Научная работа: Построение системы поддержки принятия решений на базе нейро-нечетких сетей Петри

Содержание

Введение

1. Способы увеличения коэффициента использования листового металла

1.1 Рациональный раскрой листового металла

1.2 Применение систем поддержки принятия решений

2. Математический аппарат модифицированных нейро-нечетких сетей Петри

2.1 Обоснование выбранного математического аппарата

2.2 Формальное описание нейро-нечетких сетей Петри

3. Разработка программного комплекса управления материальными ресурсами листового металла с элементами СППР

3.1 Требования, предъявляемые к программному комплексу

3.2 Структура программного комплекса

3.2.1 Структура CAD/CAM-системы

3.2.2 Структура ERP-системы

3.3 Разработка подсистемы «Управление заготовительным производством»

3.3.1 Модули подсистемы «Управление заготовительным производством»

3.3.2 Теоретико- множественное описание подсистемы «Управление заготовительным производством»

4. Построение моделей алгоритмов на базе нейро-нечетких сетей Петри

4.1 Построение модели алгоритма складирования деловых остатков

4.2 Моделирование механизма приоритетного выбора деловых остатков

5. Практическое применение результатов исследования

Заключение

Список использованных источников

Введение

сеть петри модель алгоритм

Одной из основных технологических операций на машиностроительных предприятиях является раскрой листового металла на определенные заготовки. При этом рациональное использование остатков материала после раскроя влияет на технологические затраты и на другие технические и экономические показатели операционной деятельности предприятия. Рациональное использование предполагает увеличение коэффициента использования листового металла, который определяется как численное отношение массы металла в готовом изделии к массе металла, израсходованного на производство этого изделия. Задача его увеличения может решаться применением методов рационального раскроя исходного листового материала и использованием остатков листового металла после раскроя в последующих технологических процессах. Рациональное управление деловыми остатками в совокупности с освоением методов рационального раскроя имеет большое значение в области ресурсосберегающих технологий, поскольку его применение напрямую ведет к экономии исходного материала и сокращению отходов технологических процессов. При этом повышается эффективность производства, которая является одним из основных факторов конкурентоспособности предприятия в условиях рыночной экономики.

Рациональный раскрой представляет собой организацию раскроя таким образом, чтобы он обеспечивал минимальный расход исходного материала, и как можно более высокую производительность и эффективность металлорежущего оборудования. Рассмотрению вопросов рационального раскроя посвящено множество трудов отечественных и зарубежных исследователей: Л.В. Канторович, В.А. Залгаллер, Э.А. Мухачева, В.М. Картак, А.А. Петунин и другие. Решением задач раскроя-упаковки занимается специальная научная группа ESICUP - Euro Special Interest Group on Cutting and Packing (Европейская специальная группа по задачам в области раскроя упаковки), в рамках работы которой проводятся ежегодные международные конференции.

Второе направление увеличения коэффициента использования листового металла - использование возвратных остатков, недостаточно рассмотрено в научной и практической литературе, хотя оно, как правило, создает на производстве ряд трудностей, так как требует дополнительных затрат: остатки необходимо маркировать, хранить, учитывать и искать. Кроме того, при сортировке остатков на деловые и неделовые, необходимо учитывать статистический опыт использования остатков в последующих технологических операциях и осуществлять прогнозирование спроса на остатки раскроя. На сегодняшний день CAD/CAM-системы не располагают функциональными возможностями и достаточной информацией для обоснованной сортировки остатков раскроя в группы деловых и неделовых материальных ресурсов. По этой причине разработка инструментария для эффективного решения задач управления материальными ресурсами на машиностроительных предприятиях является актуальной задачей.

Наибольшую актуальность данная задача имеет в условиях единичного и серийного производства, когда номенклатура заготовок и материальных ресурсов листового металла, а также факторы сортировки остатков раскроя изменяются значительно чаще, чем при массовом производстве.

