Прикладные аспекты имитационного моделирования. Учебное пособие

4.2. Имитационное моделирование в производстве

Таблица 4.2

Некоторые характеристики систем имитационного моделирования

Перечисленные в табл. 4.2 факторы в достаточной мере характеризуют пакет Simulink, который полностью интегрирован с Matlab. Simulink предоставляет возможности:

•построения графических диаграмм;

•имитации динамических систем;

•исследования и повышения эффективности проектов. Характеристики, указанных в таблице программных средств, имеют

достаточную функциональность и высокую эффективность для исследования сложных систем с использованием имитационного моделирования.

61

4.Прикладные аспекты имитационного моделирования

Взаключение отметим, что популярность пакета в значительной мере определяется такими факторами, как:

•используемые средства программирования и их удобство;

•состав математических методов;

•используемые средства визуализации результатов исследования;

•стоимость лицензии.

4.3. Современные СИМ в горнодобывающей отрасли

Основная задача по поддержанию эффективности и прибыльности добычи полезных ископаемых состоит в модернизации технических средств, а также в использовании новых способов организации процессов на предприятии, одним из которых является применение методов и средств имитационного моделирования. Начало этого применения было связано с планированием процессов бурения, взрывания, удаления породы и крепления в забоях угольной шахты. После этого методы моделирования стали использовать для анализа функционирования всей транспортной сети шахты (автомобили самосвалы, экскаваторы, рельсовый транспорт и т.д.). С появлением удобных языков моделирования стали интенсивно развиваться приложения для решения различных задач в горнодобывающей отрасли. В настоящее время одним из лидеров в разработке ПО в горнодобывающей отрасли является компания АnyLogic, имеющая мировую сеть партнёров и команду специалистов из России, Европы и США.

АnyLogic. Имитационные модели, которые АnyLogic использует в своих решениях, позволяют отслеживать процессы предприятия в динамике и получать необходимые статистические данные. Такой подход даёт возможность выполнять анализ, оптимизацию и проводить эксперименты, не прерывая работу. Программные средства AnyLogic позволяют проводить тестирование вариантов различных ситуаций, анализ функционирования шахты в динамике и оценивать возможные риски, что существенно повысит эффективность работы шахты на любом участке работ.

Моделирование естественных и непредвиденных ограничений, возникающих в транспортной сети шахт, даёт возможность оптимизировать их маршруты и расписания. Программа позволяет тестировать, ана-

62

4.3. Современные СИМ в горнодобывающей отрасли

лизировать, выполнять оптимизацию разных сценариев в работе шахт и визуализировать результаты моделирования.

Таким образом, среди типовых задач горнодобывающей отрасли, решаемых компанией AnyLogic, такие как планирование объёмов добычи, разработка производственных процессов шахты их анализ и оптимизация.

Компанией разработано ПО (Mining Simulation Tool) для оперативного планирования работ в шахте, которое поддерживает:

•импорт данных из программ управления предприятием;

•интерфейс интерактивного ввода данных на базе плана шахты;

•динамическое, событийное моделирование;

•формирование отчётов в разных видах (графики, таблицы);

•экспорт результатов моделирования.

Среди других задач горнодобывающей отрасли отметим следующие.

1.Составление маршрутов транспорта и его графиков работ.

Вупрощённой модели рудника описывается объём отбитой породы и процессы её добычи и транспортировки на поверхность, а с помощью моделирования формируется оптимальная работа каждого элемента системы:

•складов, мест базирования транспортёров и заряжающих машин;

•гаража – места базирования самоходных буровых установок и по- грузочно-доставочных машин;

•накопителей – места временного хранения породы перед её погрузкой в вагонетки;

•опрокидывателя – места приёма породы у железной дороги.

2.Уровень использования оборудования, оптимальный состав машинного парка и вопросы аренды/лизинга.

Моделирование процессов подземной добычи позволяет снизить издержки, сохранив прежние объёмы добычи. При этом модель используется для ежемесячного планирования горных работ, обнаружения потенциально «узких» мест в процессах добычи и оценки допустимых изменений.

