Функциональное моделирование компонентов автоматизированного производства.

На этапе проектирования интегрированной автоматизированной системы управления производством моделируются функции и задачи, к которым относятся: конструкторские, технологические, заготовительные, инструментальные, транспортно-складские, организационно-экономические, программно-технические. Перечисленный список функций обобщенный. В результате функционального моделирования производится конкретизация списка функций присущего конкретному производственному процессу в зависимости от базовых технико-экономических показателей.

К основным показателям относятся: рентабельность, ликвидность, сумма покрытия и доля рынка, портфель заказов. К функционально-ориентированным показателям относятся: маркетинг, снабжение, производство, логистика и т.д. К дополнительным показателям для анализа относятся: факторы издержек, сбыта, производительности персонала. К показателям для анализа внешней среды относятся: рынок труда, рынок капитала, рынок сбыта.Перечисленные показатели являются базовыми для производства и определяют результаты функционального моделирования.

Методология функционального моделирования IDEF [1] позволят исследовать характеристики процессов в производственно-технических и организационно-экономических системах. Метод IDEF позволяет получить модель объекта путем создания описательной графической модели, показывающей что, как и кем выполняете в производстве. Рассмотрим основные понятия метода: функциональный блок, интерфейсная дуга, декомпозиция, глоссарий.

Метод IDEF0 предполагает, что модель, описывающая систему, должна быть точной и лаконичной. Сведения о свойствах и характеристиках системы, изложенные в форме традиционных текстов, являются в этом смысле неудовлетворительными, по­скольку часто содержат избыточную информацию, допускают неоднозначное толкование и т.д. Графический язык позволяет ла­конично, однозначно и точно показать все элементы (блоки) си­стемы, все отношения и связи между ними, выявить ошибочные, лишние или дублирующие связи и т. д.

Основной концептуальный принцип методологии IDEF – это представление любой изучаемой системы в виде набора взаимодействующих и взаимосвязанных блоков (функций), отображающих процессы, операции и действия, происходящие в изучаемой системе. Метод IDEF0 включает в себя четыре основных понятия.

Первым из них является понятие функционального блока. Функциональный блок изображается в виде прямоугольника (рис. 6) и олицетворяет некоторую конкретную функцию в рамках рассматриваемой системы. Блок содержит имя и уникальный иденти­фикационный номер. Имя блока – это глагол или глагольный оборот, помещенный внутри блока и описывающий моделируе­мую функцию. Например: «Обработать заготовку», а не «Обработ­ка заготовки».

Рис. 6. Функциональный блок ПО

 

Каждая из сторон блока имеет определенное значение (роль): верхняя сторона – «Управление», левая сторона – «Вход», пра­вая сторона – «Выход», нижняя сторона – «Механизм».

Вторым понятием метода является понятие интерфейсной дуги. Графическим отображением интерфейсной дуги является одно­направленная стрелка (поэтому дуги часто называют стрелками, потоками). Каждая интерфейсная дуга должна иметь свое уникаль­ное наименование (или метку стрелки), которое должно быть су­ществительным. С помощью интерфейсных дуг отображают раз­личные объекты, в той или иной степени определяющие процес­сы, происходящие в системе. Это могут быть элементы реального мира (люди, изделия, детали и др.), потоки данных и информа­ции (документы, инструкции и др.). «Источником» (началом) и «приемником» (концом) каждой функциональной дуги могут быть только блоки, причем «источником» может быть только выходная сторона блока, а «приемником» – любые из трех оставшихся. Функциональный блок должен обязательно иметь управляющую и исходящую интерфейсные дуги, поскольку каждый процесс должен происходить по определенным правилам и давать некото­рый результат (иначе его рассмотрение не имеет смысла). Входя­щие стрелки показывают, какие условия должны быть одновре­менно выполнены, чтобы осуществилась функция, описываемая блоком. В этом смысле стрелки в методе IDEF0 иногда называют ограничениями.

