BISP_ID_UI_1

Unitatea de învăţare 1

NOŢIUNI INTRODUCTIVE

Obiectivele unităţii de învăţare: • înţelegerea şi însuşirea de către studenţi a conceptelor de bază din

ingineria sistemelor de producţie: sistem, producţie, sistem de producţie, decizie, optimizare, modelare, simulare etc.;

• înţelegerea obiectului ingineriei sistemelor, şi, mai ales, a obiectului şi modului de organizare a activiţăţii de inginerie a sistemelor de producţie (inginerie economică);

• înţelegerea şi însuşirea conceptului de sistem complex industrial, a dinamicii dezvoltării acestor sisteme, a noţiunilor de siguranţă şi securitate în funcţionare, de proiectare şi mentenanţă a acestora;

• înţelegerea cuprinderii domeniului cercetării operaţionale şi a formulării matematice a problemei programării de optimizare.

Cuprinsul unităţii de învăţare: 1.1. Concepte fundamentale 2

1.1.1. Noţiunea de sistem. Clasificări şi exemple 2 1.1.2. Noţiunea de resursă. Categorii de resurse 3 1.1.3. Sisteme tehnice şi sisteme om-maşină 4 1.1.4. Noţiunea şi fenomenul producţiei 5 1.1.5. Noţiunea de sistem de producţie. Clasificare 6 1.1.6. Noţiunile de control, decizie, comandă şi reglare 7 1.1.7. Conducere şi optimizare. Conducerea optimală 8 1.1.8. Noţiunile de date şi informaţie 9 1.1.9. Modelarea şi simularea 9

Teste de autoevaluare (secţiunea 1.1) 11 1.2. Obiectul ingineriei sistemelor şi al ingineriei sistemelor de producţie 12

1.2.1. Conceptul de inginerie 12 1.2.2. Conceptul de inginerie a sistemelor şi obiectul acesteia 12 1.2.3. Obiectul şi organizarea activităţii de inginerie

a sistemelor de producţie 13 1.2.4. Scurt istoric al ingineriei sistemelor de producţie 15

Teste de autoevaluare (secţiunea 1.2) 16 1.3. Sisteme complexe industriale 17

1.3.1. Noţiunea de sistem complex industrial 17 1.3.2. Etapele dinamicii dezvoltării sistemelor complexe 18 1.3.3. Securitatea şi siguranţa în funcţionare a sistemelor 19 1.3.4. Proiectarea şi mentenanţa sistemelor complexe 19

Teste de autoevaluare (secţiunea 1.3) 20 1.4. Metodele matematice ale ingineriei sistemelor de producţie.

Cercetarea operaţională 21 1.4.1. Metodele matematice ale ingineriei sistemelor de producţie 21 1.4.2. Cercetarea operaţională. Caracterizare generală 21 1.4.3. Formularea matematică a problemei programării de optimizare 23

Teste de autoevaluare (secţiunea 1.4) 24 Bibliografie 25

Conf. dr. ing. Andrei Dumitrescu

2

1.1. Concepte fundamentale

În aceasă primă secţiune, vor fi definite şi prezentate conceptele de bază

din Ingineria sistemelor de producţie, pornind de la noţiunea fundamentală, frecvent întâlnită şi în alte discipline – cea de sistem. În continuare, sunt definite o serie de alte noţiuni importante, cum ar fi: producţie, sistem de producţie, control, decizie, optimizare, conducere, informaţie, modelare etc.

1.1.1. Noţiunea de sistem. Clasificări şi exemple Cuvântul sistem provine din limba greacă, fiind alcătuit din combinaţia

cuvintelor „syn” (împreună) şi „histanai” (a pune, a aşeza). Definiţia 1: În accepţiunea ştiinţifică generală a termenului, sistemul este un ansamblu de elemente (obiecte) diferite, aflate în sau capabile de interacţiune [şi alcătuind un tot unitar (organizat)], integrate în vederea realizării unui anumit scop (obiectiv).

Observaţia A: Din punct de vedere tehnic (ingineresc), este esenţial atributul de SCOP (definit prin „realizarea unui program sau obiectiv dat sau stabilit anterior”). Atingerea acestuia se realizează prin utilizarea adecvată şi controlul resurselor disponibile ale sistemului, care sunt întotdeauna limitate. În evoluţia sistemului, singurul lucru care interesează este realizarea, în condiţii optimale, a acestui scop.

Observaţia B: Elementele sistemului pot fi: operatori umani (forţa de muncă), materiale, mijloace (instalaţii) de producţie, tehnologii, energie, capital, informaţie (în sens larg, „oameni” şi „maşini” – a se vedea subsecţiunea 1.1.3).

Observaţia C: Precizarea introdusă între paranteze drepte nu este esenţială în definiţia 1 de mai sus şi, ca urmare, ar putea lipsi.

Observaţia D: Definiţia 1 se aplică, în general, obiectelor (sistemelor) fizice (reale). Există şi aşa-numitele sisteme teoretice (conceptuale) în care elementele sunt concepte, adică idei ştiinţifice sau filozofice, mărimi fizice, propoziţii, teoreme, axiome etc. Astfel de sisteme NU constituie obiectul ingineriei sistemelor. Prezentăm totuşi în continuare câteva variante de definiţii şi exemple şi pentru astfel de sisteme.

Definiţia 2: (a) Sistemul este un ansamblu coerent de idei care pune ordine într-un domeniu de gândire teoretică (ştiinţifică sau filozofică).

(b) Sistemul este un ansamblu ordonat care reglementează clasificarea materialului într-un domeniu al ştiinţei (este rezultatul unei clasificări).

Exemple (de sisteme teoretice, corespunzătoare definiţiei 2): - pentru varianta (a): sisteme de axiome (cel al Geometriei ş.a.),

sisteme filozofice (ansamblu ordonat de idei, constituind o concepţie unitară şi integrală despre natură, gândire şi societate);

- pentru varianta (b): sistemul periodic al elementelor, sisteme de unităţi de măsură, sisteme metalografice, sisteme algebrice (de exemplu: Corp, Grup), sisteme de numeraţie.

Bazele Ingineriei Sistemelor de Producţie 1. Noţiuni Introductive

3

Clasificări ale sistemelor: Există mai multe criterii utile de clasificare, dintre care în continuare sunt indicate cele mai importante.

1. Din punctul de vedere al elementelor ce alcătuiesc sistemul: • sisteme teoretice (vezi definiţia 2 şi exemplele de mai sus); • sisteme fizice (alcătuite din obiecte reale/fizice – vezi definiţia 1),

care, la rândul lor, se pot clasifica în: - sisteme naturale, ca, de exemplu cele biologice (orice organism

viu sau părţi ale sale) sau cele astronomice (cel solar, planetar etc.), care însă nu constituie de regulă obiectul ingineriei sistemelor, cu excepţia organismelor vii (în special, corpul uman şi părţi ale sale);

- sisteme de tip artificial (create de om), cum sunt cele tehnice (a se vedea subsecţiunea 1.1.3 – inclusiv pentru exemple), dar şi societatea umană în ansamblu sau anumite fenomene economice şi/sau sociale, care pot fi asimilate unor sisteme şi, ca urmare, pot fi studiate cu ajutorul ingineriei sistemelor.

2. Din punctul de vedere al existenţei schimbului (de substanţă, energie sau informaţie) cu mediul exterior:

• sisteme deschise (există schimb „complet” cu exteriorul sau cu alte sisteme);

• sisteme închise, la care există doar schimb de informaţie şi/sau energie cu exteriorul (nu şi de substanţă) şi care reprezintă o idealizare.

3. Din punctul de vedere al evoluţiei în timp a sistemului: • sisteme statice, care nu evoluează în timp şi reprezintă o idealizare; • sisteme staţionare, cu evoluţie constantă în timp, dar care prezintă

schimb de energie cu mediul exterior; • sisteme dinamice, care evoluează, lent sau rapid, în timp. Există şi o categorie intermediară, sistemele cvasistatice, cu o evoluţie extrem de lentă în timp şi care pot fi asimilate, în orice moment, unui sistem static.

În figura 1.1 este prezentată o schemă posibilă a clasificării sistemelor, care ilustrează grafic cele trei criterii prezentate anterior.

