Intelligent quality management of technological processes based on decentralized cyber-physical systems

Введение. В современных экономических условиях российские промышленные предприятия сталкиваются с необходимостью радикального повышения эффективности производственных систем в условиях глобальной конкуренции и турбулентности внешней среды. Ключевым фактором конкурентоспособности становится способность производственной системы сохранять заданные параметры качества при воздействии различных возмущений. Традиционные централизованные системы управления качеством, основанные на иерархической структуре и жестко регламентированных процедурах, все чаще демонстрируют свою неэффективность в быстро меняющихся условиях [1].

Основные проблемы централизованных систем включают замедленные процессы принятия решений, недостаточное вовлечение производственных подразделений в управление качеством, ограниченную прозрачность контроля и высокую зависимость от человеческого фактора. В условиях необходимости импортозамещения и оптимизации затрат традиционные методы контроля не обеспечивают требуемой оперативности, что приводит к накоплению брака, перерасходу материалов и снижению общей эффективности производства [2].

Актуальным направлением исследований является разработка децентрализованных систем управления качеством, основанных на интеграции цифровых технологий, киберфизических систем и методов машинного обучения. Такой подход позволяет распределить ответственность и полномочия между автономными узлами производственной системы, повысить гибкость и адаптивность к изменениям внешней среды, а также создать основу для непрерывного совершенствования процессов [3].

Основная часть. Традиционные концептуальные модели систем управления качеством исходили из предпосылки централизованного контроля и жёстко организованных процедур. В таких моделях управленческие функции выполняются выделенным отделом качества, а все подразделения предприятия ориентированы на строгое выполнение установленных стандартов и регламентов. Эти модели отличаются иерархической структурой, распределением ролей и акцентом на формализацию процессов, что хорошо подходит для стабильных производственных сред с низкой степенью вариативности.

Внедрение децентрализованной системы управления качеством на промышленном предприятии может стать значительным шагом в совершенствовании производственных процессов и повышении эффективности современных предприятий. При этом нельзя сводить систему децентрализованного управления только к организационному аспекту и влиянию на процессы человеческих решений. Цифровые технологии все более активно применяются на современных производственных предприятиях, что в производстве позволяет предприятиям:

• автоматизировать процессы;
• контролировать правильность осуществления процессов;
• собирать и анализировать большой объем информации, в том числе о производстве и качестве продукции и процессов;
• осуществлять не только управление производственными процессами, но и анализ текущих данных, а также реагировать на отклонения в процессах и их результатах машинного обучения, когда система сама стабилизует и изменяет работу оборудования в зависимости от задач и полученных результатов (рис. 1).

Рис. 1. Действующие в настоящее время зоны функционала цифровых технологий

Согласно рис. 1, функции цифровых технологий в системе управления процессами в условиях промышленного производства способствуют повышению эффективности, точности и скорости принятия решений, оптимизации производственных процессов и улучшению контроля над производством.

Рассмотрим корневые причины образования потерь в контексте оценки эффективности внедрения и использования инновационных цифровых технологий (табл. 1).

Таблица 1

Анализ корневых причин образования экономических потерь в связи с недостаточно эффективным использованием инновационных цифровых технологий на промышленных предприятиях

Экономические потери	Факторы образования	Корневые причины
1	2	3
1. Затраты времени и ресурсов на интеграцию данных между управляемыми системами, включающими управление производством, управление изменениями, управление предприятием	Сужена зона применения автоматизации и управления процессами: технологии применяются преимущественно в производственных системах, интеграция в рамках общего управления промышленными предприятия, как правило, не осуществляется	Недостаточно полное применение возможностей цифровых технологий в промышленности. Не настроен и не используется следующий функционал: 1. Контроль и управление качеством процессов; 2. Управление тактическими корректировками процессов 3. Моделирование системы 4. Формирование рекомендаций по совершенствованию процессов 5. Подготовка и реинжиниринг процессов (например, через цифрового двойника)
2. Потери, связанные с недостаточно эффективной организацией процессов, нерациональным построением цепочки процессов
3. Потери, связанные с недостаточно эффективным управлением элементами процессов: ресурсами, технологиями, управлением, исполнением, результатами	Технологии применяются для автоматизации текущих процессов, при этом машины, как правило, не участвуют в управлении изменениями. Управление качеством на промышленных предприятиях, как правило, ограничивается оценкой и анализом результатов процессов, но не поиском корневых причин; машины не участвуют в моделировании процессов, их улучшении, в проведении реинжиниринга, что говорит о недостаточном использовании возможностей цифровых механизмов
4. Потери от несвоевременного обновления и совершенствования элементов процессов

Таким образом, на сегодняшний день цифровые системы промышленных предприятий не готовы к самостоятельному автоматизированному осуществлению стратегических преобразований в процессах. Актуальным решением в данном случае это создание механизма, который будет основан на взаимодействии человека и машины с тенденцией к снижению доли участия человека. Для этого следует определить функциональные зоны машины и человека в сфере управления качеством на предприятии (табл. 2).

