При управлении технологическими процессами и производствами существенна роль методов системного анализа и обработки информации, совокупность которых позволяет формализовать многие возникающие проблемы как задачи оптимизации и принятия решений в условиях неопределенности. Природа неопределенности может заключаться в недостаточности или нечеткости информации, стохастичности или злонамеренности внешних воздействий, а также многокритериальности объектов управления. Все виды неопределенности, связанные с управлением промышленных предприятий и рассмотренные в книге, обусловливают необходимость разработки информационных систем управления, обладающих тем или иным набором интеллектуальных элементов, позволяющих снижать степень неопределенности и принимать обоснованные управленческие решения. Под интеллектуальными элементами человеко-машинной системы управления здесь понимаются модели и алгоритмы, позволяющие осуществлять обработку огромных массивов данных и получать из них полезную информацию, моделировать материальные и информационные потоки в сложных производственных системах, планировать и синхронизировать производство, делать многокритериальный выбор на основе коллективного принятия решений.

Следует отметить, что основу книги составили результаты исследований авторов и их курсы лекций, которые в течение последних лет читаются в магистратуре Пермского национального исследовательского политехнического университета по таким учебным дисциплинам как «Системная инженерия», «Интеллектуальные информационные системы и технологии», «Проектирование единого информационного пространства виртуальных предприятий», «Распределенные базы и банки данных», «Информационные системы управления предприятием».

В книге достаточно подробно изложены современные модели и лучшие зарубежные практики в области управления производством и предприятия в целом. Подробно изложены наиболее востребованные на сегодня концепции, такие как «Бережливое производство», «Теория ограничений», «Быстрореагирующее производство» и «Синхронизированное производство» в наложении на широкий спектр автоматизированных систем управления предприятием: ERP, MES, APS, PLM и т. д. Также в книге рассмотрены концепции и подходы к решению задач управления производством, позволяющие осуществить постепенный переход от автоматизированной системы управления предприятием к интеллектуальной системе управления предприятием.

Книга содержит много оригинальных результатов авторов, полученных при реализации проектов, направленных на разработку и внедрение информационных систем управления для промышленных предприятий в различных промышленных отраслях: гражданское и специальное машиностроение, металлургия, кабельное производство, авиастроение, пищевая промышленность, генерирующие компании и прочие. Решения, предложенные авторами, могут быть адаптированы и применены в других отраслях промышленности при учете специфики и характеристик предприятий.

Книга будет полезна научным работникам и специалистам в области управления производством и технологическими процессами, а также студентам и аспирантам, обучающимся по направлениям «Прикладная математика и информатика», «Фундаментальная информатика и информационные технологии», «Автоматизированные системы управления производством и технологическими процессами», «Информационные системы и технологии».

Книга состоит из 5 глав. Краткое содержание книги по ее разделам приведено ниже.

В первой главе рассмотрены этапы развития подходов к автоматизации и интеллектуализации процессов управления производственным предприятием и производством, в частности. Показаны основные экономические и социальные предпосылки появления интеллектуальных предприятий, описаны признаки, которые отличают интеллектуальное предприятие. Подробно рассмотрены подходы к описанию бизнес-процессов предприятия, описаны инструменты моделирования. В главе также рассказывается об эволюции интеллектуальных систем управления предприятием, включая стадии перехода к цифровому производству и интеллектуальной системе управления. Глава подготовлена А.В. Вожаковым и В.Ю. Столбовым.

Во второй главе подробно рассмотрены принципы и модели управления производственными системами, подробно рассмотрены методы и инструменты таких популярных концепций как «Бережливое производство», «Теория ограничений», «Быстрореагирующее производство». В главе приводится описание оригинальных концепций сетецентрического и синхронизированного производств, а также интеллектуального управления производством. Приведены практические рекомендации и подходы к построению интеллектуальной системы управления предприятием. Глава подготовлена А.В. Вожаковым и С.А. Федосеевым.

Третья глава посвящена математическому моделированию процессов при интеллектуальном управлении производством. Рассматриваются универсальные математические модели и инструменты, используемые для построения интеллектуальных систем, в том числе в условиях нечеткой исходной информации и нечетких исходных данных. Глава подготовлена А.В. Вожаковым и В.Ю. Столбовым при использовании материалов профессора М.Б. Гитмана.

В четвертой главе разобраны примеры управления на этапах планирования производства, рассмотрены модели объёмного планирования производства, формирования оптимального портфеля продаж, формирования детального плана производства и синхронизации дискретного производства. Глава подготовлена А.В. Вожаковым и С.А. Федосеевым.