Următoarele noţiuni sunt, după cum se poate observa din cele prezentate în această subsecţiune, strâns legate de conceptul de sistem şi, în special, de factorul scop al acestuia: resurse, control, decizie, comandă, reglare, conducere, optimizare, informaţie. Toate aceste noţiuni sunt definite în continuare.

1.1.2. Noţiunea de resursă. Categorii de resurse Definiţie: Resursele reprezintă rezerve de mijloace susceptibile a fi valorificate în vederea realizării unui obiectiv (scop al unui sistem).

Clasificare a resurselor: În cazul unei unităţi economice (industriale), resursele se clasifică în următoarele cinci categorii principale, care reprezintă elemente de intrare în sistemul de producţie (definit în subsecţiunea 1.1.5):

• resurse materiale, alcătuite din mijloace de muncă / producţie (unelte, echipamente, utilaje etc.) şi obiectul muncii (materii prime, semifabricate etc.);

• resurse financiare (băneşti), care alcătuiesc capitalul; • resurse energetice;


4

• resurse umane (forţa de muncă), alcătuite din totalitatea aptitudinilor (îndemânării) angajaţilor (personalului) unităţii economice;

• informaţia (cunoştinţele aflate în posesia unităţii şi a angajaţilor săi), care cuprinde proiectele produselor, tehnologiile etc.

Fig. 1.1. Clasificări ale sistemelor

1.1.3. Sisteme tehnice şi sisteme om-maşină Definiţie: Sistemele tehnice sunt acele sisteme care au drept obiecte elemente realizate total sau parţial prin procedee tehnice, adică elemente artificiale.

Elementele unui sistem tehnic sunt, de regulă, complexe tehnologice (organe de maşini, mecanisme, aparate, dispozitive, maşini în sine, echipamente, utilaje şi instalaţii de orice fel, subsisteme ale acestora – de reglare, control, comandă etc.), dar şi orice alt ansamblu artificial (clădiri sau alte construcţii industriale, căi de comunicaţie – şosele, căi ferate, poduri, tuneluri, diguri etc.).

Orice astfel de element se numeşte maşină (în sens larg) şi poate, la rândul său, să reprezinte un sistem tehnic.

SISTEM (structural)

TEORETIC

FIZIC NATURAL

ARTIFICIAL

SISTEM (schimburi)

ÎNCHIS

DESCHIS

SISTEM f(t)

≠ f(t)

STAŢIONAR

STATIC

DINAMIC CVASISTAŢIONAR

NESTAŢIONAR

f(t) = const.

f slab (t)

0d

)(df≠

tt


5

Sistemul tehnic este utilizat pentru studiul activităţilor din economie (industrie, transporturi, servicii, agricultură etc.), cercetare, chiar gospodărie, precum şi al altor activităţi umane.

Exemple (de sisteme tehnice): utilaje şi instalaţii complexe, linii automate de fabricaţie, aparate electrocasnice, sistemele tehnologice (definite ca fiind un ansamblu structurat de mijloace de producţie, legate între ele prin relaţii bine stabilite, ale cărui funcţiuni sunt sarcinile de producţie), ş.a.m.d.

O categorie de sisteme, parţial tehnice, o constituie sistemele om-maşină. Definiţie: Sistemul om-maşină este un sistem ce integrează funcţii umane şi tehnologice (oameni şi maşini în sens larg), cu o reţea de informaţie comună, în structuri ce tind să devină tot mai complexe.

Exemple: sistemul de producţie (definit în subsecţiunea 1.1.5 – constituie principalul obiect de studiu al Ingineriei sistemelor de producţie), sistemul complex industrial (reprezintă cazul particular cel mai reprezentativ de sistem de producţie).

Sistemele tehnice şi cele om-maşină constituie principalul obiect de studiu al disciplinei intitulate ingineria sistemelor.

1.1.4. Noţiunea şi fenomenul producţiei Noţiunea de producţie este un termen cu două sensuri, explicate în cele

două definiţii de mai jos. Precizăm că definiţia 1, cu caracter mai general, este cea care prezintă interes pentru Ingineria sistemelor de producţie.

Definiţia 1: Producţia reprezintă procesul de creare a bunurilor (materiale) necesare existenţei şi dezvoltării societăţii umane, în cursul căruia oamenii, cu ajutorul uneltelor / maşinilor (în sens larg), în cadrul unor forme sociale determinate, exploatează şi transformă sau modifică obiecte (elemente) din natură în vederea satisfacerii necesităţilor proprii. Definiţia 2: Producţia este efectul procesului de creare a bunurilor (materiale), adică totalitatea obiectelor / bunurilor create (a produselor obţinute), într-o perioadă de timp determinată, în procesul muncii, de către un sistem delimitat, capabil să producă, al unui anumit sector de activitate socială.

Producţia apare deci ca un proces de transformare cu efecte determinate asupra unor elemente naturale şi/sau artificiale (conform definiţiei 1 de mai sus) sau ca manifestare exterioară a unui sistem (ce reprezintă de fapt un sistem de producţie), sesizabilă direct (conform definiţiei 2).

Definiţie: Procesul reprezintă succesiunea stărilor (etapelor) prin care trece, în desfăşurarea sa temporală, transformarea unor elemente (obiecte, fiinţe, fenomene), transformare orientată ca scop şi decurgând din aplicarea unor cunoştinţe (informaţie).

Procesele de transformare specifice fenomenului producţiei sunt orientate asupra materialelor, energiei şi informaţiei şi sunt realizate prin aplicarea diferitelor tehnici (ansambluri de metode şi mijloace de muncă, de procedee şi reguli necesare utilizării acestor mijloace în vederea realizării producţiei).

Utilizarea şi dezvoltarea acestor tehnici se bazează pe cunoaşterea şi valorificarea legilor naturii, grupate pe domenii ştiinţifice şi tehnice – specializate sau interdisciplinare. Aceste tehnici descriu producţia din punct de vedere tehnico-ştiinţific, exprimând transformările fizico-chimice ale


6

procesului de producţie şi modificarea cantitativă şi calitativă a obiectelor şi informaţiei din acest proces.

În cazul existenţei unei economii de piaţă funcţionale, produsele realizate trebuie însă să fie vandabile (să reprezinte produse – marfă), adică să aibă, pe lângă valoare, şi valoare de întrebuinţare, deci să fie destinate schimbului. Cu alte cuvinte, procesul de producţie din trebuie economia de piaţă să respecte legile economice ale acesteia, devenind un act al creării valorilor, care se desfăşoară în condiţii de eficienţă, referitoare atât la modul de realizare a procesului, cât şi la rezultatele sale.

Eficienţa producţiei presupune obţinerea unui rezultat (profitul, numit uneori şi beneficiu) maxim, cu un minim de resurse (mijloace) utilizate. Astfel , într-o economie de piaţă, scopul final al producţiei nu constă în satisfacerea cererii sociale, ci în obţinerea de profit, ceea ce presupune eficienţă. Mai exact, se urmăreşte maximizarea profitului obţinut din desfăşurarea procesului de producţie cu minimizarea capitalului investit, cu alte cuvinte obţinerea unui maxim de profit pe unitatea de capital investit.

Termenul de producţie industrială este deseori utilizat pentru a se exprima faptul că fenomenul de producţie se desfăşoară pe scară largă, în cadrul unor sisteme organizate (numite sisteme industriale), folosind mijloace şi procedee tehnice.

Concluzie: Producţia (industrială) este un proces de realizare a unor bunuri cu valoare de întrebuinţare (mărfuri), proces organizat şi condus în mod conştient de către om, cu respectarea legilor Economiei (adică în condiţii de eficienţă), cu ajutorul unor mijloace tehnice şi organizatorice.

1.1.5. Noţiunea de sistem de producţie. Clasificare Practic, orice sistem în cadrul căruia se desfăşoară un proces de

producţie şi care are drept scop obţinerea de profit prin valorificarea rezultatelor acestui proces, în condiţii de eficienţă, este considerat un sistem de producţie.

Definiţie: Sistemul de producţie reprezintă un sistem care are drept obiectiv creşterea utilităţii (a valorii) unui obiect sau serviciu în condiţii de eficienţă, adică cu obţinerea de profit.