При построении IDEF-диаграмм важно отделять входящие дуги от управляющих. Например, в производственном процессе рабо­чий получает заготовку и технологические указания по ее обра­ботке. Ошибочным является суждение, что и заготовка и указа­ния – входящие объекты. Технологические указания (нормати­вы, правила техники безопасности) следует изображать управ­ляющей дугой, поскольку они регламентируют процесс. Когда технологические указания редактирует технолог, их изображают входящей дугой; управляющей дугой могут быть изображены новые стандарты.

При рассмотрении деятельности предприятий различают пять основных видов объектов: материальные потоки (детали, това­ры), финансовые потоки (наличные, безналичные), потоки до­кументов (коммерческие, организационные), потоки информа­ции (данные о намерениях, распоряжения) и ресурсы (сотрудни­ки, станки, машины). При этом входящими и исходящими дуга­ми могут отображаться все виды объектов, управляющими – только потоки документов и информации, а дугами-механизмами – толь­ко ресурсы.

Третьим основным понятием метода IDEF0 является декомпо­зиция, т. е. разбиение сложной функции на ее составляющие. Де­композиция позволяет представить модель в виде иерархической системы диаграмм, что делает ее менее перегруженной и легко усваиваемой.

В процессе декомпозиции функциональный блок в контекст­ной диаграмме подвергается детализации на другой диаграмме – дочерней. На ней фиксируются все функциональные дуги родительской диаграммы, за счет этого достигается структурная цело­стность модели. Связана также нумерация блоков и диаграмм: каж­дый блок имеет свой уникальный номер – цифра в правом ниж­нем углу, а цифры под правым углом – это номер дочерней для этого блока диаграммы (рис. 7).

Рис. 7. Методология функционального моделирования

 

Для удобства пользования на диаграмме должно быть три-шесть блоков. Верхний предел заставляет прибегать к декомпози­ции, нижний – гарантирует, что на диаграмме достаточно дета­лей, чтобы оправдать ее создание. Желательно, чтобы количество интерфейсных дуг, подходящих к стороне блока или исходящих от нее, не превышало четырех.

Четвертым из основных понятий метода IDEF0 является глос­сарий. Для каждого из элементов IDEF0 (диаграмм, функциональ­ных блоков, интерфейсных дуг) создаются и поддерживаются определения, ключевые слова, текстовые изложения, которые характеризуют объект. Таким образом, глоссарий снабжает диаг­раммы дополнительной информацией.

Любая диаграмма IDEF0 состоит из набора блоков, имена ко­торых определяют выполняемые этими блоками функций, стре­лок, связывающих блоки между собой, и меток, раскрывающих значение стрелок, т.е. описывающих те сущности, которые пере­даются посредством стрелок от одного блока к другому. Особую роль во всем наборе (множестве) диаграмм, описывающих функ­циональную модель, играет первая (контекстная) диаграмма, ко­торой присваивается номер А-0 (рис. 8). На этой диаграмме объект моделирования представлен единственным блоком. Стрелки на диаграмме отображают связи объекта моделирования с окружаю­щей средой. Поскольку единственный блок представляет весь объект, его имя – общее для всего проекта. То же самое справед­ливо и для всех стрелок диаграммы, поскольку они представляю полный комплект внешних интерфейсов объекта. Диаграмма А-С устанавливает область моделирования и ее границу.

Из этого примера видно, что единственный блок на диаграмме изображает деятельность всей моделируемой системы. Входные стрелки определяют ту внешнюю информацию, которую перера­батывает моделируемая система, выходная стрелка характеризует продукт, который получается в результате деятельности. Стрелка механизма показывает, кто будет реализовывать деятельность, описанную именем блока, а управление характеризует те прави­ла, которыми должны руководствоваться исполнители при вы­полнении функции (деятельности).

