Процессные имитационные модели в производственном менеджменте и логистике

Процессный подход в имитации позволяет описывать перемещение множества динамических, подвижных объектов в сетях. Моделируемый объект представляется в виде множества взаимодействующих параллельных процессов. В системах этого класса реализована блочно-ориентированная концепция структуризации моделируемого процесса, разработанная с ориентацией на описание систем массового обслуживания. Структура моделируемого процесса изображается в виде потока активностей (заявок), проходящего через обслуживающие устройства, очереди и другие элементы, характерные для систем массового обслуживания. Активности конкурируют между собой за место в каналах обслуживания, образуют очереди, если они заняты. Модель имеет блочную структуру, блоки интерпретируются как элементы, в которых обслуживаются активности, изменяются их характеристики, маршруты следования в системе. Дуги на блок-схеме описывают потенциальные потоки заявок в системе, существуют истоки и стоки этих заявок, таким образом, блок-схема модели описывает маршруты движения заявок в системе. Модели этого класса предназначены для выявления «узких мест» в системе, анализа производительности (пропускной способности) системы. Система моделирования собирает и формирует типовую статистику о качестве функционирования, включающую в себя оценку следующих показателей:

• • общее количество обслуженных заявок за какой-либо промежуток времени;
• • пропускная способность, т. е. среднее число заявок, обслуженных в единицу времени;
• • доля заявок обслуженных;
• • доля заявок, получивших отказ;
• • время пребывания заявки в системе (от момента поступления заявки в систему до момента завершения ее обслуживания);
• • среднее время обслуживания (функция распределения времени обслуживания);
• • средняя длина очереди;
• • среднее время ожидания;
• • загрузка каналов, т. е. коэффициент использования (как доля времени, в течение которого канал был занят), характеризует степень простоя устройства.

Кроме того, возможно формировать в модели пользовательскую статистику, характерную для определенного класса процессов, например оценивать стоимость и другие характеристики моделируемых процессов.

Наиболее популярные направления применения процессного (дискретного) имитационного моделирования в менеджменте таковы^[1]:

• • моделирование и реинжиниринг бизнес-процессов на основе современных техник имитационного моделирования;
• • имитационное моделирование дискретных производственных систем;
• • логистика складских комплексов;
• • управление цепочками поставок.

Моделирование и реинжиниринг бизнес-процессов. Сегодня перспективный топ-менеджмент начинает проявлять все больший интерес к методологиям и подходам, ориентированным на количественное измерение эффективности бизнес-процессов и их оптимизацию. Рост масштабов управления, сложность организационных структур, внедрение процессного подхода на производственных предприятиях, внедрение процессных ERPсистем — все это приводит к пониманию проблематики реинжиниринга, предполагающего фундаментальное переосмысление и радикальную перестройку бизнес-процессов организации, поиску эффективных инструментов реинжиниринга, позволяющих измерять время и стоимость бизнеспроцессов, сравнивать различные варианты, предлагаемые менеджерами, по совершенствованию бизнес-процессов в организациях. Концепция и технологии имитационного моделирования становятся все более популярными для решения как задач анализа и моделирования бизнес-процессов, так и реинжиниринга, оптимизации бизнес-процессов, в том числе в проектах по внедрению ERP-систем. При организации и совершенствовании бизнес-процессов объектом внимания менеджеров все чаще становится интегративный фактор, когда повышение эффективности осуществляется за счет взаимовлияния деятельностей, участвующих в таких интегрированных бизнес-процессах, как бизнес-процесс разработки нового изделия и вывода его на рынок, бизнес-процесс сбыта и снабжения, бизнес-процесс обслуживания клиентов и т. п.

Имитационные модели всегда динамические — это позволяет исследовать временные характеристики моделируемого бизнес-процесса как развивающегося процесса в течение некоторого периода модельного времени с учетом взаимодействия с другими бизнес-процессами и влияния факторов внешней среды в условиях неопределенности. Бизнес-процессы, подобно сложным организационным структурам, характеризуются скорее не отдельными элементами, а отношениями между ними — не статическими картинами функций и организационных структур, а постоянным изменением этих структур, временными и стоимостными характеристиками процессов. Технология имитационного моделирования предлагает средства проектирования и анализа бизнес-процессов, позволяет формировать динамические варианты для оценки управленческих ситуаций «ASIS» (как есть) и «ТО-BE» (как должно быть) на ранних стадиях реализации проектов реинжиниринга.

В отличие от традиционных CASE-средств, дающих статические «снимки» бизнес-ситуаций и бизнес-процессов, имитационная модель способна показать целостную картину развития ситуации во времени, продемонстрировать и выявить «узкие места», предоставить возможность оперативно проанализировать последствия принимаемых решений, оценить влияние различных факторов случайного характера и цену риска, выполнить расширенный функционально-стоимостной анализ, провести картирование цепочки добавленной стоимости. Программные продукты, поддерживающие имитационное моделирование, интегрируют достоинства структурных и объектно-ориентированных технологий в рамках CASE-средств и инструментальных средств структурно-функционального моделирования бизнес-систем, позволяют проанализировать проблемные ситуации с самых обобщенных концептуальных позиций. Современные технологии обеспечивают легко интерпретируемый идеографический интерфейс, возможность быстрого прототипирования структурных и функциональных схем бизнес-процессов. На российском рынке получили хождение несколько решений, основанные на интеграции инструментов структурно-функционального моделирования (CASE-технологий) и различных техник дискретного имитационного моделирования: BPWin — симулятор

Arena, ARIS Simulation и симулятор QUEST (методология IDEF03) и др. Применение техник имитационного моделирования расширяет возможности традиционных средств структурно-функционального моделирования и обеспечивает:

• • визуализацию бизнес-процессов, возможность проводить анализ «узких мест» в динамике;
• • возможности сбора и анализа количественных (временных и стоимостных) показателей эффективности бизнес-процессов;
• • проведение функционально-стоимостного анализа (Activity Based Costing Analys) с привязкой к процессам в реальном времени;
• • выполнение реинжиниринга, сравнение по количественным показателям вариантов «как есть» и «как должно быть» (с применением статистических тестов);
• • оптимизацию бизнес-процессов с применением развитых генетических алгоритмов.