Observaţia A: Un astfel de sistem produce bunuri materiale (mijloace de producţie sau bunuri de consum, semifabricate sau produse finite) sau servicii, dar nu poate funcţiona în condiţii de neeficienţă în condiţiile existenţei unei economii de piaţă funcţionale. Remarcăm includerea serviciilor (de orice fel) în categoria „bunurilor” realizate în cadrul unui sistem de producţie.

Observaţia B: Sistemele de producţie sunt sisteme om – maşină. Cel mai reprezentativ tip de sistem de producţie este sistemul complex industrial, definit în subsecţiunea 1.3.1.

Clasificare: Principalele categorii de sisteme de producţie corespund principalelor sfere de activitate umană în care se realizează procese de producţie. Aceste categorii sunt următoarele:

Sisteme industriale, în care se desfăşoară producţia din domeniul industriei. Acestea se pot subclasifica pe ramuri sau subramuri industriale (extractivă, energetică, construcţia de maşini, textilă, alimentară etc.). Exemple


7

de astfel de sisteme sunt: instalaţii (de orice fel), fabrici, concerne industriale, centrale electrice, rafinării etc.

Sisteme agricole, în care se desfăşoară producţie agricolă. Exemple de astfel de sisteme sunt: ferme agricole, gospodării individuale etc.

Sisteme de servicii sunt cele care prestează diferite servicii. Acestea se pot subclasifica după tipul serviciilor oferite în: sisteme de transport, sisteme de comunicaţii, sisteme bancare, sisteme de asistenţă medicală, sisteme de administraţie publică etc. Exemple de astfel de sisteme sunt: aeroporturi, companii de transport (de orice fel), bănci, spitale, policlinici etc.

Elemente principale: Orice sistem de producţie (industrial, agricol, de servicii) este alcătui din mai multe subsisteme (elemente componente). Fiecare dintre acestea poate fi considerat, la rândul său, un sistem de producţie. Principalele subsisteme, numite subsisteme funcţionale, sunt următoarele:

Subsistemul operaţional (de execuţie), numit şi subsistem condus, care acţionează direct asupra obiectelor din a căror transformare vor rezulta produsele procesului de producţie. Acesta cuprinde, la rândul său, mai multe subsisteme, dintre care unele sunt auxiliare, corespunzând diferitelor compartimente de execuţie (secţii, ateliere, instalaţii etc.).

Subsistemul decizional (de conducere / management), care elaborează decizii privind sistemul condus, pe baza prelucrării informaţiei disponibile. Practic, acesta conduce sistemul operaţional către realizarea obiectivului prestabilit, menţinându-l pe „traiectoria” optimă.

Subsistemul informaţional, care constituie, de fapt, elementul de legătură, în ambele sensuri, între subsistemul decizional şi cel operaţional, şi realizează prelucrarea, stocarea şi transmiterea de informaţie, inclusiv decizii, fiind alcătuit din ansamblul datelor şi informaţiei existente, împreună cu relaţiile dintre ele, modalităţile de transformare şi elementele purtătoare de date şi informaţie (oameni, materiale, documente).

1.1.6. Noţiunile de control, decizie, comandă şi reglare Definiţie: Controlul reprezintă acţiunea de urmărire (verificare), periodică sau permanentă, a unei activităţi (funcţionarea unui sistem sau proces tehnologic) sau a calităţii unui obiect (semifabricat, produs finit), înainte şi / sau după prelucrare, prin măsurarea mărimilor ce o caracterizează, cu scopul propunerii sau luării unor măsuri de perfecţionare (în cazul controlului calităţii, scopul poate fi admiterea sau respingerea / rebutarea obiectului).

Conform definiţiei de mai sus, există un control al fabricaţiei (C.T.C.), care nu prezintă interes din punctul de vedere al ingineriei sistemelor, şi controlul unui sistem de producţie, care, în sens larg, cuprinde ciclul: măsurare / verificare –> decizie –> comandă –> reglaj. Controlul este indispensabil funcţionării corecte a unui sistem. Verificarea se efectuează pe bază de programe, norme metodologice etc., are drept rezultat sesizarea unor eventuale abateri (de la funcţionarea normală a sistemului) şi evaluarea / măsurarea acestora, şi este urmată de luarea unor decizii de corecţie.

Decizia este o noţiune care se poate defini prin mai multe formulări similare şi anume:

(1) adoptarea unei soluţii (luarea unei hotărâri) din mai multe posibile, în urma examinării unei probleme, într-o situaţie dată;


8

(2) alegerea unei strategii sau tactici care aşează (foloseşte) resursele (unui sistem) astfel încât obiectivele sale să fie satisfăcute;

(3) ansamblu de reguli şi eventual criterii pentru conducerea şi organizarea optimală a unui sistem (de producţie) – în sens larg.

Decizia este practic un act managerial (de conducere) menit să asigure unui sistem (condus) evoluţia pe o traiectorie permanent optimală. De regulă, o decizie se adoptă pe baza unuia sau mai multor criterii, chiar dacă ea se poate adopta uneori şi arbitrar. Ingineria sistemelor de producţie şi teoria deciziilor oferă metode de adoptare a unor decizii raţionale pe baza unor criterii optimale prestabilite, ca, de exemplu: maximizarea profitului, minimizarea costurilor.

Definiţie: Comanda este o operaţie prin care, prin intermediul unui şir cauzal de fenomene desfăşurate în circuit deschis, se impun unui sistem anumite regimuri de funcţionare (pornire, oprire, reglare etc.).

Mărimile de ieşire ale sistemului rezultate nu reacţionează asupra proceselor de comandă (în caz contrar, avem de a face cu un proces de reglare automată).

Definiţie: Reglarea este operaţia de realizare (obţinere) a stării unui sistem tehnic ale cărui mărimi caracteristice (sau de ieşire) se abat de la anumite condiţii impuse (de la regimul de funcţionare dorit).

Abaterea se constată prin compararea valorilor efective ale mărimilor cu cele de consemn. Reglarea presupune existenţa unei „bucle” (şir de fenomene în circuit închis).

1.1.7. Conducere şi optimizare. Conducerea optimală Definiţie: Conducerea este o activitate specific umană, menită să asigure coordonarea resurselor din cadrul unui sistem în vederea realizării unui obiectiv (scop) prestabilit în condiţii de calitate şi eficienţă economică maximă (obţinerea de profit maxim cu cheltuieli minime) – a menţinerii sistemului pe o anumită „traiectorie” dorită.

Principalele operaţii ale conducerii sunt: informarea (inclusiv prin control); analiza informaţiei; luarea de decizii; aplicarea deciziei (prin comandă).

Atributele conducerii sunt, la nivel superior (uzină, firmă etc.), prevederea şi organizarea, iar la nivel inferior (secţii, ateliere etc.), comanda – coordonarea (sincronizarea) şi controlul (urmărirea execuţiei).

Definiţie: Optimizarea este activitatea de asigurare a funcţionării unui sistem (proces etc.) conform unor prescripţii dorite (după o funcţie - obiectiv prestabilită), ceea ce presupune alegerea „celei mai bune variante” din punctul de vedere al funcţiei - obiectiv.

Optimizarea presupune definirea unui criteriu (UNIC), pe baza căruia se adoptă funcţia - obiectiv şi varianta „cea mai bună”.

Exemple de astfel de criterii sunt: maximizarea profitului (cel mai des utilizat), maximizarea beneficiului, minimizarea cheltuielilor, minimizarea pierderilor, maximizarea productivităţii.

Sunt des utilizate şi noţiunile de proiectare / conducere optimală.


9

Conducerea optimală presupune optimizarea funcţionării sistemului (condus) prin stabilirea unor criterii de funcţionare (parametri optimi ai sistemului – economici sau de exploatare) şi adoptarea unor decizii optime.

1.1.8. Noţiunile de date şi informaţie Noţiunile de date şi informaţie sunt strâns legate între ele şi prezintă o

maximă importanţă nu doar pentru ingineria sistemelor. Definiţie: Datele sunt reprezentări formalizate de lucruri, fapte sau idei susceptibile de a fi comunicate sau manipulate (prelucrate) cu ajutorul unui procedeu oarecare.

Exemplu: orice şir de numere (1, 21, 30) sau de caractere, cuvinte, propoziţii, fraze etc.