Рис. 8. Контекстная диаграмма А-0

 

В пояснительном тексте к контекстной диаграмме в краткой форме должна быть указана цель и зафиксирована точка зрения. Цель определяет области в анализируемой системе, на которых необходимо фокусироваться в первую очередь. Точка зрения оп­ределяет основное направление развития модели и уровень необ­ходимой детализации. Она позволяет отказаться от несуществен­ных свойств в данном аспекте рассмотрения. Например, функци­ональные модели предприятия с точки зрения главного технолога и финансового директора будут различаться, поскольку финансо­вого директора интересуют финансовые потоки, а главного тех­нолога – аспекты переработки сырья.

Средства IDEF0 облегчают передачу информации от одного участника разработки модели (отдельного разработчика или рабо­чей группы) к другому. К числу таких средств относят:

1. диаграммы, основанные на простой графике блоков и стре­лок, легко читаемые и понимаемые;

2. метки на естественном языке для описания блоков и стрелок, а также глоссарий и сопроводительный текст, используемые для уточнения смысла элементов диаграммы;

3. последовательная декомпозиция диаграмм, строящаяся по иерархическому принципу, при котором на верхнем уровне ото­бражают основные функции, а затем происходит их детализация и уточнение;

4. древовидные схемы иерархии диаграмм и блоков, обеспечи­вающие обозримость модели в целом и входящих в нее деталей, что особенно важно при моделировании больших систем.

Моделирование в IDEF0 представляет собой пошаговую, ите­рационную процедуру. На каждом шаге итерации разработчик предлагает вариант модели, который подвергают обсуждению, рецензированию и последующему редактированию, после чего цикл повторяется. Такая организация работы способствует опти­мальному использованию знаний системного аналитика, владею­щего методологией и техникой IDEF0, и знаний специалистов-экспертов в предметной области, к которой относится объект моделирования.

При функциональном моделировании осуществляют постепен­ное (поуровневое) уточнение функций. Каждый уровень детально описывает вышестоящий. Простая система обозначений нотации IDEF0 и строгий набор правил построения обеспечивают точ­ность и ясность моделирования. Модель состоит из одной контек­стной диаграммы и диаграмм декомпозиции (рис. 9).

Каждая диаграмма декомпозиции представляет собой набор чередующихся функций, связанных стрелками потоков, которые подразделяют на входные и выходные, управляющие (воздействия) и исполняющие (механизмы). Так как выполнение большинства функций направлено на получение конкретного результата, то разумно начинать построение диаграммы с определения выходов, потом следует обозначить входы, а затем уже механизмы и управ­ление.

Рис. 9. Диаграмма декомпозиции

 

На этапе детального обследования построенная модель должна быть декомпозирована до необходимого уровня, и на ее основе выявляют процессы, обеспечивающие выполнение перечислен­ных функций. Построенные на этом этапе функциональные моде­ли IDEF0 могут стать основой спецификаций процессов (IDEF3) и моделей документооборота (DFD).

На последующих этапах функционального моделирования опи­сывают связи выбранной подсистемы с внешней средой (другими подразделениями, филиалами, предприятиями и т.д.) с указани­ем каналов связи и их характеристик. В ходе их выявления функ­циональная модель пополняется граничными связями.

Одно из достоинств метода IDEF0 заключается в том, что он абстрагируется от организационной структуры объекта и анали­зирует его функции. Это позволяет после построения модели взгля­нуть на организационную структуру, реализующую эти функции, с точки зрения ее совершенства, выявить похожие функции или их дублирование и дать предложения по реорганизации системы. При разработке моделей следует избегать изначальной «при­вязки» функций исследуемой системы к существующей организа­ционной структуре моделируемого объекта (предприятия). Это помогает избежать субъективного подхода, навязанного существу­ющей организацией производства, так как именно организаци­онная структура должна быть результатом применения модели. Сравнение результата с существующей структурой позволяет, во-первых, оценить адекватность модели, а во-вторых, предложить решения, направленные на совершенствование этой структуры. Метод IDEF0 позволяет идентифицировать бизнес-процессы, рассмотреть функционирование предприятия «как есть» и на ос­нове анализа процессов дать предложения «как должно быть», т. е. по-новому взглянуть на работу предприятия, уточнить обязанно­сти работников, оценить эффективность использования ресурсов, увидеть недостатки, искусно скрытые в обычной организацион­ной структуре. Следовательно, выявление, анализ и внесение из­менений в бизнес-процессы может быть использовано для повы­шения эффективности работы предприятия.