Имитационное моделирование дискретных производственных систем.

В сфере промышленного производства имитационное моделирование применяется шире, чем в любой другой. Это объясняется многими причинами:

• а) современные производственные системы очень дорогостоящие и сложные, что требует их анализа с помощью моделирования;
• б) наличие анимации, визуализирующей течение процесса, и информации, полученной на основе имитационной модели, способствует лучшему пониманию менеджерами по производству сути происходящих процессов и последствий принимаемых решений.

Имитационное моделирование используется для анализа, планирования и оптимизации производственных систем. С помощью имитационной модели можно провести анализ «узких мест», что обусловлено динамической природой имитационной модели, устранить их, выявить имеющиеся проблемы, предложить решения по повышению производительности, сокращению временных потерь и стоимостных затрат на эксплуатацию производственной системы. Главная польза от применения имитационного моделирования заключается в том, что оно позволяет менеджеру получить представление о влиянии «локальных» изменений в масштабе всей производственной системы. Если изменение вносится на некоторой рабочей станции, его влияние на работу этой станции будет вполне предсказуемым, а заранее определить, каким образом оно скажется на работе системы в целом, будет затруднительно. Имитационная модель позволяет провести анализ влияния изменений в плане на интегральные характеристики системы. Благодаря приемам блочного моделирования, можно создать полную модель всей производственной системы и провести на ней испытания задолго до реального воплощения на предприятии на ранних стадиях проектирования. Имитационная модель предоставляет возможность оценки и сравнения большого количества альтернатив построения системы и использования сложных и множественных стратегий управления (управления ресурсами, персоналом, материальными потоками, запасами, транспортировкой и др.) и сценариев работы производства, сложных управляющих алгоритмов и бизнес-правил с целью выбора оптимальных.

Кроме общих преимуществ имитационного моделирования существует множество потенциальных плюсов его использования при исследованиях производственных систем, позволяющих не только оценить, но и повысить эффективность функционирования систем за счет таких факторов, как:

• • увеличение производительности (числа деталей, выпускаемых в единицу времени);
• • сокращение времени пребывания деталей в системе;
• • уменьшение запасов деталей в процессе производства;
• • увеличение занятости, сокращение простоев станков и рабочих;
• • обеспечение своевременной доставки комплектующих и оснастки к производственным местам;
• • сокращение потребностей в капитале (земля, производственные помещения, станки и т. п.) или эксплуатационных расходов (затрат на выполнение процессов, хранение, транспортировку и др.).

Моделирование помогает успешно решать ряд специальных производственных проблем, оценивать управленческие решения, которые можно подразделить на следующие общие категории.

• 1. Оценка потребностей в ресурсах (оборудование и персонал) и их рациональное использование'.
• • количество, тип и расположение станков для выполнения определенной задачи (например, достижения заданного объема выпуска);
• • требования к погрузочно-разгрузочным устройствам и другому вспомогательному оборудованию;
• • расположение складских площадей и объем материально-производственных запасов;
• • оценка изменений в объеме продукции или ассортименте изделий (например, влияние новых товаров);
• • оценка влияния установки нового оборудования (например, робота) в существующую производственную линию;
• • оценка капиталовложений и затрат на эксплуатацию, снижение инвестиций в новое производство;
• • число смен, разработка регламентов.
• 2. Оценка производительности.
• • анализ производительности;
• • анализ времени пребывания в системе и непроизводительного времени;
• • анализ недостатка ресурсов.
• 3. Оценка технологических операций, различных стратегий и сценариев работы:
  • • технологическое проектирование и производственное планирование (например, оценка предлагаемых режимов выдачи заказов цеху, определение объемов партии продукции, загрузка деталей па рабочую станцию и установление последовательности прохождения деталями рабочих станций в системе);
  • • стратегии синхронной работы (синхронизация материалопотоков в контуре производственной системы);
  • • стратегии управления запасами комплектующих деталей или сырья;
  • • стратегии управления транспортировкой (например, для конвейерного устройства или автоматизированной транспортной системы);
  • • анализ надежности (например, влияние надежности оборудования на работу производственной системы, профилактического обслуживания);
  • • политики контроля качества.

Концептуальные основы имитационного моделирования дискретных производственных систем. В концептуальной схеме имитационной модели производственной системы выделяют описание производственного процесса и движущихся единиц материальных потоков, проходящих через отдельные этапы процесса производства, которые объединяются в общей структуре производственной системы на основе принятых операционных правил.

Рассмотрим основные элементы моделируемых производственных систем.

Производственный процесс. Производственный процесс, как правило, расчленяется на отдельные производственные операции, или элементы (рабочие места, агрегаты). Примеры типичных производственных операций: обработка детали, сборка изделия, контроль качества изделия, упаковка.

Выделенная производственная операция в зависимости от задач моделирования может относиться к некоторому конкретному производственному оборудованию или описывать совокупность производственных операций, выполняемых группой оборудования. Сущность любой технологичной операции — ее выполнение над каким-то изделием или полуфабрикатом, связанное с изменением свойств этого изделия. Свойства изделий могут быть описаны характеристиками или атрибутами, а выполнение операции над ними может быть связано с изменением этих характеристик, описывающих состояние (свойства) заготовок, полуфабрикатов, изделий и т. п.

Таким образом, каждая производственная операция может рассматриваться как действие, определяющее изменение характеристик изделия во времени.