Prelucrarea datelor se poate face manual sau automat (utilizând tehnicile de calcul automat, mai exact calculatoarele electronice, atât de larg răspândite). Prelucrarea automată a datelor reprezintă obiectul de studiu al informaticii.

Definiţie: Informaţia este semnificaţia pe care omul o atribuie datelor prin intermediul convenţiilor utilizate pentru reprezentarea lor.

Exemplu: şirul de numere de mai sus (1, 21, 30) poate avea semnificaţia traseelor de autobuze care deservesc o anumită staţie dintr-un anumit oraş.

1.1.9. Modelarea şi simularea Definiţie: Se numeşte model o reprezentare a unui obiect real (a realităţii fizice) sau a unei idei.

Există modele iconografice (de acelaşi aspect cu obiectul real, cum ar fi modelele la scară), analogice (în care se înlocuieşte o proprietate a obiectului cu o alta, analogă) sau simbolice / matematice (cele cu care operează, între alte discipline, şi ingineria sistemelor de producţie).

În accepţiunea ingineriei sistemelor, se definesc două tipuri de modele: (1) Modelul structural, care este o reprezentare matematică a relaţiilor

dintre componentele unui sistem. (2) Modelul funcţional, care este o descriere matematică a structurii

operatoriale de transformare a elementelor de intrare ale sistemului în elemente de ieşire.

Unele modele pot fi descrise prin algoritmi (scheme de calcul, de cele mai multe ori iterative).

Scopul modelării (al utilizării modelelor pentru reprezentarea unui sistem) este testarea comportamentului sistemului analizat în diferite ipoteze, în condiţiile în care o testare pe sistemul real este fie imposibilă, fie mult prea costisitoare. Trebuie însă avut în vedere şi faptul că un model matematic, fiind o reprezentare, conţine de cele mai multe ori simplificări.

Definiţie: Simularea este activitatea de utilizare a analogiilor fizice (prin utilizarea unor dispozitive numite simulatoare) sau de calcul (prin utilizarea unor reprezentări matematice numite modele de simulare) ca mijloace de explorare (testare) a comportării unui sistem obiect (numit original), pe baza faptului că între elementele simulatorului / modelului de simulare şi cele ale sistemului obiect există o corespondenţă biunivocă (un izomorfism).

Ingineria sistemelor de producţie utilizează modele de simulare.


10

Modelele asociate sistemelor se pot clasifica aşa cum se arată în fig. 1.2.

Fig. 1.2. Clasificări ale modelelor

Modelul (mai ales cel matematico-logic) asociat unui sistem este considerat o reprezentare ce are suficiente elemente logice şi cantitative, respectiv structurale pentru a putea fi utilizat la studiul (cantitativ şi calitativ) sau la simularea comportării sistemului în viitor. Cu alte cuvinte, modelul are şi un rol predictiv.

Activitatea de simulare a sistemelor cu evenimente discrete se desfăşoară conform schemei din figura 1.3, în care „căsuţa” SIMULARE reprezintă activităţile de căutare a soluţiei celei mai indicate pe modelul de simulare ce reprezintă imaginea sistemului real, prin metode specifice (matematice, grafice, interactive etc.).

Fig. 1.3. Simularea sistemelor

Modelarea şi simularea au devenit, în prezent, un domeniu de investigare de sine stătător, aflat la congruenţa matematicii, teoriei sistemelor şi informaticii, cu o metodologie proprie (bazată pe identificarea proceselor, reprezentarea lor matematică şi pe teoria algoritmilor) şi cu mijloace specifice oferite de echipamentele de calcul automat şi sistemele de programe pentru simularea numerică şi grafică interactivă. Pentru realizarea unei simulări concludente, trebuie ca în prealabil să se stabilească un model al sistemului studiat, ceea ce se poate obţine prin tehnica identificării proceselor din acesta prin modelare. Rezultatul ei este elaborarea modelului sistemului, sub forma unor reprezentări matematice sau/şi logice care constituie sistemul imagine (un

Programare şi implementare

asistată de calculator

Analiză-identificare de proces

şi modelare

SISTEM REAL (OBIECT) cu

problematica pusă

SIMULARE

Reprezentarea logico-matematică a comportamentului sistemului

MODEL CONCEPTUAL (DE SIMULARE)

SISTEM IMAGINE

MODELE

MODELE

MODELE

statice

dinamice f(t)

de optimizare

de simulare

simple

interactive

MODELE

MODELE

MODELE

structural-organizaţionale

funcţionale

cauzale (deterministe)

statistice (stohastice)

liniare (cu coeficienţi şi operatori constanţi)

neliniare (cu coeficienţi variabili în funcţie de starea sistemului)


11

model conceptual de simulare), pe care se pot face orice fel de încercări şi analize de variante.

Teste de autoevaluare (secţiunea 1.1)

1. Care este scopul unui sistem de transport feroviar de persoane? 2. Ce fel de sistem este (închis sau deschis) o centrală termoelectrică

conectată la sistemul electroenergetic naţional? Argumentaţi răspunsul. 3. Explicaţi, printr-un exemplu, ce este un sistem cvasistatic. 4. Care sunt resursele, grupate pe cele cinci categorii, ale unui sistem de

calcul automat (un calculator electronic de tip PC)? 5. Daţi un exemplu de sistem de tip om – maşină. 6. Ce fel de sistem este un robot industrial? 7. Care sunt cele două sensuri ale termenului producţie? Care dintre ele

prezintă interes pentru ingineria sistemelor de producţie şi de ce? 8. Care sunt principalele elemente ale unui sistem de producţie?

Exemplificaţi pentru cazul unei rafinării. 9. Ce relaţie secvenţială există între decizie şi comandă în ciclul de control

al unui sistem? 10. Ce reprezintă reglarea în controlul unui sistem de producţie? Daţi un

exemplu de sistem cu reglare automată (în buclă închisă). 11. Care este rolul optimizării în conducerea unui sistem de producţie?

Argumentaţi răspunsul. 12. Ce reprezintă, pentru cei ce inscripţionează sălile de curs din U.P.G.

simbolurile: Ap9, Ed4, EIV2, Ip10 etc.? Dar pentru studenţii care utilizează aceste săli?

13. Ce fel de model reprezintă descrierea mişcării uniforme a unui punct material mobil (care se deplasează cu viteza v), prin care se precizează spaţiul s parcurs de mobil în timpul t (adică: s = s0 + vt) ?

14. Un calculator de tip PC este, în orice aplicaţie, un simulator. Ce fel de simulare se realizează prin utilizarea calculatoarelor?


12

1.2. Obiectul ingineriei sistemelor şi al ingineriei

sistemelor de producţie În această secţiune, după definirea conceptului de inginerie, vor fi

prezentate pe scurt definiţia şi obiectul ingineriei sistemelor, iar apoi, mai pe larg, obiectul şi modul de organizare a activiţăţii ingineriei sistemelor de producţie (numită uneori şi inginerie economică).

1.2.1. Conceptul de inginerie Termenul inginerie provine din termenul englez “engineering”. Acesta

din urmă îşi are originea în cuvântul “engine” (maşină), care reprezintă „un dispozitiv / sistem care utilizează energie pentru a dezvolta în timp putere mecanică” (conform Webster’s Dictionary, S.U.A., 1990, pag. 198).

În continuare, a apărut termenul “engineer” (inginer), care desemna iniţial acea persoană care operează sau supraveghează funcţionarea maşinilor. Prin extensie, acest termen a ajuns să desemneze şi persoanele care proiectează, realizează (construiesc) şi planifică maşinile, dar şi mijloacele de producţie în general, de transport, drumurile ş.a.m.d.

Ca urmare, ingineria se poate defini ca fiind domeniul de activitate umană care se ocupă cu utilizarea cunoştinţelor ştiinţifice în scopuri practice sau activitatea de proiectare, realizare, conducere (planificare), exploatare şi întreţinere (mentenanţă) a maşinilor (în sensul larg al termenului), a sistemelor (obiectelor) artificiale în general.

Exemple: Câteva din principalele domenii ale ingineriei sunt: ingineria mecanică, ingineria electronică, ingineria mediului, ingineria medicală, ingineria economică, ingineria sistemelor etc.