Разработка моделей IDEF0 требует соблюдения ряда строгих формальных правил, обеспечивающих преимущества методоло­гии в отношении однозначности, точности и целостности слож­ных многоуровневых моделей. На всех стадиях и этапах разработки и корректировки модели должны строго формально соблюдаться синтаксические и семантические правила графического языка, а результаты должны тщательно документироваться для того, что­бы при эксплуатации не возникало вопросов, связанных с непол­нотой или некорректностью документации.

Для каждого подразделения, описанного в организационной структуре предприятия, определяют список выполняемых функций, который оформляется в виде дерева и является основой для составления функциональной модели верхнего уровня. Подобная модель деятельности должна включать в себя некоторый набор функций, распределенных по нескольким уровням, с указанием исполняющих их структурных подразделений предприятия, а так­же нормативную и другую документацию, регламентирующую выполнение каждой из них. Глубина и полнота построенной на этом этапе функциональной модели определяется количеством данных, необходимых для последующего разбиения проекта на отдельные этапы внедрения.

Для создания типовых моделей IDEF0 предлагается четырех­уровневая классификация функций, которая ориентирована на достаточно широкий круг организационно-экономических и про­изводственно-технических систем. Каждая рубрика в классифика­ции представляет собой класс преобразующих блоков, экземпля­ры которых создают и используют при моделировании конкрет­ной системы. Классификация делит все функции таких систем на четыре основных и два дополнительных вида. К основным видам функций относят следующие:

1. Деятельность (бизнес) – совокупность процессов, выполня­емых (протекающих) последовательно и/или параллельно, кото­рые преобразуют множество материальных и/или информацион­ных потоков во множество материальных и/или информационных потоков с другими свойствами. Деятельность осуществляется в со­ответствии с заранее определенной и постоянно корректируемой целью с потреблением финансовых, энергетических, трудовых и материальных ресурсов при выполнении ограничений со стороны внешней среды. В модели IDEF0 деятельность описывается бло­ком А-0 на основной контекстной диаграмме (см. рис. 9).

При моделировании крупных, многопрофильных структур (фирм, организаций, предприятий), которые по своему статусу занимаются различными видами деятельности, последние пред­ставляют собой различные экземпляры класса «деятельность» и могут найти отражение в дополнительной контекстной диаграм­ме А-1. В этом случае общая модель такой сложной структуры бу­дет состоять из ряда частных моделей, каждая из которых отно­сится к конкретному виду деятельности.

2. Процесс (бизнес-процесс) – совокупность последовательно и/или параллельно выполняемых операций, которые преобразу­ют материальный и/или информационный потоки в соответству­ющие потоки с другими свойствами. Процесс протекает в соот­ветствии с управляющими директивами, вырабатываемыми на основе целей деятельности. В ходе процесса потребляются фи­нансовые, энергетические, трудовые и материальные ресурсы и выполняются ограничения со стороны других процессов и внеш­ней среды.

3. Операция – совокупность последовательно или/и параллельно выполняемых действий, которые преобразуют объекты, входящие в состав материального или/и информационного потока, в соот­ветствующие объекты с другими свойствами. Операция может выполняться в соответствии с директивами, определяющими про­текание процесса, в состав которого входит операция, а также с учетом ограничений со стороны других операций и внешней сре­ды.