Целью исследования является автоматизация процесса принятия многокритериальных решений в сложной информационной среде при раскрое листового металла для полного и объективного анализа предметной деятельности.

Цель предопределила постановку и решение следующих задач:

– проведение анализа современных математических аппаратов предназначенных для построения СППР. Выбор и обоснование инструментария (методика и автоматизированные средства) построения СППР по управлению материальными ресурсами в рамках процесса рационального раскроя и сортировки остатков раскроя листового металла в группы деловых и неделовых материальных ресурсов;

– предложение технической реализации процесса идентификации остатков раскроя листового металла, разработка методики построения программного комплекса реализующего СППР;

– построение общей структурной схемы программного комплекса и структурных схем составляющих его информационных систем;

– определение функций СППР, функций информационных систем, из которых она строится, и функций отдельных программных модулей;

– разработка основных алгоритмов работы разрабатываемой СППР;

– составление теоретико-функционального описания разрабатываемого программного комплекса;

– реализация СППР в виде программного комплекса;

– апробация разработанного программного комплекса на практических задачах.

Теоретическая значимость работы заключается в следующем:

– предложена техническая реализация процесса идентификации и сортировки остатков раскроя листового металла в группы деловых и неделовых материальных ресурсов;

– предложено модифицированное расширение сетей Петри. Аппарат модифицированных сетей Петри был построен на базе нейро-нечетких сетей Петри. Такое расширение усиливает выразительные свойства математического аппарата сетей Петри, и может быть использовано для моделирования и анализа СППР;

– сделано теоретико-функциональное описание СППР по управлению материальными ресурсами в рамках сортировки остатков раскроя листового металла.

Практическая значимость результатов исследования заключается в их направленности на решение конкретных производственных задач по управлению материальными ресурсами на машиностроительных предприятиях для увеличения коэффициента использования металла с целью снижения удельных затрат на листовой металл и увеличения объема производства и реализации продукции.

Методологической и теоретической базой исследования явились работы отечественных и зарубежных исследователей в области бережливого производства, решения задач раскроя-упаковки, задач сортировки и идентификации, поддержки принятия решений в условиях многокритериальности. Научно-методический инструментарий исследования включает системный подход, методы теории сетей Петри с различными расширениями, методы экспертных оценок.

На защиту выносятся следующие положения:

– Модифицированное расширение математического аппарата сетей Петри, основанное на комбинировании свойств различных расширений сетей Петри;

– Методика построения СППР по управлению материальными ресурсами листового металла;

– Техническая реализация идентификации и сортировки остатков раскроя листового металла в группы деловых и неделовых материальных ресурсов.

Разработанные предложения прошли апробацию на научно-практических конференциях, а также опубликованы в журналах и сборниках трудов конференций.

По теме исследования подготовлено 13 работ, из них 2 из перечня рецензируемых изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты.

1. Способы увеличения коэффициента использования листового металла

Увеличение коэффициента использования листового металла достигают двумя основными способами: первый способ - это применение алгоритмов рационального раскроя, а второй способ - использование остатков раскроя листового металла в последующих технологических операциях.

1.1 Рациональный раскрой листового металла

Математически задача рационального раскроя является NP-трудной задачей, под которой понимается наиболее выгодное в определенных условиях расположение геометрических объектов в заданных областях.

Задачу раскроя как задачу оптимизации можно определить следующим образом. Пусть A₁,A₂,…,A_n - это заготовки, а B₁,B₂,…,B_m - области их размещения. При этом расположение каждой конкретной заготовки A_i, определяется тремя координатами x_i,y_i,ц_i где x_i,y_i - это абсцисса и ордината фиксированной точки, а ц_i - угол поворота заготовки на плоскости. Тогда задача раскроя сводится к определению параметров размещения заготовок, при которых некоторая целевая функция F(x₁,y₁,ц₁,x₂,y₃,ц₂,…,x_n,y_n,ц_n) достигает своего экстремума. При этом должны выполняться условия размещения заготовок внутри одной из областей размещения B₁,B₂,…,B_m, условия взаимного не пересечения заготовок и условия, определяемые технологическими особенностями процесса раскроя, то есть:

, (1.1)

, (1.2)

, (1.3)

, (1.4)

где (1.2) - условия взаимного не пересечения объектов; (1.3) - условия расположения в области размещения; (1.4) - прочие условия.

