В качестве интегрированных АСУ рассматриваются системы, при создании которых реализован принцип нисходящего проектирования систем, выполняющих взаимосвязанные функции компонентов, которые в результате взаимодействия обеспечивают достижение целей управления. Интегрированная АСУ отличается прежде всего методикой построения, обеспечивающей согласованное достижение целей, каждая из которых не может быть достигнута за счет локального использования отдельных видов АСУ.

Интегрированная АСУ обеспечивает согласованное и координированное решение задач с учетом временной и уровневой иерархии за счет разделения общей задачи управления по фазам планирования, регулирования, учета, анализа, а также временной иерархии задач внутри каждой фазы. В ИАСУ обеспечиваются координация процессов исследования хода производства, оперативного и перспективного планирования и адаптация системы за счет изменения состава и взаимосвязей между задачами, а также характера взаимодействия между ее компонентами.

Можно выделить множество различных частных концепций ИАСУ, в которых на первый план в зависимости от целей интеграции могут выступать проблемы технической, информационной, программной, организационной совместимости и взаимодействия, функциональной интеграции, организации согласованной работы между различными видами АСУ (АСУ П-АСУ ТП, АСУП-АСУО, АСУ П- САПР и т. д.), интеграции автоматизированной и неавтоматизированной частей системы управления, отдельных фаз цикла управления, системы автоматизированной обработки данных, а также данных, необходимых для принятия решений. Выбор преимущественного направления интеграции АСУ может быть осуществлен на основе оценки функциональной структуры ИАСУ, эффекта, получаемого в результате совместного и согласованного функционирования локальных АСУ, а также затрат на обеспечение их совместимости и взаимодействия.

Важную роль играет определение требований к программным средствам интеграции, обеспечивающим решение комплекса задач в соответствии с заданным временным регламентом и иерархией взаимосвязей, а также к средствам анализа накопленных данных о ходе производства в процессе автоматизированного управления.

Большинство АСУ внедрены на основе локальных решений частных проблем. При этом использование математических методов и моделей для решения задач управления ограничено. Переход к интеграции автоматизированных систем связан с системным анализом объекта и задач управления; с постановкой и формированием комплекса задач управления как задач оптимизации по некоторому общему для системы критерию эффективности функционирования; с использованием экономико-математических моделей объекта управления для объединения частных задач управления, прогноза возможных состояний и выбора оптимальных управлений.

Системный анализ функционирования предприятия требует рассматривать изучаемые явления и процессы комплексно, с учетом их внешних и внутренних связей, существенных с точки зрения целей, поставленных перед системой. В применении к проблеме создания интегрированных АСУ это требует регулярного осуществления следующего комплекса работ: определения целей интегрированной системы, выделения локальных объектов управления, установления структуры целей и задач объекта управления, выявления и анализа существенных внешних и внутренних связей, установления способа функционирования объекта и выделенных частей в динамике, определения способов комплексирования задач управления, определения направлений интеграции системы управления, внедрения локальных систем и достижения локальных целей, перехода к совместному функционированию локальных частей системы.

Требуя четкой формулировки проблемы и конкретных целей ее решения, методология построения ИАСУ предполагает исключение из рассмотрения неформализованных проблем. При исследовании производственных процессов как объектов управления (и в особенности их информационной структуры) существует множество проблем такого рода. Примером могут служить некоторые “традиционные” формы внутренней и внешней отчетности, назначение которых порой никому не известно.

При разработке ИАСУ необходимо рассматривать в единстве человека, машину, информацию, чтобы, с одной стороны, подготовить управленческому персоналу с помощью ЭВМ необходимую информацию для качественного принятия решений, а с другой стороны — ограничить потоки не относящихся к делу излишне детализированных сведений. Чтобы результаты машинной обработки информации могли эффективно влиять на производственный процесс, необходимо получать их к определенному сроку. Состав, количество нужной информации и время ее обработки являются критическими факторами при разработке интегрированных систем управления.

Как показывает анализ, наибольший эффект может быть получен, когда три уровня управления — локальные функциональные подсистемы, подсистема оперативного управления и координации и подсистема планирования — будут рассматриваться как единое целое. При этом анализ внешней среды и выявление экономически оправданного набора заданий целесообразно считать функцией подсистемы более высокого уровня, которая задает подсистеме планирования производства объем и номенклатуру подлежащей изготовлению продукции.

Такой подход позволяет создать систему, в которой интеграция информации, требуемой для принятия решений на каждом уровне (“горизонтальная” интеграция), сочетается с интеграцией функций управления по уровням (“вертикальная” интеграция).