Элементы производственных систем делятся на следующие классы:

• • элементы, где согласно условиям производства имеет место целенаправленное изменение состояния продукции (обточка, пайка, фрезер, монтаж и т. д.);
• • элементы, в которых не происходит изменение состояния продукции (транспортеры, склады, манипуляторы и т. п.);
• • элементы, в которых исследуется состояние продукции (контроль, тестирование, поиск неисправностей и т. п.).

При реализации алгоритмов имитационных моделей выделяют три абстрактные операции.

• 1. Операция обработки: резание, ковка, штамповка — операции, связанные с изменением свойств детали; транспортировка, повороты — изменением положения детали в производстве, а также остывание, высыхание, окисление (последние не являются операциями в обычном смысле слова).
• 2. Операция сборки: акт производственного процесса над совокупностью полуфабрикатов (в операции участвует не менее двух полуфабрикатов), в результате изменяется состояние ведущего полуфабриката за счет присоединения к нему остальных.

При описании операции сборки должны соблюдаться алгоритмические, или операционные, правила:

• а) момент наступления операции зависит от наличия всех полуфабрикатов;
• б) по окончании операции остается один полуфабрикат (активности сцепляются).
• 3. Операция управления-, регулирование, подача полуфабрикатов к станку в зависимости от длины и элементов очереди. В производственных системах применяют метод приоритетных очередей и другие действия, связанные с контролем хода производства (операция может выполняться как устройством, так и оператором).

Важный параметр производственной операции — длительность процесса (7), который может быть:

• а) детерминированным — в этом случае жестко определяются закономерности синхронизации отдельных операций в данном производственном процессе (например, для станков с ЧПУ);
• б) случайным — задается в модели функцией распределения времени выполнения операции со случайным отклонением.

Различают производственные процессы с постоянной и переменной длительностью.

В общем случае операция выполняется на специальном станке и характеризуется временем выполнения операции (7) — случайной величиной, вероятностные характеристики которой могут зависеть от параметров станка и полуфабриката (например, время металлорезки зависит от размера детали, длительность горячей штамповки — от температуры и т. д.).

Итак, для производственной системы в первую очередь определяется состав ее элементов, а также типы распределений длительности процессов для всех элементов и параметры законов этих распределений. Эти абстрактные элементы называют элементами оборудования (станки, однотипные машины, рабочие места, элементы обработки, а также транспортировки и хранения). Могут рассматриваться устройства, связанные с загрузкой машины деталями, обработкой, диагностикой, транспортные элементы, промежуточные склады, которые выполняют производственные операции, операции обработки деталей и характеризуются задержками времени и затратами на выполнение операций.

При описании производственной системы задаются следующие основные характеристики (переменные) элементов оборудования: число станков; индивидуальные отношения (номер станка — номер операции); функция распределения времени обработки.

Материальный поток в производственно-технологической системе. Производственный продукт, проходя в направлении от входа к выходу, образует материальный поток. Движущие единицы материальных потоков — детали, заказы, комплекты, партии деталей, которые должны пройти соответствующую обработку. Их преобразование от начального состояния к конечному является главной функцией производственной системы.

Основная характеристика материального потока — интенсивность потока. В имитационной модели задаются моменты поступления партии деталей в систему (случайные, детерминированные); атрибуты деталей (полуфабрикатов): количественные (размер, вес, температура и др.), качественные характеристики — признаки полуфабриката (окрашен/нет, годен/брак и др.).

Некоторые характеристики деталей могут меняться по ходу производственной системы. Материальные потоки могут быть нескольких типов (не только детали, но и оснастка, транспортные средства и др.)* Основные характеристики материальных потоков: типы деталей, поступаемые на обработку в производственную систему; приоритеты (в задачах диспетчирования) и другие атрибуты; временные характеристики материальных потоков (функция распределения времени между поступлениями партии деталей на обработку); эндогенные параметры, описывающие состояние и движение материальных потоков в производственной системе.

Элементы производственной системы объединяются в ее структуру. Это объединение реализуется на основе материального потока.

Взаимодействие материальных потоков и элементов оборудования описывается в имитационной модели на основании различных операционных правил, определяющих:

• • маршрутные технологии;
• • правила для последовательности обработки заказов из очереди на обработку на данной группе станков;
• • порядок обработки деталей одного типа на станке (строго фиксированный — каждая очередная операция выполняется на определенном станке, свободный — на любом доступном станке из множества станков);
• • способ назначения деталей из партии на очередную обработку (последовательный, параллельный, последовательно-параллельный) и др.

Полная модель производственной системы включает в себя все ее элементы (или производственные операции), в том числе буферные склады, материальный поток и структуру (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Концептуальная схема модели производственной системы:

? — производственная операция; Ц — буферный склад; —? — материальный поток Применяется несколько критериев, показателей эффективности работы, получаемых при анализе производственной системы посредством моделирования:

• • производительность;
• • количество выпущенных изделий, прошедших обработку; объем готовой продукции;
• • размер операционной прибыли, стоимость незавершенного производства, материальные издержки с учетом стоимости используемых в процессе производства ресурсов, с учетом брака, потерь от сбоев, простоя оборудования;
• • время пребывания деталей в системе или среднее время, затрачиваемое на обработку всех видов деталей (продолжительность производственного цикла);
• • время выполнения заказа, текущие затраты (или трудоемкость) выполнения заданного объема работ;
• • время межоперационного пролеживания, продолжительность пребывания деталей в очередях за весь цикл производства или на отдельных фазах производственного процесса, т. е. на отдельных операциях, рабочих местах (станках), буферных складах;
• • продолжительность транспортировки;
• • своевременность доставки (например, доля задержавшихся заказов), продолжительность ожидания транспортировки;
• • объем запасов деталей в процессе производства (незавершенное производство или размеры очередей);
• • потери времени, связанные с простоем станков или их ожиданием (в совокупности и по группам), т. е. доля времени, когда станок сломан, простаивает (в ожидании поступления деталей с предыдущей рабочей станции), заблокирован (в ожидании, когда будет убрана деталь, обработка которой завершена) или проходит профилактическое обслуживание;
• • загрузка, т. е. степень использования совокупного ресурса (или ресурса времени групп станков);
• • доля бракованных деталей (или деталей с исправимым или неисправимым браком).