3.Прогнозирование и анализ темпов добычи в динамике. Моделирование работы групп шахт и разрезов в условиях непред-

видимых затрат на добычу и изменений производственных мощностей позволяет сформировать наиболее прибыльную группу шахт, а также выполнить прогноз объёмов добычи при различных сценариях.

63

4. Прикладные аспекты имитационного моделирования

RPMGlobal. Компания RPMGlobal, как и АnyLogic, предлагает программные решения для «цифрового» горнодобывающего предприятия. Среди таких решений компания RPMGlobal предлагает анализ и контроль всех ключевых процессов, сведение воедино планирования, технического обслуживания, имитационного моделирования и анализ затрат.

Предлагаемые компанией продукты решают следующие проблемы: 1. Проектирование и оценка запасов.

Возможно пошаговое изменение плана добычи благодаря обновлению данных в реальном времени. Программа моделирования запасов (RESERVER) предоставляет данные о влиянии геологических данных на план добычи, что снижает операционные затраты. Плюсом программы RESERVER является легкое внесение в план горных работ новых данных

оместорождении и проверки на необходимость изменения плана добычи.

2.Производство горных работ.

Программа отчётности горных работ (MinVu) – обязательный компонент «цифрового» горнодобывающего предприятия, гарантирующий единый и истинный источник сведений о горных работах. MinVu представляет мощную платформу отчётности, базирующуюся на быстром объединении данных, их проверки, стандартизации и интеграции массивов данных.

3. Общее и календарное планирование.

Программа XECUTE минимизирует ввод данных и максимально увеличивает эффективность планирования, адаптивность и гибкость благодаря связыванию планирования и производства с трёхмерной визуализацией взаимосвязи подразделений предприятия и интеграции данных проекта и календарного планирования.

4. Обслуживание активов и мощностей предприятия.

Эффективное управление активами горнодобывающего предприятия – залог долгосрочного успеха. Программа AMT Asset Maintenance Tools предназначена для моделирования технического обслуживания оборудования на уровне смены. Она динамически связана с затратами в течение жизненного цикла оборудования для получения точной оценки текущего состояния оборудования.

5. Имитационное моделирование горных работ.

Программа SIMULATE – специально разработанный инструмент дискретно-событийного моделирования комплексных трёхмерных усло-

64

4.4. Моделирование в логистике и цепях поставок

вий ведения горных работ, с помощью индивидуально подбираемого оборудования. Функционально SIMULATE позволяет создавать цифровой «двойник» любых горных работ для получения отображения любых транспортных операций и демонстрации значимости определенного оборудования и возможных услуг.

Впрограмме HAULSIM интегрируются транспортная сеть, парк оборудования, планы добычи и человеческий ресурс, что позволяет создать цифровой двойник горных работ для получения отображения транспортных процессов в динамике на всех участках добычи. Программа HAULSIM реализует трёхмерное моделирование и позволяет количественно оценить последствия возможных изменений.

ВРоссии ПО имитационного моделирования горных работ широко используется и совершенствуется на всех предприятиях и во всех организациях горнодобывающей промышленности.

4.4. Моделирование в логистике и цепях поставок

Логистика – выбор оптимального варианта поставки необходимого количества товарно-материальных ресурсов, в заданное время и место с минимальными затратами. Таким образом, главное содержание логистики заключается в оптимизации затрат в процессе производства товара, его сбыта и сервиса.

Общая задача управления логистикой практически состоит из управления следующими компонентами:

•складскими сооружениями;

•запасами товаров и местом их нахождения;

•транспортом и тарой для перевозки товаров;

•информационное сопровождение процесса транспортировки товара. Управление цепочками поставок – комплексное управление ин-

формацией о материальных потоках (сырьё, материалы, комплектующие, продукты) в логистических и производственных процессах предприятия.

Логистическая сеть – одно из основных понятий в области моделирования логистических систем независимо от их назначения. При этом различают внутренние логистические сети предприятия и внешние логистические сети (сети поставок). В широком смысле производственная ло-

65

4. Прикладные аспекты имитационного моделирования

гистика – процесс управления материальными потоками от источника сырья и до доставки готового продукта конечному потребителю.

Вметодах моделирования логистических сетей используются графические модели, которые носят качественный характер и математические модели, которые носят количественный характер.