Пятая глава посвящена практической реализации интеллектуальной системы управления предприятием и инструментам, доступным для реализации концепции. Рассматриваются подходы и опыт автора при реализации интеллектуальных элементов в рамках внедрения тиражного решения «1С ERP Управление предприятием 2», подробно описаны подходы, позволяющие минимизировать затраты при построении интеллектуальной системы управления на базе существующих автоматизированных системы управления, таких как ERP, MES, PLM и т. д. Глава написана А.В. Вожаковым.

Результаты, включенные в книгу, появились вследствие многолетней работы и сотрудничества с коллегами из Института проблем управления РАН, Воронежского государственного технического университета, Липецкого ГТУ, Магнитогорского ГТУ, Южно-Уральского государственного университета, ПАО «Мотовилихинские заводы», АО «Редуктор-ПМ» и других организаций и предприятий.

Авторы выражают глубокую благодарность профессору, доктору математических наук, соавтору настоящей книги Михаилу Борисовичу Гитману, ушедшему из жизни в минувшем году. Пусть со стороны авторов данная книга будет памятью о коллеге, научном руководителе и близком друге.

Глава 1. Интеллектуальное предприятие и цифровое производство

1.1. Интеллектуальное предприятие

1.1.1 Экономические и социальные предпосылки появления интеллектуальных предприятий

С момента появления первых счет (3000 лет до нашей эры) до появления первых электронных вычислительных машин (40-е годы двадцатого столетия) прошло почти пять тысяч лет, т. е. вычислительная техника сопровождала человечество на протяжении практически всей истории. Все это время влияние вычислительной техники на историю человечества нельзя назвать глобальным. Однако ситуация резко изменилась за последние полвека. Компьютеры плотно вошли во все сферы деятельности человека. Они радикально меняют скорость и производительность многих процессов, создают новые возможности, представить которые ранее было невозможно.

Данная книга посвящена узкой области использования интеллектуальных систем – созданию интеллектуальных промышленных предприятий. Ниже будут подробно рассмотрены определения интеллектуальных систем, история возникновения, основные этапы развития и перспективы будущего. Индустрия 4.0, промышленные роботы, интернет вещей – все это уже существующие технологии, которые будут определять облик промышленного предприятия в будущем. Это сегодня популярные темы, но мало кто может сказать, что видит картину в целом, как реально будет развиваться промышленность при переходе к стадии построения интеллектуальных предприятий.

Рассмотрение данного вопроса следовало бы начать собственно с определения того, а чем же является интеллектуальное предприятие. На сегодня не существует устоявшегося и общепризнанного определения того, что же является интеллектуальным предприятием. Предприятие – самостоятельный, организационно-обособленный хозяйствующий субъект с правами юридического лица, который производит и сбывает товары, выполняет работы, оказывает услуги [1–3]. В современных условиях предприятие является основным звеном рыночной экономики, поскольку именно на этом уровне создаются нужные обществу товары, оказываются необходимые услуги. Предприятие как юридическое лицо имеет право заниматься любой хозяйственной деятельностью, не запрещенной законодательством и отвечающей целям создания предприятия, предусмотренным в уставе предприятия. Предприятие имеет самостоятельный баланс, расчетный и иные счета в банках, печать со своим наименованием [2,3].

Искусственный интеллект (ИИ; англ. artificial intelligence, AI) – наука и технология создания интеллектуальных машин, особенно интеллектуальных компьютерных программ [4]. Свойство интеллектуальных систем – выполнять творческие функции, которые традиционно считаются прерогативой человека [5]. ИИ связан со сходной задачей использования компьютеров для понимания человеческого интеллекта, но не обязательно ограничивается биологически правдоподобными методами [4]. Существующие на сегодня интеллектуальные системы имеют очень узкие области применения. Например, программы, способные обыграть человека в шахматы, не могут отвечать на вопросы и т. д. [6]. Возможность формирования идеи интеллектуального предприятия появилась во многом благодаря развитию информационных технологий (ИТ, также – информационно-коммуникационные технологии [7,8]), под которыми понимаются процессы, методы поиска, сбора, хранения, обработки, предоставления, распространения информации и способы осуществления таких процессов и методов (ФЗ № 149-ФЗ) [9]; приёмы, способы и методы применения средств вычислительной техники при выполнении функций сбора, хранения, обработки, передачи и использования данных (ГОСТ 34.003-90) [10]; ресурсы, необходимые для сбора, обработки, хранения и распространения информации (ISO/IEC 38500:2008). Исходя из предложенных определений, очевидно, что под интеллектуальным предприятием понимается некое промышленном предприятие (завод), которое управляется искусственным интеллектом и возможно полностью обходится без людей.