Склад (буферный, сырья, готовой продукции) является специфичным элементом производственной системы, не рассматривается как система массового обслуживания (рис. 3.11) и в общем случае характеризуется:

• • объемом (вместимостью) или количеством единиц хранения (размерами хранилища), размерами страховых запасов;
• • внутренним состоянием (эндогенная переменная имитационной модели) — текущий уровень запасов на складе;
• • стратегией управления запасами, которая описывается переменными: критической точкой перезаказа (критический уровень запасов) или размером партии поставок и интервалами между поставками в зависимости от применяемой стратегии.

Рис. 3.11. Модель склада

Управление (принятие решений) в масштабе производства предполагает выбор эффективной политики управления запасами, реализующей задачу синхронизации потока поставок на склад с потоком заказов на отправку при минимизации затрат на хранение, транспортировку, аренду складских комплексов и т. п. В задачах по управлению запасами определяются количество складов, объем складов, размер партии поставок, рациональный размер страхового задела, допустимое время хранения продукции на складе и т. п.

Выделяют следующие основные решающие правила и управляющие параметры имитационной модели склада:

• • политика поставок (регулярная, динамическая и др.);
• • размер партии поставок (постоянный или зависит от текущего состояния склада, может быть ограничен вместимостью транспортного средства);
• • интервалы между поставками (или отправками);
• • критический уровень запасов (или точка перезаказа);
• • размеры хранилища (например, в условиях аренды складских помещений);
• • допустимое время хранения товара на складе; и др.

В общем случае производственная система рассматривается при моделировании как стохастическая система. Отклонение течения производственного процесса от нормального связано с тремя стохастическими факторами, которые обычно учитываются в имитационной модели: расстройство режима синхронизации, брак, надежность оборудования.

Расстройство режима синхронизации (возмущения, которые приводят к потерям рабочего времени в производстве и непредвиденным простоям технологического оборудования). Особенности протекания производственных процессов могут быть связаны с различными нарушениями:

• • ожидание, образование очереди деталей у занятых станков;
• • простои станков из-за отсутствия деталей или задержек в поступлении деталей;
• • сбои в работе транспортных средств, несвоевременная поставка заготовок, сырья, следствием является непоступление заготовок на производственный участок в срок (исчерпание заделов и запасов на складе);
• • невыполнение норм: если фактические параметры операции не соответствуют нормативным, то это может привести либо к срыву производства, либо к браку продукции.

В общем случае время выполнения производственной операции является случайной величиной и задается функцией распределения.

Брак. Он связан с потерями времени и сырья в производственных системах. В алгоритме имитационной модели задается, как правило, на операции контроля вероятность выхода брака, моделируется случайное событие — получение годного/бракованного полуфабриката. В общем случае вероятность брака зависит от параметров полуфабриката и параметров станка (например, сколько времени прошло после переналадки).

Надежность оборудования. Важный источник случайности в производственных системах связан с поломками станков и внеплановыми простоями (отвлечение рабочих на другие задания, поломка станка, отсутствие оснастки и др.). Данный фактор приводит к расстройству нормального режима функционирования производственного процесса.

Процессы, связанные с переналадкой оборудования, также обычно моделируются. В общем виде в имитационной модели задаются законы распределения времени безотказной работы оборудования и времени восстановления и моделируются процессы выхода оборудования из строя и его восстановления.

Основными источниками случайных величин в моделях производственных систем являются:

• • время поступления заказов, деталей или сырья;
• • время обработки, сборки или проверки;
• • время безотказной работы станка;
• • время ремонта станка;
• • время погрузки и разгрузки;
• • время наладки, необходимое, чтобы перестроить станок для обработки другого типа деталей;
• • вероятность исправления брака;
• • процент выхода годных изделий.

Рассмотрим общую методику построения имитационных моделей внутренней логистики производственного предприятия.

К процессам внутренней логистики предприятия относятся процессы перемещения и хранения объектов в пределах всей территории предприятия или в отдельных его подразделениях. Для решения задач внутренней логистики традиционно создаются следующие виды моделей систем внутренней логистики:

• • модели производственных линий и сборочных конвейеров;
• • модели процессов на складах (прием грузов, перемещение грузов в зоны хранения и обратно, отбор, комплектация, упаковка и отправка грузов);
• • модели систем транспортировки грузов по территории предприятия.

Комплексная модель внутренней логистики реального предприятия может представлять собой произвольную комбинацию перечисленных выше видов моделей.

Методология построения концептуальных моделей процессов внутренней логистики условно включает в себя такую последовательность процедур.

• 1. Формирование технологического процесса:
  • • структура процесса (диаграммы процессов);
  • • структура ресурсов (ресурсы, мощности).
• 2. Управление технологическим временем и стоимостью:
  • • продолжительность операции;
  • • задается стоимость процессов.
• 3. Анализ материальных потоков:
  • • структура системы обработки материальных потоков (сетевая модель);
  • • временные параметры входных потоков системы.
• 4. Задание структуры продукта:
  • • задание характеристик ассортимента и объема материалов в потоках.
• 5. Формирование детальной модели процесса функционирования логистической системы (взаимодействие материальных потоков и элементов оборудования):
  • • маршрутные технологии для динамических объектов;
  • • модели объединения и разъединения динамических объектов;
  • • модели процессов диспетчеризации и разделения ресурсов;
  • • модели стратегий обработки очередей ожидания;
  • • алгоритмы назначения деталей из партии на обработку и др.
• 6. Добавление моделей процессов на складах и стратегии управления запасами.
• 7. Составление топологического плана системы (layout).
• 8. Добавление моделей транспортировки (мобильные подвижные ресурсы и транспортные средства).
• 9. Определение надежности, регламентов, продолжительности и количества смен, периодов наблюдения.
• 10. Формирование выходных показателей оценки эффективности функционирования логистической системы и экономических показателей.