Врезультате применения количественных моделей получаются численные оценки функционирования логистической сети. Анализ таких оценок позволяет делать выводы о топологии сети, требуемых ресурсах сети и использовать их для решения вопросов управления сетью.

Специфика ИМ заключается в получении оценок показателей функционирования моделируемой системы как функций времени. В связи с этим компьютерная программа ИМ ориентирована на выполнение численных экспериментов для решения задачи анализа логистической системы.

Принципы построения и применения имитационных моделей.

При организации процесса ИМ, в частности в логистике и цепях поставок, выполняются такие этапы, как:

•формирование модели предметной области с целью получения обобщённой схемы модели;

•создание модели на базе выбранного ПИМ, т.е. преобразование обобщённой схемы модели в машинную модель путём алгоритмизации и программирования модели;

•выполнение имитационных экспериментов, т.е. проведение расчётов в компьютере с помощью выбранного пакета моделирования и интерпретация полученных результатов.

Создавая модель предметной области, разработчик обычно ориентируется на конкретный ПИМ, в котором модель представляется сетевой структурой с узлами, отображающими элементы, которым соответствуют библиотечные компоненты. В связи с этим пользователь, знающий ПИМ, без проблем выберет из библиотеки оптимальные компоненты для концептуальной сетевой модели. Однако этап формирования концептуальной сетевой модели представляет наибольшие трудности, так как на нём учитываются принципы построения многих частичных моделей, отражающих:

•движение материальных потоков, их ассортимент и объёмы;

•размещение объектов логистики (грузов, товаров);

66

4.4.Моделирование в логистике и цепях поставок

•длительности проведения технологических операций;

•маршруты движения транспортных средств;

•дисциплины обработки очередей ожидания;

•управления запасами и процессами распределения ресурсов. Перечисленные частичные модели в совокупности отражают мо-

дель развития процесса в логистической системе.

Разработка имитационных моделей и реализация процесса ИМ выполняется популярными пакетами ИМ, такими как AnyLogic, Arena,

AutoMod, eM-Plant, Enterprise Dynamics, Extend, ProModel, QUEST, Simul8,

WITNESS и другими универсальными и специализированными пакетами. На рис. 4.9 иллюстрируется в виде «чёрного ящика» модель логи-

стической системы.

Рис. 4.9. Исходные данные и результаты имитационного моделирования логистической системы

Представление модели как «чёрного ящика» характерно для этапа подготовки и выполнения имитационных экспериментов с моделью. При этом данными на выходе модели в частности являются:

•объём перевезённых грузов и число выполненных поездок;

•временные характеристики операций по обработке заказов;

•общая длина пути транспортных средств и т.п.

Используя перечисленные данные, можно выполнить расчёт практически любых показателей экономического характера.

К основным преимуществам ИМ относятся:

67

4.Прикладные аспекты имитационного моделирования

•самостоятельность в степени детализации процессов;

•свобода выбора алгоритмов, используемых в модели;

•свобода выбора структуры и объёма исходных данных. Применение ИМ в логистике связано с определёнными сложно-

стями:

1.Относительно высокая стоимость пакета и его сопровождения, создание и верификация модели.

2.Высокая доля субъективизма в разработанной модели.

3.Повышение точности модели конкретной системы снижает эффективность её применения для исследования других систем.

Модели систем внутренней логистики. Содержание внутренней логистической системы предприятия составляют все процессы обработки товаров на своих производственных складах. Для исследования этих процессов разрабатываются следующие модели:

•всех систем перевозки грузов;

•всех складских процессов от приёма грузов до отправки клиентам;

•функционирования производственных линий.

Создавая модель с помощью практически всех ПИМ, разработчику, как правило, приходится писать собственные программы, связанные в основном с вопросами сбора, обработки и визуализации данных отдельных событий логистики.

Модели сетей поставок. В отличие от внутренней логистической системы предприятия, содержанием систем сетевых поставок является перемещение и обработка объектов между географическими пунктами. Например, типовым содержанием задач внешней логистики оптового предприятия является наполнение своих складов грузами и товарами, их распределение и перемещение между своими складами и перевозка со своих складов к заказчикам. Вместе с тем все процессы накопления, перемещения, хранения грузов и товаров внутри складов предприятия являются его внутренней логистикой. Как правило, модели внутренней и внешней логистики разрабатываются и используются в пакетах ИМ раздельно, но иногда они представляют собой комплексную модель.