1.2.2. Conceptul de inginerie a sistemelor şi obiectul acesteia

Definiţie: Ingineria sistemelor se ocupă cu “realizarea totală” (proiectare – optimală, planificare, implementare, dezvoltare, integrare, evaluare, conducere – management, exploatare, mentenanţă) a sistemelor (tehnice, de tip om-maşină ş.a.), astfel ca alocarea resurselor către sistem să satisfacă obiectivele (scopul) impuse acestuia de-a lungul întregului său ciclu de viaţă. Ciclul de viaţă se defineşte ca fiind orizontul de timp pe care operează şi evoluează sistemul, ce reprezintă secvenţele de timp de la darea în funcţiune la înlocuirea totală a sistemului.

Ingineria sistemelor reprezintă cadrul metodologic şi teoretic general necesar pentru rezolvarea problemelor specifice sistemelor tehnice (optimizarea, siguranţa şi securitatea în funcţionare, mentenanţa etc.), urmărindu-se creşterea eficienţei generale şi siguranţei în funcţionare, micşorarea costurilor (cheltuielilor de funcţionare / producţie) şi, în final, orientarea sistemului spre realizarea integrală şi cu maximum de eficienţă a obiectivului său de funcţionare.


13

Precizăm că noţiunile de optimizare şi conducere optimală au fost prezentate în subsecţiunea 1.1.7, iar cele de siguranţă şi securitate în funcţionare, mentenanţă vor fi prezentate în subsecţiunile 1.3.3 şi 1.3.4.

Ingineria sistemelor încearcă să optimizeze proiectarea structurală şi funcţională a sistemelor, astfel încât acestea să fie optime din punct de vedere cost - eficienţă (să permită obţinerea de profit maxim cu cheltuieli minime), de-a lungul întregului lor ciclu de viaţă. Optimizarea unui sistem nu poate fi însă rezultatul optimizării fiecărui element al său (unele subsisteme pot fi eventual în stare suboptimală), deoarece valoarea unui sistem este mai mare decât suma valorilor elementelor sale componente. Astfel, ingineria sistemelor analizează sistemul în ansamblu, deci cu interdependenţele dintre elemente şi, numai în secundar, elementele rezultate prin descompunerea sistemului.

Principii de proiectare fundamentale în ingineria sistemelor: • concepţia integrată (prioritatea întregului), conform celor afirmate

mai sus, care implică analiza intrărilor şi ieşirilor şi apoi stabilirea structurii şi funcţiilor sistemului analizat;

• interconectabilitatea subsistemelor (a elementelor sistemului); • caracterul dinamic al sistemului, care îi conferă flexibilitate, adică

capacitatea de a realiza şi alte funcţii, de a se adapta la sarcini diferite de cele pentru care a fost conceput iniţial.

Ingineria sistemelor s-a dezvoltat ca o metodologie de studiu bazată pe aplicarea metodelor ştiinţifice, între care cercetărea operaţională (caracterizată în subsecţiunea 1.4.2) şi modelarea şi simularea sistemelor (noţiuni definite în subsecţiunea 1.1.9). Ingineria sistemelor este deci legată de cunoştinţe specializate din matematică, fizică, economie, ştiinţe sociale etc., precum şi de principiile şi metodele de analiză şi proiectare inginereşti.

1.2.3. Obiectul şi organizarea activităţii de inginerie

a sistemelor de producţie Dezvoltarea continuă tehnică şi tehnologică a condus la o structură din ce

în ce mai complexă a sistemelor de producţie, prin introducerea de noi metode şi tehnici de lucru (robotizarea şi utilizarea sistemelor flexibile de fabricaţie, informatizarea şi extinderea tehnicilor CAM – Computer Aided Manufacturing – de „fabricare asistată”), precum şi la corelaţii din ce în ce mai complexe cu mediul exterior (natural sau tehnic / tehnologic). Aceste elemente au condus totodată la o complexitate sporită a procesului de decizie (alegere a variantei optime) şi, implicit, la necesitatea cercetării interdisciplinare (implicând discipline variate, ca: Economia, Matematica, Tehnologia, Sociologia, Ecologia etc.) în studiul noilor sisteme complexe de producţie.

Aceste cercetări sunt grupate în cadrul Ingineriei Sistemelor de Producţie, numită şi Inginerie Economică, care este, de fapt, Ingineria Sistemelor aplicată în cazul particular (cel mai studiat) al sistemelor de producţie. Precizăm că o noţiune sinonimă cu Ingineria Sistemelor de Producţie, utilizată în Occident şi mai ales în S.U.A. (unde, de altfel, a apărut pentru prima dată această disciplină), este Ingineria Industrială (care nu este deci un subdomeniu al Ingineriei Economice care să se ocupe cu sistemele de tip industrial).

Definiţie: Ingineria sistemelor de producţie este o profesie aparte, care corespunde practic unei activităţi de analiză, proiectare (concepere),


14

implementare („aplicare în practică” – construcţie, instalare, montaj), exploatare (organizare şi conducere) şi perfecţionare a sistemelor integrate alcătuite din oameni, materiale, echipamente (maşini în sens larg – a se vedea subsecţiunea 1.1.3), energie şi informaţie (aceste sisteme sunt practic sisteme de producţie).

Observaţie: Se observă analogia dintre obiectul ingineriei sistemelor de producţie, definit mai sus şi cel al ingineriei sistemelor, definit în subsecţiunea precedentă. Definiţia anterioară particularizează definiţia obiectului ingineriei sistemelor pentru cazul sistemelor de producţie.

Activităţile ingineriei sistemelor de producţie se desfăşoară cu scopul ca sistemele de producţie să-şi îndeplinească obiectivul, adică să realizeze produse vandabile destinate consumului sau servicii, cu obţinerea de profit.

Ingineria sistemelor de producţie trebuie să formuleze, pornind de la identificarea obiectivelor sistemului, un model de simulare care să evidenţieze principalele elemente componente ale sistemului (intrări / ieşiri) şi relaţiile dintre acestea şi performanţele, parţiale şi globale, ale sistemului. Un astfel de model, ce descrie comportamentul sistemului ca rezultat al interacţiunii elementelor sale componente, trebuie elaborat pornind de la analiza procesului de producţie şi evidenţierea componentelor şi relaţiilor definitorii pentru acest proces, deoarece sistemul de producţie este sediul manifestării fenomenului producţiei şi, ca urmare, structura sa trebuie să satisfacă cerinţele acestuia.

Abordarea sistemelor de producţie prin prisma ingineriei sistemelor (numită abordare sistemică) permite accelerarea introducerii automatizării şi flexibilităţii în sistem, datorită posibilităţii de a se lua în considerare influenţa acestora asupra întregii structuri a sistemului studiat.

Dezvoltarea producţiei industriale şi implicit a sistemelor industriale se realizează pe baza unor decizii privind utilizarea şi combinarea elementelor de intrare (a celor cinci grupe de resurse definite în subsecţiunea 1.1.2), decizii elaborate prin aplicarea modelelor de simulare pentru fiecare perioadă şi localizare. Astfel, se obţine o soluţie reală ce reprezintă un compromis raţional şi, pe cât posibil, optimal între cererea pieţei, resursele disponibile, calitatea actului de conducere şi ceilalţi factori, numiţi uneori „generozitatea socio-politică a mediului exterior”.

Ingineria sistemelor de producţie a apărut, pentru prima dată, ca o profesie aparte în S.U.A. la sfârşitul secolului XIX, odată cu extinderea activităţilor industriale, sub denumirea de ştiinţa conducerii, urmărind iniţial doar activităţile de conducere şi organizare. Ulterior, în perioada interbelică, s-a impus termenul de inginerie industrială, utilizat şi astăzi în S.U.A.

Conform punctului de vedere american, exprimat în manualul editat de H.B. Maynard, „funcţia reală a ingineriei industriale este să conceapă noi sisteme de consolidare şi creştere a profiturilor sistemelor de producţie”. Marea productivitate atinsă în S.U.A. se datorează mult şi accentului pus pe perfecţionarea continuă, cu utilizarea mai eficientă a resurselor, a sistemelor de producţie, prin „aplicarea” ingineriei sistemelor de producţie.

Ingineria sistemelor de producţie este considerată o profesie caracterizată cel mai bine ca dinamică, deoarece metodele sale specifice se adaptează şi extind permanent, o funcţie de specialitate şi de conducere.