4. Действие – преобразование какого-либо свойства матери­ального или информационного объекта в другое свойство. Дей­ствие выполняется в соответствии с командой, являющейся час­тью директивы на выполнение операции, с потреблением необ­ходимых ресурсов и с соблюдением ограничений на осуществле­ние данной операции.

Дополнительными видами функций являются: субдеятель­ность – совокупность нескольких процессов в составе деятельно­сти, объединенная некоторой частной целью (являющейся «под­целью» деятельности), и подпроцесс – группа операций в соста­ве процесса, объединенная технологически или организационно.

Все функции, входящие в приведенную выше классификацию, находятся между собой в отношениях иерархической подчинен­ности по принципу «сверху вниз»: деятельность – субдеятель­ность – процесс – подпроцесс – операция – действие.

Согласно методу IDEF0 каждая функция выполняется посред­ством своего механизма. В большинстве систем, анализируемых при помощи функциональных моделей, такими механизмами слу­жат организационно-технические структуры. Одним из концепту­альных принципов функционального моделирования является отделение функций от механизма их реализации. Вместе с тем анализ показывает, что между иерархией функций (преобразова­ний) и иерархией механизмов существует соответствие.

Используя иерархию функциональных блоков, можно опреде­лить элементы иерархии механизмов следующим образом:

• организационно-техническая система – организационная струк­тура, персонал и комплекс технических средств (оборудование), необходимые для осуществления деятельности;

• организационно-техническая подсистема – часть организаци­онно-технической системы, обеспечивающая протекание процесса (субдеятельности);

• организационно-технический комплекс (модуль) – часть орга­низационно-технической подсистемы, предназначенная для вы­полнения операции;

Организационно-технический блок – часть организационно-тех­нического комплекса, обеспечивающая выполнение действия.

Таким образом, при корректном построении функциональной модели появляется возможность связать ее блоки на разных уровнях декомпозиции с элементами организационно-технической структуры, выступающими в качестве механизмов. В этом случае организационно-техническая структура также становится резуль­татом функционального моделирования.

Во многих моделях находит отражение явление, связанное с формированием или специфической настройкой (перестройкой) механизмов в ходе деятельности. Это явление называют реинжи­нирингом производства (бизнес-процессов) на предприятии и отражают в модели как субдеятельность, поскольку почти всегда она состоит из нескольких процессов.

Механизм любого уровня обеспечивает выполнение деятель­ности (процесса, операции, действия) путем потребления ресур­сов (финансовых, энергетических, трудовых) непосредственно или в результате промежуточных преобразований, т.е. специфических процессов, которые можно назвать поддерживающими, обеспе­чивающими или вспомогательными (по аналогии с вспомогатель­ными производствами, цехами, участками на машиностроитель­ном предприятии) по отношению к основным процессам, где происходят преобразования, однозначно обусловленные целью деятельности. Существенным признаком вспомогательного про­цесса является то, что он не создает конечного продукта деятель­ности и, следовательно, прибыли, а является затратным.

Управление является особым видом процесса, операции, дей­ствия. Из общих принципов метода IDEF0 вытекает, что каждый блок на диаграмме должен иметь хотя бы одну управляющую стрел­ку, отображающую условия правильного функционирования блока. Это требование является следствием положения системотехники, согласно которому управление – это такое воздействие (преиму­щественно информационное) на систему, которое стимулирует ее функционирование в направлении достижения заданной цели. В связи с этим можно сформулировать ряд определений и методи­ческих положений, которыми следует руководствоваться при от­ражении процессов управления на функциональных моделях.