Отметим, что при разработке моделей сетей поставок уже на этапе создания концептуальной модели возникает ряд трудностей связанных с чётким пониманием следующих моментов:

68

4.4.Моделирование в логистике и цепях поставок

•входные и выходные потоки сети и её границы;

•географические пункты и транспортные системы;

•виды транспорта и их тарифы на перевозку;

•места промежуточного хранения и тарифы на их услуги;

•ограничения, связанные с выбором транспортных систем;

•стратегий управления сетями поставок.

Количество элементов в современной логистической сети (поставщики, клиенты, исполнители, пункты и т.п.), которое определяет её размерность, может достигать нескольких тысяч и усложнить решение задач по формированию модели.

Внастоящее время модели сетей поставок в основном разрабатываются, например, с помощью таких ПИМ, как Arena, Extend, AnyLogic, ProModel и других популярных пакетов. На рынке информационных технологий предлагаются и специализированные ПИМ сетевых поставок грузов и товаров (PRODISI, LogicNet Plus, Supply Chain Builder и SimFlex). Для таких пакетов создан интерфейс пользователя, облегчающий формирование структуры сети поставок с помощью географической информационной системы. Такой интерфейс является типовым и для других специализированных ПИМ.

Взаключение можно отметить, что примерно на рубеже 2005 г. усилия разработчиков в области моделирования сетей поставок стали смещаться от решения задач универсальными или специализированными средствами программирования к широкому применению средств ИМ для анализа сетей с различными стратегиями управления цепями поставок.

Вразвитых странах Европы и США ИМ логистических сетей различного назначения является практически неотъемлемой составляющей проектов по разработке или модернизации логистических систем. При этом имеется много фирм, предлагающих такие услуги. Сегодня многие заказчики уже поняли, что для создания сложных моделей необходимо привлекать только специалистов в области ИМ логистических систем, которые на базе инженерных и экономических знаний должны:

•понимать структуру и принципы организации систем логистики;

•использовать методы системного анализа и управления проектами;

•владеть математическими методами ИМ и умением свободно создавать собственные компьютерные программы;

69

4.Прикладные аспекты имитационного моделирования

•иметь навыки работы с несколькими ПИМ;

•иметь навыки работы по интеграции моделей в разных системах.

4.5.Моделирование и анализ бизнес-процессов

Имитационное моделирование бизнес-процессов активно применяется на Западе, а с началом 2000-х гг. и в России. Отличительной особенностью имитационной модели является возможность продемонстрировать развитие процесса во времени и при необходимости оперативно корректировать принимаемые решения, а также выполнить анализ случайных факторов и связанных с ними рисками.

В настоящее время организационные сложности в реализации биз- нес-процессов указывают на то, что любому из них присуща поведенческая сложность. В связи с этим усиливается роль реинжиниринга, т.е. серьёзного переосмысления и радикальной перестройки бизнес-процессов.

Имитационное моделирование становится необходимым инструментом анализа поведения бизнес-процессов и планирования разнообразных управленческих ситуаций. На отечественном рынке распространены несколько программных продуктов, среди которых BPWin – симулятор Arena, ARIS Simulation и симулятор QUEST. Средства имитационного моделирования обеспечивают:

•визуализацию бизнес-процессов и анализ узких мест в динамике;

•накопление и анализ временных и стоимостных показателей эффективности бизнес-процессов;

•реализацию процесса реинжиниринга;

•оптимизацию бизнес-процессов.

Сегодня имеется успешное использование системной динамики для задач реинжиниринга и реализации масштабных проектов с моделированием сложных управленческих сценариев. Имитационные модели отражают динамику поведения реального бизнес-процесса во времени, что даёт возможность прогнозировать его развитие с учётом случайных факторов внешней среды. В бизнес-процессах особую роль играют отношения между элементами, так как они определяют поведенческую сложность процесса и возможность его управления. Среди основных аспектов поведения бизнес-процессов выделяют управление персоналом, финансами, качеством и обслуживанием клиентов.

70