыдущих частях модели, достоверность которых проверяется (рис. 2). Если результат работы классической модели окажется недостоверным, то считают, что предшествующая часть формального описания системы также недостоверна. Анализирование обобщенной ММ осуществляется для каждой отдельной модели входящих в нее структур/подсистем.

Проведение анализа расчетных уравнений — это результат моделирования по исходным, опытным или теоретическим (расчетным) данным. Контрольные точки позволяют определить приемлемость теоретических уравнений и полученных результатов, а именно результаты опытных и исходных величин, с учетом их размерности и масштабов, в рамках выборочной проверки. 

Имитационное моделирование, осуществляется на базе формального описания объекта, представляет собой агрегативную схему, в которой необходимо решить много дополнительных вопросов: декомпозиция объекта (составляющие элементы и формирование модели); вопросы синхронизации компонент в модельный промежуток времени; сбор и обработка статистических результатов; определение начальных условий моделирования; отработка вариантов системы; проверка работы модели; анализ результатов имитации.

Завершающим этапом общей методологии является разработка ИМ, как программирование модели или программы модели (ПМ), в ходе которого модель, разделенная на блоки и подблоки учитывающая: отладку имитаторов внешнего окружения работы по каждому модулю; выверку реализации функций модуля в модельном времени; оценку затрат машинного времени на один цикл работы модели как функцию от значений параметров модели [2, 7, 9]. Окончанием работ является подготовка входных и выходных данных, т.е. представления форм моделирования.

Рисунок 3. Алгоритм создания тестового окружения программной модели

Целью проверки достоверности программы модели системы является определение соответствий операций программы и описания модели на уровне ручной «прокрутки», что позволит определить грубые ошибки статики модели, путем обратного перевода ее в схему модели, которая сопровождается объединением блоков.

Комплексная отладка (КО) ИМ проводится посредствам специальных тестов, т.е. путем последовательного исследования функций системы начиная от нескольких блоков и заканчивая отработкой всей модели в целом. Это очень технически сложный процесс, т.к. поиск, отслеживание и идентификация ошибки ведется в динамике, является более сложной задачей, где процесс решения связан с квазипараллельной работой различных компонент модели [2, 3]. При окончании отладки осуществляется оценка затрат и аппроксимация моделирования машинного времени одного цикла расчетов из одного цикла имитации. Данный процесс построен на описании: ИМ; ПМ (система программирования и принятые обозначения); полной схемы программы модели; листинг программы (полная языковая запись программы модели); результат КО ПМ (достоверность программы модели с описанием входных и выходных величин их размерности, масштаба, диапазоны изменения и регулирования величин, параметров и обозначений); затраты машинного времени; их оценка на один цикл моделирования; рабочие инструкции ПМ.

Поиск ошибки и отладка работы ИМ приводят к возврату системы на нижний (предыдущий) этап для устранения имеющихся несоответствий (рис.1) в машинной реализации ИМ. Выстраивание данной системы определено методикой испытаний модели, которая содержит: оценка правильности алгоритма моделирования объекта исследования, особенностей функционирования (верификация модели) и динамики его развития в ходе имитации;  определение степени адекватности модели и объекта исследования, показывающей уровень совпадения полученных и действующих значений (степень совпадения характеристик) объекта и модели к реальным величинам по заданной точности [3, 7, 9].

В случае отсутствия адекватности ИМ, осуществляют ее «подправку», т.е. корректировку характеристик алгоритмов с выявлением ошибки во взаимодействии компонент и «отбрасывание» работы на предыдущий этап разработки ИМ. Причиной неадекватности модели к объекту (рис.1) может стать: чрезмерное упрощение физических явлений при формализации задач (исключение из функционирования системы важных значений, этапов и сторон) и как следствие возврат на этап формализации системы; неудачный выбор способа формализации, который требует пересмотр КМ с учетом новых параметров, основанных на результатах опыта работы ИМ; недостаточное количество информационных данных об объекте, что возвращает ИМ на этап составления содержательного описания системы (поправочные данные, уточненные результаты). Завершающим этапом в разработке ИМ является исследование свойств модели, как сложного технологического процесса изготовления КПП, оценка которого осуществляется по уровню: точности имитации явлений, устойчивости результатов моделирования, чувствительности критериев качества к изменению параметров модели [7, 9].

Заключение. Представленная выше методика разработки ИМ ориентирована на кабельное производство, где критерии оценки основных параметров сложно взаимосвязанных систем определены, как результат имитации производственно-технологического процесса изготовления кабельного изделия, т.е. как комплекс технологических операций, имеющих специфические особенности для каждого объекта моделирования – единицы кабельного технологического оборудования.

Использование представленных результатов актуальны для всех компонент системы – современных кабельных машин, которые имеют в своем составе облачный модемный выход регулируемых и управляемых величин и являются итогом функционального анализа автоматизированных и регулируемых технологических процессов, входящих систем и новых технологических объектов.

Список литературы:

1. Цифровизация бизнес-процессов на кабельном предприятии: ключ к повышению конкурентоспособности https://globalcio.ru/discussion/33714/
2.  Разработка имитационных моделей сложных технических систем / И. В. Максимей, В. С. Смородин, О. М. Демиденко ; М-во образования РБ, Гом. гос. ун-т им. Ф. Скорины. – Гомель : ГГУ им. Ф. Скорины, 2014. – 298 с. – ISBN 978-985-439-951-5.
3. Имитационное моделирование систем / под. ред. А. А. Вавилова. – М.: Машиностроение; Берлин. Техника, 1983. – 416 с.
4. Левчук В. Д. Программно-технологические комплексы имитации сложных дискретных систем: монография / В. Д. Левчук, И. В. Максимей. – Гомель, 2006. – 263 с.
5. Смородин, В. С. Метод динамической имитации вероятностных производственных систем / В. С. Смородин // Математичнi машини i системи (Mathematical Machines and Systems). – 2012. – № 2. – С. 96–101.
6. Попова, Е. О. Имитационная модель технологического процесса дискретного производства / Е. О. Попова // Известия ГГУ им. Ф. Скорины.– 2003, № 3. – С. 59–63.
7. Смородин, В. С. Методы и средства имитационного моделирования технологических процессов производства : монография / В. С. Смородин, И. В. Максимей. – Гомель, 2007. – 360 с.
8. Смородин, В. С. Проектное моделирование управляемых производственных систем с резервированием схем управления / В. С. Смородин, А. В. Клименко // Известия Гомельского гос. ун-та им. Ф. Скорины. − 2014. − № 3(84). − С. 150–156.
9. Смородин, В. С. Имитационное моделирование и средства оптимизации сложных технических систем / В. С. Смородин, А. В. Клименко // Математичнi машини i системи (Mathematical Machines and Systems). – 2014. – № 4. – С. 98–109.
10. Вопросы разработки усовершенствованной системы автоматического управления волочильной машиной, имеющей длительный срок эксплуатации // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Иванова В.П. [и др.]. 2021. 5(86). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/11825 (дата обращения: 15.05.2024). https://7universum.com/ru/tech/archive/item/11825
11. Вопросы цифровой трансформации кабельного предприятия // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Пирматов Н.Б. [и др.]. 2021. 6(87). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/12024 (дата обращения: 15.05.2024). https://7universum.com/ru/tech/archive/item/12024