Таблица 2

Функциональные зоны цифровых технологий и человека в вопросах обеспечения стратегического технологического развития промышленных предприятий на основе децентрализованных механизмов управления качеством

Уровень управления изменениями	Функциональная зона цифровых технологий	Функциональная зона человека
1	2	3
1. Осуществление текущих производственных операций	Полная автоматизация за счет внедрения цифровых технологий (цифрового двойника)	На данном этапе полностью исключаем участие человека
2. Контроль соблюдения стандартов и уровня полученных результатов на этапе отдельных процессов. Децентрализованный уровень управления качеством	Полная автоматизация на основе использования цифровых технологий (киберфизические системы, big data, анализ данных)	На данном этапе полностью исключаем участие человека
3. Контроль эффективности состава, интеграции и взаимосвязи процессов на основе данных: — эффективности отдельных процессов; — эффективности производственной системы в целом; — эффективности деятельности предприятия на основе системы целевых показателей	1. Полная автоматизация расчета показателей эффективности. 2. Определение причин снижения качества в процессах. 3. Разработка рекомендаций по корректировке имеющейся структуры процессов, их интеграции	1. Анализ информации, сформированной цифровой системой. 2. Разработка решений по корректировке производственных процессов. 3. Настройка цифровой системы в соответствии с рекомендациями цифровой системы (либо самостоятельная настройка цифровой системой на основе соответствующих команд)
4. Реинжиниринг процессов на основе изменения внешней среды предприятия	1. Анализ данных о внешней среде, включающий поиск данных о рынке, конкурентах, основных потребителях, новых технологиях; поиск актуальных предложений по ресурсам, динамике территориального распределения основных контрагентов. 2. Анализ текущего уровня эффективности деятельности предприятия. 3. Моделирование будущей производственной системы. 4. Разработка схемы реинжиниринга процессов, производственной системы предприятия 5. Оценка будущей эффективности в результате проведения реинжиниринга	1. Анализ информации, сформированной цифровой системой. 2. Разработка решений по осуществлению реинжиниринга производственных процессов. 3. Настройка оборудования, систем, элементов процессов в рамках частичного либо полномасштабного реинжиниринга
5. Анализ эффективности масштабного технологического преобразования производственных систем	Полная автоматизация на основе использования цифровых технологий (киберфизические системы, big data, анализ данных)	1. Анализ информации, сформированной цифровой системой. 2. Если необходимо, разработка решений по корректировке производственных процессов

Согласно табл. 2, цифровая система может значительно улучшить процессы контроля и обеспечения качества продукции.  Цифровые системы позволяют автоматизировать мониторинг качества на всех этапах производственного цикла.

В данной статье предлагается реализовать децентрализованную систему управления качеством, основанной на цифровой системе, что является инновационным подходом к организации процессов контроля и обеспечения качества продукции на промышленном предприятии. Данная система представляет собой совокупность автономных агентов, которые объединены внутренними связями и функционирующих на основе собственных ресурсов, групповой коммуникации, а также комбинации алгоритмов поведения.

На основании этого разработан алгоритм построения системы управления технологическими процессами на основе применения цифровых технологий и переходе на децентрализацию управления:

1 этап. Сбор данных в реальном времени. На этом этапе при помощи датчиков и контроллеров каждый автономный узел сформированной технологической системы в режиме реального времени непрерывно собирает информацию о параметрах технологического процесса (температура, давление, время выдержки, концентрация реагентов и др.).

2 этап. Анализ и прогнозирование. Собранные на первом этапе данные передаются в настроенную на определенные входные и выходные параметры нейросетевую модель. Алгоритм сравнивает прогнозные значения с нормативными требованиями и формирует рекомендации по корректировке режимов работы оборудования.

3 этап. Автоматическая корректировка параметров. Система настраивается на осуществление автоматической корректировке, если параметры процесса отклоняются от заложенных стандартных значений. Для обеспечения стабильного протекания технологического процесса.

4 этап. Координация между узлами. Результаты анализа передается на координации для возможности осуществления синхронизации действий на различных участках производственной системы, чтобы обеспечить согласованность действий.

5 этап. Стратегический анализ и совершенствование. На основании всех собранных данных осуществляется стратегический анализ эффективности системы управления качеством для разработки мероприятий для совершенствования технологических процессов.

Процессы принятия решений в таком виде распределены, а их взаимодействие на всех уровнях координируется саморегулирующимся механизмом. Предложен подход, сочетающий агентную координацию и распределенный мониторинг качества с учетом специфики технологического процесса, принципиальное отличие которого от существующих аналогов заключается в интеграции с механизмами менеджмента качества процессов и использовании цифрового двойника для автоматической самонастройки параметров. Такой алгоритм становится ключевым инструментом управления и объединения отдельных компонентов системы в единое целое.

Децентрализованный алгоритм позволяет отдельным агентам оптимизировать свое поведение в зависимости от альтернативных действий внешней среды. В децентрализованных системах агенты выполняют системные рекомендации только с учетом оперативной обстановки и могут вносить коррективы в системные установки. Анализ решения проблемы отношения локальных и системных целей основан на проектировании снизу вверх.

Заключение. Децентрализованная система управления качеством помогает повысить гибкость производства. Цифровые технологии позволяют быстро адаптироваться к изменениям в рыночной среде и потребностям клиентов, оперативно вносить корректировки в производственные процессы и улучшать качество продукции. Это существенно увеличивает конкурентоспособность предприятия и способствует удовлетворению потребностей заказчиков.

Внедрение децентрализованной системы управления качеством на основе цифровой системы улучшает прозрачность и контролируемость производственных процессов. Благодаря возможности централизованного мониторинга всей цепочки производства с применением цифровых технологий, руководство предприятия получает полную информацию о текущем состоянии каждого этапа производства и может оперативно принимать решения для устранения задержек или недочетов;