Предельные возможности интеграции определяются видом связей между отдельными объектами управления. Это значит, например, что в пределах автоматизированной системы управления предприятием может существовать интеграция нескольких относительно слабо связанных между собой систем управления производством, административно-хозяйственной деятельностью, кадрами и т. д. Однако интегрированными эти системы можно будет называть лишь в том случае, если им будет доступна вся информация, необходимая для принятия решений по управлению соответствующим объектом, а управление на всех уровнях будет координироваться с позиций достижения общей цели.

При создании ИАСУ в процессе исследования объекта возникает задача выявления структуры производственных связей, вероятностных показателей — производительности отдельных участков, затрат и качества продукции, вероятностных характеристик расхода материалов и инструмента, а также динамики изменений первоначальных заданий.

Знание характеристик как самого объекта управления, так и его связей с внешней средой связано с получением многомерных статистических данных, анализ которых позволяет учесть вероятности изменений заданий и состояний внешней среды, а также возможный разброс характеристик объектов при решении задач управления. Такая статистика позволяет выделить области часто повторяющихся производственных ситуаций, что дает возможность заранее выбрать для них стратегию у прав гения.

Если АСУ разрабатывается для нового предприятия и его вероятностные характеристики, как и вероятностные характеристики внешней среды, установить не представляется возможным, то для этого случая исходными являются характеристики и производственные ситуации, найденные на основании анализа аналогичных действующих предприятий (например, методом экспертных оценок).

Так как обычно внешней средой задается не один, а несколько критериев оценки функционирования предприятия, некоторые из которых несоизмеримы, то возникает задача упорядочения критериев путем их ранжирования, задания приоритетов или весовых коэффициентов.

Измерение приоритетов может осуществляться, когда значение максимизируемой или минимизируемой целевой функции достигает некоторого заранее установленного уровня. Например, критерий максимизации производительности может потерять свой первый приоритет в тех случаях, когда уровень производства превысит заданное значение.

Выбор приоритетов является неформальной операцией и может осуществляться с использованием методов теории принятия решений. Для моделирования процессов принятия решений обычно составляются сценарии. Аналогично могут определяйся весовые коэффициенты, преобразующие векторный критерий в скалярный.

Структура производственных связей для каждой из производственных ситуаций определяет возможность декомпозиции общей цели, задаваемой внешней средой, на множество подцелей каждого участка производства образующих дерево целей.

При составлении дерева целей необходимо учитывать не только производственные возможности участков производства, но и ограничения, накладываемые внешней средой по ресурсам и срокам.

На основании дерева целей основного производства строятся взаимосвязанные с ним деревья целей для всех вспомогательных подразделений завода, обеспечивающих основное производство необходимыми ресурсами.

Дерево целей можно представить в виде графа, отображающего связи и соподчиненность целей (вертикальные уровни) и функции управления, обеспечивающие достижение этих целей (горизонтальные уровни).

Примерами функций являются оперативное управление производством, управление материально-техническим снабжением, управление сбытом и т.д.

На основе дерева целей осуществляется декомпозиция общих критериев оценки функционирования производственного процесса, что позволяет каждой подцели поставить в соответствие определенные критерии. Выбор подцелей и критериев для каждого элемента производственной структуры позволяет сформулировать задачи управления и получить тем самым функциональную структуру системы управления производством, соответствующую дереву целей.

Совокупность локальных критериев должна соответствовать общим критериям. С учетом характеристик звеньев производственной структуры приоритеты или весовые коэффициенты локальных критериев должны изменяться. Например, участку производства, состоящему из двух последовательно работающих arpeгатов, заданы критерии максимизации производительности и минимизации расхода энергии с первым и вторым приоритетами соответственно. Пусть при удовлетворении первого критерия один из агрегатов достиг своей предельной производительности и стал узким местом. Тогда для второго агрегата критерий максимизации производительности теряет смысл, а достигнутое значение целевой функции превращается в ограничение при работе по критерию со вторым приоритетом.

При выборе задач согласованного управления применяемые модели должны не только учитывать ограничения по производительности и другим показателям, но и отражать усредненные соотношения между переменными, влияющими на показатели, входящие в критерии. Использование в модели усредненных соотношений переменных снижает ее точность и означает, что модель лишь “в среднем” соответствует реальным характеристикам объекта. Примером являются так называемые нормативные показатели производительности, полученные усреднением результатов работы объекта 6eз учета степени согласованности его функционирования с другими объектами, без учета изменения характеристик в течение межремонтного периода работы оборудования и т. д.

Управлением по средним характеристикам является объемное календарное планирование производства в масштабе группы цехов, устанавливающее объемы производства по календарным срокам. Рассматривая параметры этого плана как задания целей и критериев внешней среды, можно отыскать управление для производственных структур каждого из цехов и крупных участков, модели которых учитывают укрупненные характеристики отдельных агрегатов, входящих в состав этих цехов и участков. Найденное управление имеет форму более детализированного объемно-календарного плана с разбивкой на более мелкие интервалы времени. Наконец, аналогичным образом могут быть найдены согласованные между собой календарные планы-графики работы агрегатов.