Известные фантасты уже в двадцатом веке описали то, какими будут предприятия будущего. Интеллектуальный холодильник проанализирует наличие продуктов, выявит потребность в восполнении запасов продуктов, направит заказ в интеллектуальный агрегатор заказов, который сформирует заказ на производство интеллектуальному предприятию, которое, в свою очередь, в полностью автоматическом режиме произведет необходимые товары с использованием промышленных роботов, станков с ЧПУ, автоматических систем хранения и беспилотных транспортных средств. Человеку остается лишь созерцать работу идеально функционирующего механизма. Возможно, искусственный интеллект оставит человеку сферу творчества и исследований, но как сегодня показывает жизнь – это вовсе не гарантировано, взять хотя бы искусственный интеллект, который уже сегодня пишет музыку, проектирует новые изделия и т. п.

При этом мы понимаем, что до такого будущего вроде бы еще далеко, но ведь уже сегодня существуют заводы, на которых до 90 % всех работ выполняют роботы; станки с ЧПУ за одну установку выполняют обработку детали, которую ранее осуществляли десятки людей; автоматические системы складского хранения полностью автоматически управляют работой склада; беспилотные автомобили вот-вот появятся на улицах крупных городов. И эта тенденция с каждым днем прослеживается все сильнее. И тут, конечно, нельзя не задать себе еще один вопрос – а чем будут заняты люди, которые ранее трудились в тех сферах деятельности, которые теперь переданы в компетенцию искусственного интеллекта? На этот вопрос на сегодня ответа нет и это обстоятельство очень настораживает. Здесь следует задать и еще один вопрос – а зачем человечество с такой скоростью движется к тому, чтобы передать все компетенции искусственному интеллекту? А ответ крайне прост – те операции, которые подлежат к передаче в область ведения искусственного интеллекта, как правило, выполняются в сотни раз эффективнее, быстрее, с меньшим количеством ошибок, круглосуточно и без выходных. Как правило, это приводит к существенному росту производительности и эффективности предприятия, что увеличивает прибыль предприятия и создает возможность для дальнейшего развития, а далее цикл повторятся снова и снова.

При этом каждый день появляются новые технологии и научные открытия, которые позволяют решать все более сложные и сложные задачи, сами технологии становятся дешевле, а производство роботов доступнее.

При этом переход в состояние будущего произойдет не завтра, человечеству предстоит еще пройти большой путь, разработать математические модели процессов, решить множество сложных математических задач и научить искусственный интеллект решать эти задачи. Кроме того, надо понимать, что переход к полностью автоматическим предприятиям будет постепенным, а это значит, что человек еще долго будет играть основную роль в процессах управления предприятием и в основной деятельности предприятия, что означает, что искусственному интеллекту предстоит работать с человеком, учитывать человеческий фактор и менталитет. Эти обстоятельства чрезвычайно усложняют задачи управления предприятием, ведь речь идет не об управлении механической системой, а об управлении сложной социально-технической системой с множеством неопределенностей, накопленных неточностях информации и ошибках.

Целью данной книги является формирование у читателя целостной картины о проблемах, характерных для управления производственным предприятием, о том, какие направления повышения эффективности существуют, какие практические инструменты следует использовать и на чем следует сфокусировать внимание в первую очередь. Будут рассмотрены актуальные задачи управления производством и способы их решения. Используя данную книгу как отправную точку, читатель сможет продолжить самостоятельное изучение предмета, погружаясь в проблемы управления все глубже и глубже.