Un inginer economist (industrial) acţionează, în prezent, în S.U.A., dar şi în alte ţări dezvoltate, în principal ca: proiectant de noi metode de muncă sau


15

tehnologii; organizator al oricăror activităţi de tip productiv (inclusiv furnizoare de servicii); consultant în aceste două probleme.

1.2.4. Scurt istoric al ingineriei sistemelor de producţie Către sfârşitul secolului XIX, a apărut conceptul de conducere ştiinţifică,

ca embrion al unei noi discipline de specialitate (ingineria industrială), odată cu extinderea activităţilor industriale şi apariţia fabricilor. Ulterior au apărut primele studii în acest domeniu, cum sunt cele realizate de: F. Taylor (în jurul anului 1900), care a studiat modalitatea de îmbunătăţire a metodelor de muncă şi noi concepte; M. Gantt (circa 1900), cu studii legate de elementul uman (motivaţia în muncă, mentalitatea muncitorilor etc.); F. şi L. Gilbreth (începutul secolului XX), cu studiul mişcărilor; M. Emerson, cu problematica eficienţei operaţiilor şi conducerii.

Ulterior s-a impus termenul de inginerie industrială, după o perioadă de redusă popularitate (înaintea primului război mondial). În anii 1920, ca urmare a extinderii activităţilor industriale, a cunoscut o nouă dezvoltare, continuată în anii crizei economice, când reducerea costurilor a devenit foarte importantă. S-au dezvoltat tehnicile de ingineria metodelor (a se vedea secţiunea 2.1).

În perioada imediat premergătoare celui de-al II-lea război mondial, ingineria industrială îndeplinea următoarele funcţiuni tradiţionale:

1. tehnica metodelor (analize operaţionale, studiul mişcărilor, depozitarea-transportul materialelor, planificarea producţiei, protecţia muncii şi standardizarea);

2. măsurarea muncii (studiul timpului, norme de timp); 3. proiectarea metodelor de control (pentru producţie, stocuri, calitatea

producţiei, al costurilor şi cel bugetar); 4. evaluarea posturilor şi salariilor (forme de remunerare –

administrarea lor, cele stimulative, aprecierea angajaţilor); 5. proiectarea facilităţilor uzinale (proiectare de ansamblu a uzinei,

procurarea-înlocuirea echipamentelor, proiectare produse şi SDV-uri).

În această perioadă (până în 1940), eforturile de perfecţionare s-au axat pe găsirea de soluţii corective. Ulterior, se dezvoltă mijloacele preventive (perfecţionare încă înaintea aplicării).

În perioada războiului (1940-1946) apar tehnicile moderne ale ingineriei industriale, care se vor dezvolta ulterior, fiind utilizate iniţial în domeniul militar – cercetări operaţionale (vezi subsecţiunea 1.4.1), ingineria valorii (vezi secţiunea 2.1). În perioada postbelică, ca urmare a unei noi etape de dezvoltare industrială şi ştiinţifică şi a apariţiei calculatoarelor electronice (care facilitează aplicarea anumitor metode), s-au dezvoltat noi tehnici şi metode: ingineria valorii, ştiinţa comportamentului –legată de factorul uman–, metode de planificare bazate pe reţele/grafuri, metode matematice şi statistice, metode ale teoriei sistemelor. A apărut şi conceptul de ingineria sistemelor şi activitatea de analiză şi proiectare a sistemelor.

În prezent, activităţile profesionale ale ingineriei industriale sau a sistemelor se extind continuu în alte ramuri decât cele strict industriale (al proceselor de producţie), ca de exemplu: sisteme (reţele) electrice sau de comunicaţie, planificarea asistenţei medicale, în spitale, distribuţia mărfurilor-marketing, comerţ (desfacere), activităţi bancare sau de asigurări, administraţii de stat, relaţii financiare sau alte prestări de servicii. Toate organizaţiile şi


16

firmele mari au largi colective specializate în ingineria industrială şi a sistemelor, cu o specializare din ce în ce mai înaltă şi cu largi responsabilităţi.


1. În ce constă diferenţa dintre ingineria sistemelor şi ingineria sistemelor de producţie?

2. Care consideraţi că ar fi cea mai potrivită definiţie pentru noţiunea de inginerie în general?

3. Ce semnificaţie are, în concepţia ingineriei sistemelor, noţiunea de orizont de timp?

4. Care sunt principiile de proiectare fundamentale din ingineria sistemelor? Care credeţi că este cel mai important dintre ele?

5. Ce semnificaţie are termenul flexibilitate în ingineria sistemelor? 6. Explicaţi diferenţa dintre termenii inginerie economică, inginerie

industrială şi ingineria sistemelor de producţie. 7. Care erau funcţiunile tradiţionale ale ingineriei industriale înainte de

ultimul război mondial? 8. Ce înţelegeţi prin abordare sistemică a sistemelor de producţie? Este

acest termen sinonim cu abordarea sistematică? Justificaţi răspunsul.


17

1.3. Sisteme complexe industriale În cadrul acestei secţiuni a cursului, este introdusă noţiunea de sistem

complex industrial, care constituie unul din principalele obiecte de studiu ale ingineriei sistemelor de producţie. De asemenea, sunt abordate, pe scurt, problemele dinamicii dezvoltării acestor sisteme, cea a siguranţei şi securităţii în funcţionare şi cea a proiectării şi mentenanţei lor.

1.3.1. Noţiunea de sistem complex industrial Continua dezvoltare a instalaţiilor şi sistemelor industriale a condus la

accentuarea complexităţii acestora, precum şi a subsistemelor lor componente. Ca urmare, s-a introdus noţiunea de sistem complex industrial, care este, de regulă, un sistem deschis, numit şi sistem total, spre a-l deosebi de subsistemele sale.

Un astfel de sistem este caracterizat de existenţa a patru tipuri de sisteme funcţionale componente (cel operaţional, cel de mentenanţă, cel de transport şi cel de aprovizionare), interconectate şi care alcătuiesc sistemul tehnologic (al producţiei). Pe lângă aceste sisteme, sistemul total mai conţine în structura sa un sistem de conducere şi unul informaţional.

Structura unui sistem total (complex industrial) poate fi schematizată ca în figura 1.4. Ea va fi discutată pe larg în cadrul cursului de Ingineria sistemelor de producţie.

Fig. 1.4. Schema structurii sistemului complex industrial

Mediu exterior

SISTEM

OPERAŢIONAL

SISTEMUL

INFORMAŢIONAL

SISTEM DE

TRANSPORT

SISTEM DE

APROVIZIONARE

SISTEM DE

MENTENANŢĂ

SISTEM DE

CONDUCERE

SISTEMUL TEHNOLOGIC

REZULTATE

DECIZII

OBIECTIVE


18

Abordarea generală a problematicii sistemelor complexe industriale presupune parcurgerea următoarelor etape de analiză:

1) studierea structurii sistemului, cu diferitele alternative de proiectare, şi a procesului operaţional al sistemului, cu diferitele alternative de întreţinere a sistemului;

2) optimizarea sistemului din punctul de vedere al siguranţei în funcţionare, care include şi optimizarea procesului de întreţinere a sistemului;

3) analiza securităţii în funcţionare a sistemului; 4) analiza deciziilor privind evaluarea siguranţei şi a întreţinerii

sistemului (se preiau date de la sistem / procesul operaţional, se analizează pe baza criteriilor de decizie şi se emit comenzi pentru sistem şi subsistemele sale componente).

1.3.2. Etapele dinamicii dezvoltării sistemelor complexe Pentru realizarea (punerea „în practică”) unui sistem complex industrial,

este necesară parcurgerea următoarelor etape (faze) de dezvoltare: • faza de concepţie (proiectare structurală), care este de cele mai multe

ori iterativă şi urmăreşte propunerea soluţiei optime; se încheie cu elaborarea de specificaţii pentru realizarea efectivă a sistemului;

• faza de construcţie – implementare (realizarea efectivă a sistemului), care include şi încercarea sistemului (probe de funcţionare / producţie);

• faza operaţională, de exploatare şi întreţinere (de funcţionare efectivă), care este ciclică şi în care sistemul furnizează produse / servicii.