Число ступеней разбиения задач управления ИАСУ определяется вычислительными возможностями технического обеспечения, сложностью решения задач управления, а также вероятностными характеристиками действующих на производственный процесс возмущений, вызывающих отклонение реального хода производства от запланированного. Чем более укрупненная модель используется для решения задачи управления, тем выше риск отклонения параметров объекта при функционировании от оптимальных. Уменьшение риска может быть достигнуто детализацией моделей, уточнением их параметров на основании анализа отклонений от плана в процессе функционирования объекта.

Таким образом, при выборе числа уровней детализации моделей при согласованном управлении необходимо использовать данные статистического анализа причин расхождения между планом и реальным ходом производственного процесса: выявить комплексные характеристики, оценивающие организационные и технологические трудности;

построить вероятностную модель неупорядоченности производственного процесса как функции от характеристик организационных и технологических трудностей для различных производственных ситуаций: определить интервалы времени планирования и управления при данной степени укрупнения моделей, обеспечивающие заданное значение характеристик выполнения плана.

В зависимости от сложности общей задачи управления число уровней детализации с последовательным уточнением управления может быть различным. Так, задачи объемно-календарного планирования могут делиться на задачи среднесрочного и краткосрочного планирования, задачи построения графика реализации плановых заданий, заданий на короткий срок и т д.

Разбивка по времени является одним из основных параметров планирования. Другим параметром является степень реализации, которая обычно возрастает с уменьшением периода планирования.

В результате в процессе планирования выделяются этапы с дискретными временными горизонтами планирования Переход oт одного горизонта планирования к другому осуществляется либо по истечении какого-то времени либо в результате накопления информации, либо в результате возникновения каких-либо событий, требующих разработки планов очередного периодa.

Долгосрочное планирование почти полностью основывается на пpoгнозax. Долгосрочные прогнозы по сырью, энергии, трудоресурсам или долгосрочные заказы становятся в дальнейшем ограничениями. Решения о капиталовложениях при долгосрочном планировании должны приниматься с учетом сроков проектирования и строительства новых предприятий.

Среднесрочное планирование обычно охватывает период oт 1 до 5 лет. Как долгосрочное, гак и среднесрочное планирование может считаться стратегическим этапом интеграции.

Реализацией cтратегических и тактических нетей являются в взаимосвязанные годовые, квартальные, месячные, декадные (недельные), суточные планы и графики.

При разработке планов и графиков в целом расписание составляется на более длительное время, чем требуется, но по истечению определенного интервала график пересматривается. Такой подход обеспечивает большую устойчивость производственных графиков в условиях неопределенного будущею хода процесса.

Основой получения эффективного решения является возможно более точное формализованное описание поведения системы. Поэтому методология системного анализа предусматривает непрерывное улучшение ранее принятых решений за счет адаптации исходной модели к условиям функционирования: накопления информации о текущем состоянии выхода для оценки рассогласования; подготовки рекомендаций о месте, времени и форме управления, его вероятных последствиях на выходе объекта. Этому принципу в полной мере отвечает многослойная концепция адаптации управления производством.
В интегрированной системе управления выделяются четыре уровня.

Первый уровень взаимодействует с объектом непосредственно в реальном времени процесса. Обработанные с датчиков сведения могут обрабатываться (сглаживаться, усредняться, линеаризовался и т. д.) то передачи их в систему принятия решении для хранения и последующего использования. В задачу текущего контроля событий входит обнаружение событий, влияющих на решения по управлению. Эти события мoгyт инициировать выдачу управляющею воздействия, выдачу сигнала на завершение предшествующего задания, введение новых значений управляемых параметров, изменение режима работы. Функция прямого peгулирования первого уровня ИАСУ реализует цель и стратегию, определенную на втором уровне.

Второй уровень. Устанавливает цель или задания, подлежащие реализации на первом уровне. В нормальном режиме целью может быть оптимальное управление на основе принятой математической модели. В аварийных ситуациях могут получать приоритет модифицированные модели для пересчета нарушенных планов. Второй уровень определяет остановки для управляющих устройств первого уровня, которые реализуются через заранее определенную последовательность действий

Третий уровень выполняет функцию адаптации алгоритмов, используемых на первом и втором уровнях Адаптация может осуществляться путем корректировки значений соответствующих параметров алгоритмов (например, в результате анализа поведения объекта) или параметров текущего контроля событий (например, граничных условий изменения режимов функционирования);

а также посредством определения ограничений для задачи оптимизации второго уровня (вызванных, например, изменением структуры объекта вследствие вывода из работы части оборудования).