1.2.1 Основные признаки интеллектуального предприятия

В современных условиях быстроменяющейся конъюнктуры рынков сбыта, труда, технологий и инноваций эффективное управление промышленным предприятием становится все более сложной проблемой. В новом технологическом укладе резко возрастает роль информационных технологий, связанных с развитием глобальных информационных систем, искусственного интеллекта и интегрированных высокоскоростных систем коммуникаций. Информационное общество испытывает постоянный дефицит полезной информации, необходимой для принятия правильных решений. Это в полной мере относится и к промышленному предприятию, успешное функционирование и развитие которого напрямую связано с использованием новых моделей организации производства и специальных механизмов управления эволюцией предприятия. Как утверждают авторы [11], наиболее эффективно овладевает капиталом предприятие, обеспечивающее самоорганизацию, а также обучение и адаптацию его работников в условиях быстрых изменений. В рамках этой концепции предприятие рассматривается как развивающаяся система, в основе которой лежит самоорганизация. При этом такая система обычно имеет иерархическую структуру, так или иначе упорядоченную на каждом из уровней иерархии. Управление большой и сложной производственной системой предусматривает постоянное и интенсивное взаимодействие с внешним миром, в том числе информационный обмен. Такие системы принято называть открытыми, в которых при определенных условиях возможны процессы самоорганизации, т. е. возникновение устойчивых состояний организованности и поддержания порядка в системе. В качестве меры упорядоченности часто используют энтропию. Поэтому логично управлять упорядоченностью системы путем снижения или повышения ее энтропии в зависимости от стратегических целей предприятия [12]. Другими словами, необходимо создавать условия для самоорганизации системы и обоснованно ожидать появления новых структур, приводящих к новому устойчивому состоянию. Для повышения организованности сложной производственной системы необходимо оказать на нее дополнительное внешнее воздействие, т. е. увеличить степень открытости, которой будет соответствовать новый, более высокий уровень организации системы. Однако, размыкая систему с целью ее самоорганизации, необходимо обосновать возможную степень ее синергетической открытости, т. к. превышение допустимого порога может привести к тому, что система, не успев самоорганизоваться, разрушится [13,14].

Кроме обеспечения самоорганизации с целью своего развития предприятие должно непрерывно использовать обучение и адаптацию, для чего необходим интеллект. Поэтому в [11] дается следующее определение: «Интеллектуальное предприятие – это самоорганизация, обучение и адаптация». Это определение подразумевает, что способность к самоорганизации органически присуща предприятию как развивающейся системе, а способность к обучению и адаптации – интеллекту. При этом интеллектуальное предприятие реализует процессы обучения и адаптации с помощью «спиралей прогресса», которые представляют собой восходящие последовательности циклов «исследование-производство». Каждый цикл повышает эффективность производства и качество выпускаемой продукции за счет внедрения новых технологий и выпуска новых продуктов, т. е. инноваций. Поэтому первым важным признаком интеллектуальности предприятия является количество контролируемых им «спиралей прогресса», с помощью которых постоянно решаются задачи овладения капиталом в изменяющихся условиях. Для реализации циклов «исследование-производство» структура предприятия должна включать научно-исследовательское подразделение, специальное конструкторское бюро и опытное производство. Поддержание «спирали прогресса» в долгосрочной перспективе невозможно без эффективного стимулирования инновационных процессов, протекающих в развивающейся системе. Предприятие должно не только создавать новые продукты и технологии, но и быстро осваивать их в производстве, а также продвигать их на внутреннем и мировом рынке. Для этого интеллектуальное предприятие должно активно участвовать в кооперации и интеграции с наукой и образованием. Тесное сотрудничество с научно-исследовательскими институтами и университетами позволит поддерживать экономический рост и конкурентоспособность предприятия на мировых рынках [15].

Вторым важным признаком интеллектуального предприятия является применение эффективных механизмов управления руководителями этого предприятия в практике своей деятельности, которые могут быть названы механизмами умного управления [16–18]. Под умным управлением понимается способность умных руководителей применять умные методы и механизмы в своей производственной деятельности [16]. По мнению авторов монографии [16], к умным методам управления можно отнести:

1. Стратегические методы формирования приоритетов на определенный период времени.

2. Методы всестороннего анализа динамики показателей работы промышленных предприятий.

3. Методы повышения адаптации промышленного предприятия к постоянно меняющимся условиям хозяйствования.

4. Методы совершенствования производственной логистики.

5. Методы и технологии оценки внешних по отношению к предприятию факторов.

6. Методы формирования современной структуры компании с ее ориентацией на повышение гибкости управления персоналом.

7. Методы и технологии создания информационно-вычислительной структуры предприятия, ориентированные предпочтительно на собственные информационные системы стратегического и оперативного управления.

Кроме умных методов на интеллектуальном предприятии, должны активно применяться умные механизмы с охватом полного цикла управления, которые можно условно разбить на 4 группы [16]:

1. Неманипулированные механизмы, позволяющие добиться от работников правдивого отражения своей деятельности.

2. Согласованные механизмы, при использовании которых исполнителям становится выгодным выполнять принятые обязательства или планы, т. е. четкое выполнение планов или заданий должно быть наиболее выгодным для работников на любом уровне управления.