Готовая имитационная модель представляется как сетевая структура, узлы которой являются представителями (объектами) соответствующих библиотечных компонентов (классов) симулятора.

Специализированное программное обеспечение моделирования производственных систем. Существует немало проблемно-ориентированных пакетов моделирования производственных систем: Auto Mod, ProModel, Witness, Taylor Enterprise Dynamics, Arena, Quest, eM-Plant. Основными их преимуществами является снижение сроков разработки, упрощение разработки имитационной модели. С их помощью имитационную модель может создавать специалист, занимающийся технологическим проектированием, или специалист по системам управления. Проблемно-ориентированные коммерческие симуляторы содержат набор конструкций и абстрактных объектов, из которых строится модель производственной системы, определяемых непосредственно в предметной области производственных систем. Для примера рассмотрим абстрактные конструкции имитационных моделей производственных систем для ряда наиболее распространенных симуляторов этого класса.

Основные моделирующие конструкции системы моделирования Auto Mod:

• • нагрузки — детали в производственной системе;
• • ресурсы — представляют станки и рабочих, которые обрабатывают детали;
• • очереди — представляют места, где расположены детали, ожидающие поступления к ресурсам или транспортировки;
• • процессы — представляют логику, связанную с определенным аспектом имитационной модели (например, для контроллера — отношения между очередью, ресурсом и логикой определения качества детали);
• • транспортировка материалов и деталей — включает в себя конвейеры (транспортеры, накопители и др.), автопогрузчики, автоматизированные транспортные системы, автоматизированные системы хранения и поиска;
• • конструкции резервуаров и труб для моделирования систем с непрерывным потоком (например, химическое производство).

Основные моделирующие конструкции системы моделирования ProModel:

• • участки с обозначенными границами — используются для моделирования станков, очередей, конвейеров и резервуаров;
• • объекты — представляют детали, сырье или информацию;
• • поступления — определяют, как детали поступают в систему;
• • процессы — определяют маршруты деталей в системе, а также указывают, какие операции выполняются с каждой деталью в определенном помещении (маршруты задаются с помощью графики);
• • ресурсы — используются для моделирования статичных или динамичных ресурсов, например рабочих или автопогрузчиков.

Основные моделирующие конструкции системы моделирования Witness:

• • детали — представляют детали или сырье;
• • станки — представляют станки или помещения, где обрабатываются детали;
• • буфера — представляют очереди или другие места, где хранятся детали;
• • работа — представляют подвижные ресурсы, например рабочих или инструменты.

Пример реализации имитационной модели производственной системы в системе моделирования AnyLogic представлен на рис. В6.

Проблемы складской логистики и их решение с помощью имитационного моделирования. Строительство и оснащение современных складских комплексов необходимым оборудованием и техникой требует значительных инвестиций, поэтому очень важно еще до начала строительства правильно провести проектирование склада. Проектирование склада — сложный многоступенчатый процесс. Он ведется с учетом множества параметров во взаимодействии с заказчиком и строительными проектными организациями. От того, насколько хорошо организована технология работы склада, зависит успех его работы. Этим, как правило, занимаются компании и службы логистического аудита, консалтинга, инжиниринга.

На оснащение современных складских комплексов идут значительные инвестиции, приобретается и используется оборудование, техника. Склады имеют десятки тысяч мест паллетного хранения, применяются сложные складские технологии, требующие различных человекомашинных ресурсов. Цель проектирования склада — разработка оптимальной технологической схемы работы склада на основе планируемых грузопотоков.

Имитационная модель полезна при реконструкции или строительстве нового склада на этапе формирования проекта как при проектировании инфраструктуры логистического центра, так и при технологическом проектировании. Имитационная модель позволяет подсказать, как оптимизировать затраты инвестора.

Проектирование инфраструктуры складского комплекса включает в себя:

• 1) построение складского комплекса с максимальной вместимостью и производительностью с размещением на заданном участке земли, на основе анализа топологической схемы участка, где существует множество ограничений, с учетом расположения инженерных коммуникаций;
• 2) выбор вариантов расположения и размеров маневровых площадок с возможностями парковки автомобилей, определение количества мест парковки, КПП;
• 3) определение необходимых площадок для зон приемки, сортировки, комплектации и хранения грузов;
• 4) определение количества мест парковки на территории склада для транспорта, реализующего внешние грузопотоки, и рациональное количество мест парковки непосредственно к грузовой рампе;
• 5) определение необходимого количества ворот в складском помещении;
• 6) определение необходимых ресурсов и размеров функциональных зон и т. п.

Имитационное моделирование позволяет увидеть (с помощью двухи трехмерной анимации) и проанализировать работу будущего склада до завершения его строительства и в случае необходимости внести коррективы в проект склада (рис. В7). Оно также позволяет убедиться в оптимальности выбранной для склада технологии и заявленных ресурсов до закупки оборудования. Более того, «проиграв» на модели несколько различных вариантов технологии, можно выбрать наилучший из них и тем самым уменьшить бюджет проекта и сократить эксплуатационные затраты.

Имитационная модель может быть полезна и во время эксплуатации склада.

Основными целями технологического проектирования являются:

• • повышение эффективности использования складских площадей;
• • уменьшение времени обслуживания клиентов;
• • сокращение инвестиций в строительство и оснащение склада.

Общая постановка задачи по проектированию и инжинирингу складских комплексов такова: какие нужно заложить в проект размеры склада и его технологических зон и какое количество погрузчиков и рабочих требуется на складе для того, чтобы принять и отгрузить заданное количество товаров.