După faza operaţională a sistemului, urmează, în final, cea de dezafectare (scoatere din uz), sistemul putând fi eventual înlocuit cu altul mai performant.

De la fazele de construcţie şi operaţională există reacţii inverse către faza de concepţie, ca urmare a dobândirii unei experienţe operaţionale sau de construcţie care determină proiectarea de noi echipamente, cu eficienţă superioară, conform schemei din figura 1.5.

Fig. 1.5. Dinamica dezvoltării sistemelor complexe

Cele prezentate mai sus se referă la realizarea structurii sistemului (începând cu proiectarea structurală). Pentru realizarea proiectării funcţionale,

Operaţională

Dezvoltare

Concepţie Specifica-ţii pentru sistem

Încercări

Producţie Realizare

Mentenanţă

Funcţionare Înlocuire Produse Servicii

Necesităţi Obiective Strategii

Proiectare Realizare


19

care are drept scop stabilirea parametrilor de stare ai sistemului, necesari funcţionării sale eficiente, este necesară parcurgerea următoarelor faze (etape):

• planificarea programului, care constă în definirea şi selectarea programelor posibile de funcţionare a sistemului;

• planificarea proiectului, care constă în identificarea şi evaluarea economică a fiecăruia dintre programele posibile;

• dezvoltare, adică elaborarea planului specific de producţie, care este selectat dintre cele posibile pe baza fazei precedente.

1.3.3. Securitatea şi siguranţa în funcţionare a sistemelor

Definiţie: Siguranţa în funcţionare (exploatare) a unui sistem (tehnic) reprezintă capacitatea acelui sistem de a funcţiona fără defecţiuni şi fără abateri esenţiale de la caracteristicile impuse.

Siguranţa în funcţionare a unui sistem se apreciază, de regulă, prin probabilitatea ca sistemul să opereze în mod satisfăcător pentru cel puţin o perioadă dată, atunci când este utilizat în condiţii prescrise. Siguranţa în funcţionare se referă practic la frecvenţa avariilor sistemului; astfel, cu cât această frecvenţă este mai redusă, cu atât siguranţa sistemului este mai mare.

Definiţie: Securitatea în funcţionare a unui sistem (tehnic) reprezintă capacitatea sistemului de a evita stările în care ar putea fi avariat şi, ca urmare, ar putea prejudicia sau provoca moartea personalului (oamenilor în general) sau ar putea provoca pierderi sau distrugeri ale echipamentului tehnic sau oricăror altor bunuri materiale din zonă.

Securitatea unui sistem (tehnic) se referă la interacţiunea sa cu mediul înconjurător (efectele asupra mediului), pe când siguranţa în funcţionare a sistemului evaluează efectiv doar performanţele sale operative (probabilitatea / posibilitatea de îndeplinire a sarcinilor de funcţionare, eventual la diferite nivele de performanţă).

Există şi noţiunea de inginerie a securităţii sistemelor, care este o componentă a ingineriei sistemelor ce urmăreşte aplicarea principiilor ştiinţifice şi inginereşti pentru identificarea la timp a fenomenelor aleatoare din cadrul sistemului ce pot genera avarii şi pentru a specifica, prevede şi evalua securitatea unui sistem (tehnic).

1.3.4. Proiectarea şi mentenanţa sistemelor complexe Proiectarea sistemelor complexe industriale are în vedere totalitatea

aspectelor ingineriei sistemelor de producţie. Aceste aspecte trebuie transformate în echipamente operaţionale, care satisfac obiectivele de proiectare şi seturile de restricţii (cost minim, eficienţă maximă, cheltuieli de exploatare minime, satisfacerea unor indici de investiţii ş.a.m.d.).

Fie e(r1, r2, … , rk) eficienţa sistemului considerat şi c(r1, r2, … , rk) costul acestuia, unde ri este cantitatea de resurse de tip i utilizate la “realizarea” sistemului. Se poate aborda problema proiectării optimale a sistemului pe baza uneia din următoarele formulări privind criteriul de optimizare (funcţia – obiectiv):


20

I. Max e(r1, r2,…, rk) , cu c(r1, r2,…, rk) ≤ C, 0 ≤ ri ≤ Ri, i=1,…, k , unde Ri este cantitatea maximă disponibilă de resurse din categoria i, iar C este costul limită (maxim admis) al sistemului.

II. Min c(r1, r2,…, rk) , cu e(r1, r2,…, rk) ≥ E, 0 ≤ ri ≤ Ri, i=1,…, k , unde E este nivelul minim admisibil al eficienţei sistemului.

III. Max [e(r1, r2,…, rk) / c(r1, r2,…, rk)] , cu 0 ≤ ri ≤ Ri, i=1,…, k . Rezultatul proiectării optimale, care este, de fapt, un proces de

optimizare, sunt valorile optime ale cantităţilor ri, şi anume: r*1, r*2, … , r*k. De regulă (unde ci este costul resursei ri):

c(r1, r2, … , rk) = ∑=

⋅k

iii rc

1 (1.1)

Problema enunţată mai sus (de proiectare şi optimizare) se rezolvă cu ajutorul cercetării operaţionale, care este abordată în subsecţiunea următoare.

Mentenanţa unui sistem se poate defini ca fiind probabilitatea ca, printr-o acţiune de decizie, sistemul avariat sau componentele avariate ale acestuia să fie repuse în funcţiune la condiţiile operaţionale normale într-un interval de timp dat (de regulă specificat prin norme).

Mentenanţa sistemelor complexe industriale este o problemă cu atât mai importantă şi mai complexă cu cât cresc dimensiunile sistemului.

Astfel, echipamentele din sistemele industriale devin din ce în ce mai sofisticate din punct de vedere tehnic – constructiv şi, ca urmare, aspectele tehnico – economice legate de funcţionarea şi mentenanţa lor intervin cu o pondere din ce în ce mai însemnată. Apar două obiective (interese), care nu sunt mutual exclusive:

• sisteme de mentenanţă mai ieftine pentru echipamente cu cost de realizare relativ ridicat; • echipamente relativ ieftine, dar cu o calitate crescută a sistemelor lor de mentenanţă.


1. Daţi un exemplu de sistem complex industrial şi încercaţi să delimitaţi cele patru sisteme funcţionale componente ale acestuia.

2. Care sunt principalele etape de analiză necesare în studiul unui sistem complex industrial?

3. Care sunt etapele dinamicii dezvoltării sistemelor complexe şi care sunt relaţiile cele mai importante dintre aceste etape?

4. Un sistem tehnic care a fost utilizat continuu timp de 4 ani a avut, în acest interval, 10 defecţiuni. Care este frecvenţa avariilor sistemului?

5. Care este diferenţa dintre noţiunile de siguranţă în funcţionare şi securitate în funcţionare ale unui sistem tehnic?

6. Ce se înţelege prin proiectarea optimală a sistemelor complexe? 7. Cum se poate defini noţiunea de mentenanţă a unui sistem? 8. Cum se poate formula problema proiectării optimale a unui sistem

complex ca o problemă de programare liniară?


21

1.4. Metodele matematice ale ingineriei sistemelor de

producţie. Cercetarea operaţională

În cadrul acestei secţiuni, după precizarea domeniilor din matematică utilizate, mai mult sau mai puţin frecvent, de către ingineria sistemelor de producţie, se va pune accent pe prezentarea generală a metodelor cercetării operaţionale, cele mai folosite în studiul sistemelor de producţie. Astfel, este descris obiectului cercetării operaţionale şi este prezentată o formulare matematică generală pentru modelarea parametrilor de optimizare, care stă la baza programării matematice.

1.4.1. Metodele matematice ale ingineriei sistemelor de producţie

Enumerăm în continuare principalele domenii ale matematicii utilizate în ingineria sistemelor de producţie, cu indicarea celor care vor fi studiate în cadrul acestui curs:

• Logica şi Teoria informaţiei (în special logica formală-propoziţională binară şi semiotica, ce se ocupă cu teoria simbolurilor şi reprezentărilor).

• Teoria mulţimilor (utilizată ca modalitate generală de descriere a relaţiilor dintr-un sistem).