3. Советующие механизмы, позволяющие продуцировать рекомендации лицу, принимающему решения. Это могут быть компьютерные экспертные системы или группы экспертов, использующие современные механизмы коллективного принятия решений [19]. Для реализации этих механизмов на интеллектуальном предприятии целесообразно создавать специальные ситуационные центры, позволяющие быстро реагировать на возникающие производственные ситуации и осуществлять выбор наилучшего управленческого решения [20].

4. Развивающие механизмы, стимулирующие развитие промышленного предприятия (снижение издержек, внедрение инноваций и т. д.). С одной стороны, «противозатратные механизмы» предназначены для борьбы с монополистом. Такие механизмы были разработаны в рамках теории активных систем [21], основная идея которых заключалась в том, что норматив рентабельности был поставлен в зависимость от себестоимости, т. е. с уменьшением себестоимости норматив увеличивался, но так, что цена продукции при этом уменьшалась. С другой стороны, к снижению затрат предприятия приводят и другие механизмы управления, например, механизмы бережливого производства, которые будут рассмотрены в разделе 2.1 настоящей книги.

К развивающим механизмам также можно отнести модели управления инновациями, объёмного планирования и оперативного управления производством, модели синхронизации производства, модели транспортных задач и другие, некоторые из которых будут рассмотрены в третьей главе книги.

Третьим важным признаком интеллектуального предприятия является наличие современной информационной системы управления производством, позволяющей собирать, хранить и обрабатывать информацию и знания, необходимые для принятия эффективных решений на всех уровнях управления производственной системы [22]. Информационные системы внедряются на предприятии для автоматизации его бизнес-процессов, которые обычно делят на три взаимосвязанные группы: основные, поддерживающие (обеспечивающие) и управляющие. Более подробно бизнес-процессы будут рассмотрены в следующем разделе книги. Отметим, что бизнес-процессы и информационная система предприятия должны соответствовать уровню его организационного развития [23]. На первом этапе развития предприятия в период его становления могут быть автоматизированы только отдельные бизнес-процессы, в основном поддерживающие.

На втором этапе, когда предприятие работает стабильно и сформированы стратегические цели, появляется возможность для улучшений за счет повышения эффективности управления производством путем внедрения различных передовых технологий, к которым можно отнести Lean Production (бережливое производство), JIT (точно в срок), QRM (быстрореагирующее производство) и другие. Большинство известных технологий управления будут рассмотрены во второй главе книги. На этом этапе автоматизация охватывает практически все основные и поддерживающие бизнес-процессы путем разработки и внедрения различных информационных ERP-систем для планирования производства и управления ресурсами предприятия [24]. Следует отметить, что большинство современных отечественных промышленных предприятий в настоящее время находятся на втором этапе своего организационного развития и активно внедряют информационные системы в производство с различной степенью успешности. Это связано с тем, что отсутствуют отечественные общепризнанные ERP-системы, удовлетворяющие требования потребителей по важным критериям эффективности [25], а зарубежные ERP-системы дороги и требуют дополнительной подготовки специалистов по их сопровождению.

На третьем этапе организационного развития, которое соответствует интеллектуальному предприятию, появляется необходимость управления не только данными, но и знаниями, для создания уникальных продуктов и услуг, выходящих за рамки знаний и опыта отдельных руководителей и экспертов [26]. Целью этого этапа является перевод знаний от отдельных индивидов к организации. В результате повышается устойчивость предприятия в настоящем и создаются предпосылки для качественного преобразования предприятия в будущем. Для реализации новых бизнес-процессов управления создаются корпоративные порталы, экспертные системы для анализа бизнеса [27], включая средства многомерного и интеллектуального анализа данных [28], генераторы запросов и отчетов, средства имитационного моделирования производства [29] и цифровые двойники предприятия [30]. На данном этапе резко изменяется роль информационной системы предприятия. Она не только автоматизирует существующие бизнес-процессы, но и позволяет создавать новые, до этого принципиально невозможные. И наконец, в наиболее развитом состоянии информационная система, основанная на знаниях, может сама предлагать новые бизнес-процессы, изменяя предприятию бизнес-фокус или даже создавая абсолютно новый бизнес, построенный на инновациях. Тем самым информационная система активно участвует в самоорганизации предприятия, подсказывая руководству наиболее эффективные пути развития, а также берет на себя важную роль в адаптации и обучении персонала, передавая накопленные знания. Это, в свою очередь, обеспечивает поддержание «спирали прогресса» в долгосрочной перспективе и делает предприятие действительно интеллектуальным.