С помощью имитационного моделирования решаются следующие задачи:

• • определение количества человекомашинных ресурсов (погрузочной техники и рабочей силы), обеспечивающих переработку внешних и внутренних грузопотоков (при оптимальном уровне их загрузки, при заданных временных порогах обслуживания клиентов);
• • определение необходимой площади для зон приемки, сортировки, хранения грузов;
• • проверка эффективности использования различных вариантов компоновочных решений для хранения груза и сборки заказов;
• • выбор наиболее эффективной во всех смыслах технологии обработки грузопотоков: поиск эффективных алгоритмов управления грузопотоком, разработка технологии грузопереработки, разработка специальных алгоритмов для склада многономенклатурных грузов (организация паллетного, коробочного и штучного отбора);
• • планирование процедур и графиков выполнения операций прихода и расхода на складе;
• • составление эффективных расписаний по выполнению работ;
• • определение уровня складских запасов системы (в том числе иерархически организованной) с учетом параметров поставок и возможного спроса;
• • подсчет затрат на эксплуатацию склада и оптимизация их.

Имитационное моделирование позволяет учесть сезонность, пиковые периоды, проиграть движущиеся потоки во времени, вероятностные характеристики процесса на достаточно большом периоде времени, оценить влияние стохастических факторов и факторов неопределенности, проиграть сложные технологии и алгоритмы в обработке грузопотоков и организации хранения на модели, провести выбор оптимального решения (рис. В8).

Имитационное моделирование в управлении сетями поставок. Известно большое количество решений на основе имитационного моделирования в области операционного, тактического и стратегического планирования и развития цепочек поставок. Модули планирования реализуются в контуре ERP-, SCM-, APS-, ВРМ-систем управления предприятия. Без этого невозможна реализация базовых технологий логистики «точно в срок». Часто метод имитационного моделирования применяют при проектировании и реинжиниринге логистической сети как существующей, так и новой системы, например, в рамках консалтинга (дизайна сетей поставок) или логистического аудита.

Логистика предполагает системный подход к интегрированному и динамическому управлению материальными, финансовыми, информационными потоками в организации.

Управление всей логистической сетью на современном глобальном рынке является ключевым фактором успеха бизнеса. Организации мирового масштаба признают, что неинтегрированные производственные процессы, неинтегрированные процессы распределения, а также неразвитые отношения с поставщиками и клиентами не отвечают требованиям достижения успеха. Они осознают влияние организационного плана на звенья логистической цепи поставок, производства и сбыта продукции. Однако до непосредственного исполнения организационного плана его влияние на всю логистическую цепочку непредсказуемо. Неадекватный план приводит к чрезмерному накоплению запасов и крупных резервов, ошибочному прогнозированию спроса на продукт, несбалансированной загрузке мощностей, низкому качеству обслуживания клиентов, некорректным производственным планам, высоким затратам на содержание резерва, а иногда и к потере продаж и снижению уровня логистического сервиса.

Развитие технологии имитационного моделирования и ее практическое применение для проектирования и управления интегрированными процессами в цепях поставок сегодня стало необходимостью и реальностью. Имитационное моделирование позволяет рассмотреть динамику процесса до исполнения плана и реализации проекта, а также дает для сложных, многообразных, зачастую уникальных процессов визуализацию и способствует комплексному пониманию логистических процессов, что делает его незаменимым в логистическом аудите. Имитационная модель позволяет продемонстрировать материальные потоки и их сложное взаимодействие с финансовыми, транспортными, информационными потоками в цепях поставок.

С помощью имитационной модели удается реализовать процедуры исследования альтернативных вариантов организации и выбора оптимального решения с применением эвристических методов и генетических алгоритмов оптимизации, которые применяются при реинжиниринге логистических сетей.

Имитационное моделирование позволяет описывать и измерять показатели функционирования по всем ключевым и операционным характеристикам цени поставок и ее звеньев, предоставляет инструменты выбора оптимальных источников материалов и поставщиков, инфраструктуры производственных и логистических мощностей, характеристик процессов и потоков в масштабах всей цепи с учетом оценок будущего спроса, затрат, мощностей и других внешних и внутренних факторов. Имитационное моделирование дает возможность оценить последствия отдельных решений по трансформации логистической сети до момента их внедрения в систему и позволяет компаниям проводить всесторонний анализ возможного развития событий и оценки последствий реализации такого решения, способствующий принятию оптимальных управленческих решений. Оно также делает возможным сравнение различных альтернативных решений без прерывания работы реальных систем и сокращает время для принятия решений. Правильное применение таких моделей позволяет точно оценивать риски и выгоды в различных вероятных в будущем операционных условиях деятельности. Руководствуясь полной и достоверной информацией, менеджеры могут принимать обоснованные решения, связанные с управлением цепочкой поставок.

Преимуществами применения имитационного моделирования для логистических систем являются:

• • комплексное понимание процессов и характеристик логистической цепи с помощью графиков и развитой анимации;
• • возможность отобразить структурную и динамическую сложность логистической системы и ее процессов, не поддающихся формализации и практической реализации с помощью методов математического моделирования;
• • возможность учитывать стохастическую природу и динамику многих факторов внешней и внутренней среды; пользователь может моделировать случайные события, оценивать риски в конкретных областях и выявлять их влияния на логистическую цепь;
• • возможность воспроизводить динамику системы, отражать динамический характер логистических процессов, обилие временных и причинноследственных связей (требования потребителей, как правило, имеют вероятностный и динамический характер, текущий уровень запаса на складе является динамическим параметром и т. п.);
• • применение многошаговой процедуры проектирования, которое позволяет учитывать сложность принятия решений, большое количество решающих правил и критериев оптимизации;
• • возможность оценки и сравнения нескольких альтернатив (допустимых решений), находящихся в большинстве случаев в распоряжении ЛПР;
• • обеспечение минимизации риска изменения плана путем предварительного анализа и моделирования возможных сценариев развития событий в цепи поставок.