Основное отличие третьего уровня — учет опыта работы в течение некоторого периода времени.

Четвертый уровень осуществляет выбор структуры алгоритмов, относящихся к нижестоящим уровням иерархии. Эти решения основываются на общей информации о целях функционирования, приоритетах, внутренних и внешних взаимосвязях и т. д. Он задает третьему уровню режим функционирования путем управления процессом решения задач.

Задачи третьего и четвертого уровней могут решаться производственным и управленческим персоналом на основе качественных оценок.

Вышестоящие уровни имеют приоритет действия по отношению к нижестоящим. Информационный обмен между уровнями идет вверх по иерархии через общую Базу данных. Результаты принятия решений и оценки идут вниз либо через базу данных, либо через организующую программу системы. База данных является средством информационной интеграции уровней адаптации.

Значительный объем информации, которая должна быть переработана для принятия решений по управлению сложным производством, и, следовательно, значительное время, необходимое для решения, требуют расчленения общей задачи управления.

В процессе декомпозиции производится последовательная детализация общей задачи, как этого требует системный анализ.

Результатом является многоуровневая иерархическая структура принятия решений, в которой верхний уровень имеет приоритет действия по отношению к связанному с ним нижнему уровню. Нижний уровень непосредственно воздействует на объект управления на основе решения локальных задач.

Координация локальных задач осуществляется следующим образом: фиксируются значения входных и выходных переменных, связывающих координируемые задачи, и осуществляется прогнозирование требуемых взаимодействий; устанавливается “плата” за использование вышестоящими задачами “ресурсов” либо за отклонение входных и выходных величин от заданных значений. Тем самым устанавливаются условия для согласования взаимодействий и изменяются локальные целевые функции.

После разделения общей задачи управления каждая из локальных задач может в свою очередь подвергнуться декомпозиции. Процесс разделения общей задачи заканчивается, когда каждая из построенных локальных задач принятия решений может быть решена с применением имеющихся средств за допустимое время.

Локальная задача принятия решений может быть представлена в виде следующих функциональных блоков: принятия решений;

определения состояния объекта (обязателен в случае, когда поступающая с объекта информация дает сведения только об изменениях состояния объекта); вычисления состояния планового задания (обязателен в случаях, когда периоды принятия решений в данной локальной задаче и вышестоящей различны); прогнозирования состояния объекта и планового задания на начало периода реализации принимаемого решения (обязателен в случаях, когда моменты принятия решения и его реализация существенно различны).

Возможно выделение других блоков. Одноименные функциональные блоки разных локальных задач могут быть в дальнейшем объединены. Результаты декомпозиции оформляются в виде графа, вершинами которого являются локальные задачи, а дугами — информационные связи между ними. На дугах указывают условные обозначения массивов информации, связывающих локальные задачи.

Наличие нескольких уровней разбиения задач управления, предопределяя различные по степени укрупнения модели, требует для их согласования соответствующей информационной базы. Эта база должна содержать различную по степени укрупнения информацию для различных производственных ситуаций.

Уточнение текущих характеристик объектов осуществляется путем адаптации соответствующих моделей. Процесс адаптации требует определенного времени, зависящего от динамических характеристик объекта и временных характеристик возмущений.

В зависимости от характера выявленных возмущений их компенсация может осуществляться в форме выработки дополнительных управляющих воздействий без изменения общей программы управления либо в форме частного или потного видоизменения этой программы. Например, пои аварийной остановке агрегата и отсутствии резерва может понадобиться полный пересмотр программы управляющих воздействий. Если же возмущение может быть компенсировано так, что заданная цель достигается за счет некоторого ухудшения показателей, входящих в критерий, то программа управляющих действий не изменяется. Лишь в случае, если “цена” дополнительного управляющего воздействия окажется значительной, может понадобиться изменение показателей функционирования объекта и пересмотр программы. Когда модель верхнего уровня представляет собой агрегирование моделей нижнего уровня и модели этих уровней работают с различными масштабами времени, необходимо своевременно выявлять намечающиеся отклонения и вырабатывать дополнительные управляющие воздействия, направленные как на изменение технологических режимов, так и, в особых случаях, на изменение организации производственного процесса.

Может оказаться, что управляющие воздействия не могут устранить отклонения хода процесса от запланированного и расхождение достигнет предельно допустимого значения раньше, чем истечет интервал времени планирования. В этом случае требуется корректировка плана-графика, поскольку внутренние ресурсы управления исчерпаны.

В этом случае должна быть минимально видоизменена оставшаяся невыполненной часть плана.

Таким образом, декомпозиция и согласование решений в ИАСУ требуют согласования локальных решений ИАСУ, их комплексирования с учетом целей интеграции.