Управление деятельностью – это процесс, состоящий, как ми­нимум, из следующих операций:

- формулирование целей деятельности;

- анализ и оценка ресурсов, необходимых для осуществления деятельности, и их сопоставление с имеющимися ресурсами;

- сбор информации об условиях протекания и фактическом со­стоянии деятельности («глобальная обратная связь»);

- выработка и принятие решений, направленных на достиже­ние целей, в частности решений о распределении ресурсов по процессам, входящим в состав деятельности; оформление реше­ний в виде директив на управление процессами;

- реализация решений (исполнение директив) и оценка их ре­зультатов («локальная обратная связь»);

- корректировка в случае необходимости (например, при не­хватке ресурсов) ранее сформулированных целей (самонастрой­ка, адаптация).

Управление процессом – это операция, состоящая, как мини­мум, из следующих действий:

- анализ директивы на управление процессом, ее декомпози­ция на директивы управления операциями;

- сбор (прием по каналам связи) информации о ходе выполне­ния операций, ее обобщение и формирование сведений о состоя­нии процесса, передача данных в подсистему управления деятель­ностью;

- сопоставление информации о ходе операций с данными ди­ректив и выработка локальных решений, направленных на устра­нение отклонений:

- корректировка (в случае необходимости) директив на выпол­нение операций.

Управление операцией – это действие, включающее в себя сле­дующие мероприятия:

- выработка на основании директивы на управление операцией команд на управление действиями;

- реализация этих команд;

- оценка результатов выполнения;

- передача необходимой информации в комплекс управления процессом;

- корректировка команд в случае необходимости.

Блоки управления должны быть на каждой IDEFO-диаграмме (кроме тех, которые являются декомпозициями таких блоков). Через них осуществляют управляющие воздействия на остальные блоки диаграммы. Именно эти блоки воспринимают ограничивающую и предписывающую информацию и преобразуют ее в соответствую­щие директивы и команды.

Стрелки, исходящие из блока «Управлять...», описывают цен­трализованную схему управления (управленческую вертикаль). Возможны варианты структур, в которых выходная информация одного из блоков является управляющей для другого, что отража­ет децентрализацию управления (горизонтальные связи).

По результату моделирования производственных процессов определяются показатели эффективности процессов:

- количество производимой продукции заданного качества, оплаченное за определенный интервал времени;

- число потребителей продукции;

- перечень и количество типовых операций, которые необходимо выполнить при производстве продукции за определенный интервал времени;

- стоимость издержек производства продукции;

- длительность выполнения процессов и отдельных операций;

- капиталовложения в производство.

Функциональная модель производственных процессов дает также список (дерево) функций, которые обеспечивают достижение стратегических целей реализации наиболее прибыльных бизнес-процессов; обнаружение дорогостоящих функций (затраты центров) технологий реализаций бизнес-процессов, которые не оправдывают затрачиваемых на них средств; анализ технологий реализации бизнес-процессов по показателям эффективности; вычисление стоимости затрат производства продукции; определение себестоимости производимой продукции; расчет эффективности применения средств автоматизации в структурных подразделениях предприятия; анализ и оценка интенсивности информационных потоков и документооборота.

После построения функциональной модели производства по списку выполняемых функций определяется организационная структура автоматизированного производства.

Для каждого подразделения, описанного в организационной структуре производстве, в свою очередь, определяется список функций и задач, подлежащих автоматизации. Этот список оформляется в виде дерева и является основой для составления функциональных компонентов интегрированной автоматизированной системы. Функциональные компоненты могут содержать одну или несколько автоматизированных подсистем. Таким образом, перечень автоматизированных подсистем ИАС определяется на этапе функционального моделирования. Наиболее широко применяемые автоматизированные подсистемы интегрированного производства рассмотрены в разделе 2.1.

Вопросы для самопроверки по теме 1.1

1. Какие оценки производства можно определить по результатам функционального моделирования?
2. Какие процессы моделирует стандарт IDEF0?
3. Перечислите три основных понятия функционального моделирования.
4. Определите понятия интерфейсной дуги.
5. Что такое функциональный блок?
6. Как используется понятие декомпозиции при моделировании производства?
7. Как определяется организационная структура автоматизированного производства.