Управление логистической цепью заключается в процессе интеграции поставщиков, производителей и складов, розничной торговли таким образом, чтобы продукция изготовлялась и доставлялась в нужном количестве, в нужное время при одновременной минимизации затрат по всей логистической цени, а также максимальном удовлетворении потребностей клиентов. Основной фактор успеха — максимально интегрировать производственные процессы и процессы распределения, координировать производственные планы с планами поставщиков и потребителей. В этом суть интегральной концепции управления цепями поставок.

Производители стремятся выявить «узкие места», синхронизировать материальные потоки, а также сократить производственный цикл, время выполнения заказа и количество запасов в масштабе всей цепи. Целью управления логистической цепью является удовлетворение потребительского спроса путем предоставления высококачественной продукции по приемлемым ценам и с минимальными затратами в максимально короткие сроки в условиях динамично изменяющейся внешней среды.

К основным задачам проектирования логистической сети относят:

• • максимальную интеграцию логистических функций по всей логистической сети;
• • планирование мощностей;
• • синхронизацию материальных потоков;
• • координацию материалов и мощностей;
• • увеличение производительности;
• • предотвращение потерь от простоев;
• • анализ «узких мест»;
• • сокращение затрат на производство, хранение и транспортировку;
• • оценку и планирование потребительского спроса;
• • повышение уровня выполняемое™ заказов;
• • выбор рационального варианта организации бизнеса;
• • оптимизацию цепи поставок.

Оптимизация цепи поставок позволяет осуществить:

• • эффективное удовлетворение потребительского спроса;
• • реализацию стратегии «точно в срок»;
• • минимизацию затрат по всей логистической цепочке;
• • интеграцию (стратегический план — поставщики и потребители);
• • повышение эффективности использования мощностей компании;
• • инвестиционное планирование и развитие.

Суть цепи поставок — перенос во времени и пространстве некоторого объема материала. Имитационная модель позволяет описать и продемонстрировать движущиеся материальные потоки, их сложное взаимодействие с информационными и финансовыми потоками.

Логистическую сеть можно представить в виде ориентированного графа (стохастической сети), ребра которого представляют различные потоки, а вершины — звенья сети (рис. 3.12). За элемент потока принимают активность — аналог подвижной материальной сущности, некоторую абстрактную неделимую единицу, обладающую определенным количеством сохраняемых характеристик, таких как объем поставки. Звенья логистической сети могут производить различные действия с активностями.

Рис. 3.12. Стохастическая сеть логистической цепи.

Особенность логистических систем состоит в том, что многие виды ресурсов являются в них мобильными объектами (средства транспортировки и перемещения грузов). В построенной таким образом имитационной модели описываются процессы передвижения и накопления грузов и товаров в сети, задаются параметры, которые определяют ее состояние и меняются во времени по заданным операционным правилам. Пример реализации имитационной модели цепи поставок приведен на рис. В9.

Методология построения концептуальных моделей процессов внешней логистики включает в себя последовательность процедур.

• 1. Задание структуры входных и выходных потоков, сетевой структуры логистической системы.
• 2. Описание пространственной структуры системы с привязкой к карте территории, расположению мест промежуточного хранения и перевалки грузов.
• 3. Описание структуры динамических логистических объектов, перемещаемых и хранимых в системе (модели ассортимента и количества грузов в потоках, модели пространственной вложенности грузов).
• 4. Формирование алгоритмов, определение временных характеристик и стоимости выполнения операций в узлах сети.
• 5. Задание характеристик транспортных каналов (участники процесса перевозки, вид транспорта, маршруты, тарифы и др.).
• 6. Описание стратегий управления цепями поставок.
• 7. Задание прогнозных характеристик спроса.
• 8. Формирование выходных характеристик моделируемой логистической системы.

Моделирование деятельности цепи поставок на стратегическом, тактическом и операционном уровнях — это классическая область, где применяются инструменты имитационного моделирования (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Моделирование цепи поставок на стратегическом, тактическом и операционном уровнях:

—? — спрос; —? — продукция Расширение функциональности ERP-, SCM-, ВРМ-систем происходит за счет богатых аналитических возможностей, включая моделирование разного уровня, стратегическую и тактическую оптимизацию цепей поставок.

Комплексное стратегическое моделирование взаимосвязей между производственной, транспортной и дистрибуционной цепочками позволяет составлять компаниям оптимальные, устойчивые к колебаниям рынка, стратегические модели транспортных цепочками, определять стратегию развития цепочек, поддерживающую планы компании по расширению бизнеса. При этом решаются задачи оценки эффективности функционирования существующей сети поставок, выявления слабых мест и разработки рекомендаций по их устранению; обеспечения рационального использования существующих объектов сети с учетом накладываемых бизнес-ограничений; трансформации и проектирования цепи поставок, обеспечивающей снижение затрат в отдельных узлах и по всей цепи поставок, улучшения логистического сервиса и других показателей эффективности с помощью сценарного анализа различных вариантов организации сети поставок «что, если» и сравнения результатов до и после ее оптимизации.

Наиболее часто на практике с помощью имитационной модели цепи поставок решаются следующие задачи:

• • понимание принципов функционирования существующей цепочки поставок;
• • определение областей («узких мест»), ограничивающих пропускные возможности цепи поставок;
• • определение запаса прочности цепи на случаи резкого увеличения спроса или возникновения сбоев в работе поставщиков;
• • оценка предполагаемых конфигураций цепи поставок (проектирование цепи поставок);
• • анализ сценариев «что, если» в условиях оценивания последствий внедрения различных логистических технологий;
• • анализ рисков;
• • выбор наилучших политик и параметров управления цепями поставок (политики управления запасами, транспортировки, взаимоотношения с поставщиками и др.);
• • планирование бюджета и временных характеристик.

Экономический анализ производственных и логистических систем с применением процессного имитационного моделирования. Чем сложнее вызовы во внешней среде, тем жестче и ответственней должно быть планирование на предприятии, необходимы оценка потребностей в инвестициях в условиях нововведений и изменений, происходящих на предприятиях, понимание затратообразующих факторов, измерение и оптимизация процессов на предприятиях, соблюдение сроков выполнения заказов.