В нашем случае целевой функцией F является функция, значение которой равно коэффициенту использования металла k:

, (1.5)

где S_i - площадь i-й заготовки, а P - суммарная площадь использованного листа металла.

Ограничения (1.2) - (1.4) в аналитическом виде неизвестны, по этой причине для решения задачи раскроя не существуют аналитические методы решения. При решении такого рода задач используются в основном приближенные вычислительные методы. Точные методы, в данном случае, применимы лишь к задачам с небольшой размерностью n и с сильными ограничениями на геометрию заготовок.

Существует множество теоретических трудов и практических разработок, посвященных применению алгоритмов рационального раскроя промышленных материалов. Первыми отечественными работами, положившими начало исследованиям в области методов рационального раскроя, были работы Канторовича Л. В. и Залгаллера В. А. На заре научных поисков в области рационального раскроя многие предлагаемые способы оптимизации были основаны на линейных моделях и методах линейного программирования [1]. Позже были разработаны точные методы, с использованием методологии «ветвей и границ», которые описаны в работах И. В. Романовского. Э. А. Мухачевой предложен сеточный метод генерирования раскроев с максимальной оценкой. Сегодня для решения задач раскроя чаще применяются простые однопроходные и многопроходные эвристики, а также метаэвристические алгоритмы, такие как генетический алгоритм или алгоритм поиска с запретами. [2-9].

Поскольку по вопросам рационального раскроя исследователями наработан большой теоретический материал, то это привело к тому, что на сегодняшний день рынок информационных технологий предлагает удобное программное обеспечение (ПО) с широким функционалом, которое способствует оптимизации фигурного раскроя с помощью различных математических алгоритмов. Такого рода ПО предназначено для создания карт раскроя и вывода управляющих программ. Оно относится к классу CAD/CAM-систем, которые позволяют проектировать на ЭВМ карты раскроя и формировать управляющие программы для оборудования с ЧПУ. Примерами таких программных средств являются: Техтран, Интех-Раскрой, Сириус, Астра раскрой, T-Flex, Lantek Expert, Wrykrys, Aptia Solutions, ProNest, Mazak Smart System и другие. Многие из этих программных продуктов позволяют сохранить остаток раскроя, но ни один из них не оказывает помощи специалисту, ответственному за раскрой, в принятии решения по отнесению остатка раскроя в группу деловых или неделовых остатков, то есть не реализуют СППР.

1.2 Применение систем поддержки принятия решений

Системы поддержки принятия решений (СППР), в рамках задачи увеличения коэффициента использования листового металла, способны помочь в оперативном формировании оптимальных карт раскроя и оперативной и обоснованной сортировке остатков раскроя по группам деловых и неделовых остатков в условиях единичного и серийного производства.

Системы поддержки принятия решений (СППР) представляют собой автоматизированные системы, помогающие людям принимать решения в сложных условиях. В большей или меньшей степени СППР присутствуют практически в любой информационной системе. На предприятиях СППР позволяют облегчить работу лицам принимающим решения и тем самым повышают их эффективность. Наиболее сложными и способными найти решение неструктурированных и слабоструктурированных задач, в том числе и многокритериальных, являются системы поддержки принятия решений, осуществляющие динамическое моделирование процессов. При использовании методов динамического моделирования предметная область описывается в виде некоторой модели, в которой все связи и процессы представляются системой взаимосвязанных вычисляемых показателей.