Важнейшими задачами предприятий в условиях развития являются:

• • совершенствование производственной системы, внедрение современных принципов и инструментов бережливого производства;
• • управление и развитие базы и долгосрочных стратегий развития отношений с поставщиками, разделяющих риски; управление всей цепочкой поставок и внедрение принципов интегрированной логистики и современных логистических технологий;
• • управление затратами на всех этапах жизненного цикла изделия и сокращение сроков разработки продукта и вывода его на рынок.

Стратегическим ресурсом становится время (time is money), существенно понимание в организациях, как важен ресурс времени, как совершенствование производственных и логистических процессов обеспечивает экономию и достижение экономических и финансовых преимуществ и целей.

Внедрение современных технологий бережливого производства и интегрированной логистики на предприятиях (Lean Production, Six Sigma, кайдзен, QRM, TOC^[2], Agile Manufacturing, SCM) должно опираться на методики проведения корректного экономического анализа, интеграцию финансовоэкономического управления и бережливого производства, методы обоснования инвестиций в развитие производственной и логистической системы в целях обоснования необходимости инвестирования в проекты развития на ранних этапах, оценки рисков, проведения превентивного анализа (до внедрения) альтернативных производственных решений.

Для того чтобы обеспечить экономические преимущества и конкурентоспособность, достижение конечных целей, связанных с улучшением финансовых показателей («зарабатывать деньги»), необходимо решать целый комплекс взаимосвязанных проблем, множество частных задач управления производственной системой, обеспечивающих взаимодействие производственной системы и финансово-экономического блока:

• • создание непрерывного течения потока создания ценности продукта и уравнивание потока со спросом;
• • улучшение производственных процессов, обеспечение принципов интегрированной логистики, позволяющих рассматривать процессы снабжения, производства и сбыта как звенья одной цепи;
• • повышение пропускной способности производственной системы, анализ и расшивка «узких мест»;
• • повышение качества продукта и экономия ресурсов;
• • сокращение времени выполнения заказа в масштабе всего предприятия (QRM) и др.

Проектирование и совершенствование производственных и логистических процессов осуществляются с применением современных технологий процессного имитационного моделирования и цифрового производства. Имитационное моделирование детально и точно отображает и визуализирует работу производственной и логистической систем, движущиеся материальные потоки, позволяет измерять время и стоимость производственных и логистических процессов, проводить анализ «узких мест» и проигрывать множество сценариев, включает в себя подмодели сборочных конвейеров, складов, транспортировки, процессов внутренней и внешней логистики на производственных предприятиях, планировочные решения и др. Для осуществления проекта по имитационному моделированию требуется ответственная подготовительная работа, формирование паспорта объекта с исходными данными по описанию параметров производственной системы (технологический процесс, время процессов, ресурсы и др.). Создание и применение таких решений должны стать новыми компетенциями специалистов по управлению на промышленных предприятиях.

В основе методик управленческого консультирования по совершенствованию производственных систем и внедрения методов организации и планирования бережливого производства применяются системные подходы (Э. Голдратт «Оптимизированные производственные технологии»), основанные на применении имитационных моделей и проведении корректного экономического анализа в исследовании интегрированных материальных и финансовых потоков.

Системный подход базируется на контроле достижения стратегических целей по совершенствованию производственных и логистических систем предприятия, измеряемых в финансовых показателях (анализе скорости генерации дохода), анализе проблем (ограничений), препятствующих в достижении этих целей, и включает в себя решение взаимосвязанных задач:

• • моделирование и выравнивание материального потока (тянущая/толкающая стратегии управления материальным потоком);
• • оптимизация запасов (выбор политики управления запасами);
• • реинжиниринг и оптимизация процессов для достижения операционной эффективности;
• • картирование цепочки добавления стоимости (Value Steam Mapping — VSM, Activity Based Costing — ABC);
• • контроль цикла исполнения заказа;
• • оценка производительности и полезной загрузки оборудования и персонала;
• • анализ объема выпуска, и синхронизация (баланс, уравнивание спросу) с потребностями клиентов;
• • учет типа и специфики конкретного производства.

Корректный экономический анализ предусматривает:

• • описание процесса создания (формирования) прибавочной стоимости — структурированный процесс, поддерживающий инициативы бережливого производства, направленный на сокращение издержек;
• • сокращение бесполезных процессов, не вносящих вклад в цепочку добавленной стой мости;
• • управление сбалансированными материальными потоками (схемы по системе канбан);
• • сокращение складских запасов (политики управления запасами);
• • анализ «узких мест», устойчивости цепи поставок, вызванных колебаниями спроса на продукцию;
• • согласование со сложной цепочкой поставок (производственные и снабженческие функции).

Комплексные (умные) решения на основе имитационного моделирования помогают:

• • проводить анализ «узких мест» и выявлять проблемы;
• • разрабатывать планировочные решения (необходимые площади, размещение оборудования, транспортировка);
• • проводить оценку потребностей в производственных мощностях (оборудования, рабочих), формирование оптимальной организационно-технологической структуры;
• • осуществлять реинжиниринг и оптимизацию производственных и логистических процессов (операционная эффективность);
• • управлять материальными потоками;
• • управлять запасами, снижать запасы, затраты на межоперационное пролеживание, определять емкость накопителей;
• • сокращать (соблюдать) сроки выполнения заказов, проводить анализ времени выполнения производственного цикла и сроков исполнения заказа;
• • определять объемы выпуска и себестоимость продукции.

• [1] Конструктор регулярного менеджмента: учеб, пособие / под ред. В. В. Кондратьева.М. :ИНФРА-М, 2011.'
• [2] Голдрат Э., Кокс Дж. Цель: процесс непрерывного совершенствования. Минск: Попурри, 2004.