• Calculul diferenţial, integral şi operaţional (Transformata Laplace) • Algebră liniară (Calcul matricial, Grupuri, Corpuri etc.). • Teoria grafurilor (va fi studiată în cadrul acestui curs). • Teoria probabilităţilor şi Statistica matematică. • Teoria modernă a deciziilor (va fi studiată în cadrul cursului). • Cercetarea operaţională (caracterizarea generală este prezentată în

subsecţiunea 1.4.2, iar metodele specifice constituie obiectul mai multor părţi ale cursului).

1.4.2. Cercetarea operaţională. Caracterizare generală Cercetarea operaţională nu constituie o disciplină matematică distinctă,

ea prezintă o mare varietate de aplicaţii şi înglobează tehnici şi procedee diverse, cu caracter eterogen, care însă au multe puncte comune.

Conform accepţiunii generale (exprimată oficial în definiţia din DEX, ediţia din 1998, apărută la Editura Academiei Române, p. 722), „…cercetarea operaţională = tehnica analizei unei probleme administrative, economice, industriale sau logice prin metoda matematică…”.

Cercetarea operaţională este, de fapt, ştiinţa aplicată pentru ingineria sistemelor de producţie, la fel cum este mecanica pentru ingineria mecanică. Ea este aplicabilă şi în cadrul teoriei sistemelor.

Din punct de vedere istoric, cercetarea operaţională datează din timpul celui de-al doilea război mondial, când s-a dezvoltat, în vederea optimizării resurselor de război, în cadrul unui colectiv ştiinţific aliat ce conţinea fizicieni, matematicieni, statisticieni, economişti, sociologi etc. Înainte de război, au existat doar preocupări disparate de a crea modele matematice în economie şi


22

metode statistice în controlul calităţii producţiei. După război, metodele cercetării operaţionale folosite la abordarea ştiinţifică a operaţiilor militare au fost preluate, în mod util, în domeniul producţiei industriale, ducând la importanta creştere economică postbelică. Introducerea şi dezvoltarea rapidă a calculatorului electronic şi a prelucrării automate a datelor au dat un puternic impuls apariţiei şi dezvoltării unor metode adaptate calculului automat.

Metodele matematice ale cercetării operaţionale cunosc o largă aplicabilitate în economie (conducerea ştiinţifică a unităţilor productive, elaborarea de planuri de dezvoltare pe termen lung), finanţe (studiul balanţelor), comerţ şi, mai recent, în psihologie, sociologie, teoria negocierilor şi relaţiilor conflictuale ş.a.m.d.

Metodele cercetării operaţionale se aplică în cazul problemelor care au un număr mare sau o infinitate de soluţii admisibile şi oferă procedee de selecţie, din spaţiul soluţiilor posibile, a uneia singure, care satisface una sau mai multe condiţii (cerinţe) fundamentale şi reprezintă soluţia optimă. Metodele cercetării operaţionale sunt deci utilizate ca auxiliare importante ale deciziilor necesare pentru conducerea optimală a unui sistem.

Orice problemă rezolvată prin aplicarea metodelor cercetării operaţionale are un conţinut (natura entităţilor / mărimilor ce o descrie) şi o parte formală (un model matematic ce descrie relaţiile dintre parametri / mărimi). O problemă specifică unui domeniu de aplicaţii (investiţii, planificare, programarea producţiei, dotare etc.) se poate rezolva prin mai multe metodologii, care elaborează diferite modele matematice pentru aceeaşi problemă. De asemenea, o aceeaşi metodologie poate fi utilizată pentru soluţionarea unor probleme din diferite domenii de aplicaţie.

Cea mai mare parte a problemelor ce apar în conducerea economică a unităţilor productive (sistemelor de producţie) sunt probleme de optimizare.

Principalele metode ale cercetării operaţionale, care vor fi toate studiate în cadrul acestui curs, sunt, în ordine, următoarele:

• programarea liniară; • programarea neliniară; • programarea dinamică; • teoria jocurilor; • teoria echipamentelor; • teoria şirurilor (firelor) de aşteptare; • teoria stocurilor; • teoria ordonanţării, care se bazează pe teoria grafurilor şi

cuprinde, în special, metode de analiză a drumului critic. Primele trei metode enumerate mai sus, împreună cu altele înrudite,

alcătuiesc aşa-numita metodă a programării matematice (de optimizare), a cărei formulare generală este prezentată mai jos.

La începutul apariţiei acestor metode, cercetarea operaţională cuprindea în special aplicaţii de optimizare prin programare matematică şi ulterior cele de drum critic, dar apoi utilizarea metodelor matematice s-a extins şi prin alte modele, aşa cum sunt teoria firelor de aşteptare sau cea a stocurilor.


23

1.4.3. Formularea matematică a problemei programării de optimizare

Fie xj, 1 ≤ j ≤ n, nivelele (necunoscute iniţial) de desfăşurare a n activităţi luate în considerare (sau parametrii ce caracterizează funcţionarea unui sistem).

Fie f (x1, x2,…xn) expresia matematică care modelează scopul propus al problemei (sistemului), care trebuie realizat în condiţii optime, numită funcţia obiectiv a problemei. Această funcţie mai este numită şi funcţie scop, funcţie de eficienţă, funcţie criteriu, funcţie de optimizare. Un exemplu de astfel de funcţie este profitul unei unităţi productive, care trebuie maximizat.

Observaţie: Funcţia obiectiv trebuie să fie unică, deoarece unui model al unui sistem i se poate asocia un singur criteriu de optimizare (maximizarea productivităţii sau randamentului / eficienţei, minimizarea consumului sau a costurilor etc.).

Se cere să se determine valorile variabilelor (necunoscutelor) xj, 1 ≤ j ≤ n, astfel încât funcţia f (x1, x2,…xn) să aibă valoare maximă (minimă):

max f (x1, x2,…xn) sau min f (x1, x2,…xn) (1.2)

şi să fie respectate, în acelaşi timp, condiţiile:

fi (x1, x2,…xn) ≥ 0, unde 1 ≤ i ≤ m . (1.3)

Condiţiile (1.2) de mai sus reprezintă restricţiile problemei (relaţiile de condiţie), care modelează matematic condiţiile care trebuie să le respecte parametrii xj (fizici, tehnici, economici etc.) ce caracterizează starea sistemului studiat sau descriu problema a cărei rezolvare se urmăreşte.

Formulată astfel, problema de mai sus se numeşte problemă a programării de optimizare sau a programării matematice. Această problemă prezintă o serie de cazuri particulare, rezolvabile prin aplicarea metodelor cercetării operaţionale, dintre care menţionăm următoarele:

• Dacă funcţiile f şi fi sunt funcţii oarecari (neliniare), problema se numeşte de programare neliniară (abordată în secţiunea 4.2).

• Dacă funcţiile f şi fi sunt funcţii liniare (cu coeficienţi constanţi), problema este o problemă de programare liniară (formulată în secţiunea 3.1), care este cea mai răspândită şi des utilizată dintre formulări.

• Dacă funcţiile f şi fi sunt funcţii pătratice, problema se numeşte de programare pătratică.

• Dacă xj ∈ M , pentru j ∈ S ⊂ {1, 2, … , n} , unde M este o mulţime finită de elemente întregi, problema se numeşte de optimizare discretă. Această problemă prezintă următoarele variante: dacă nu toţi xj ∈ M (S ⊂ {1, 2, …,n} în mod strict), atunci

problema este una mixtă (cu variabile continue şi discrete); dacă toţi xj ∈ M ( S = {1, 2, …,n} ), atunci problema este una de

programare în numere întregi. Dacă, în plus, M = {0, 1} , problema este una în variabile bivalente.

• Dacă unii sau chiar toţi parametrii xj sunt variabile aleatoare (cu funcţii de repartiţie cunoscute), se obţine o problemă a programării stohastice (care va fi studiată în partea a doua a cursului).


24

• Dacă funcţia obiectiv f este o funcţie de probabilitate de tipul P[f(x)], se obţine o problemă de programare în condiţii de risc.

Unele probleme legate de procese de decizie în mai multe etape pot fi formulate ca probleme de programare liniară sau neliniară, dar rezolvarea este dificilă datorită dimensiunilor mari. Ca urmare, pentru astfel de probleme (procese secvenţiale de luare de decizii), s-a dezvoltat o nouă metodă, cea a programării dinamice (abordată în secţiunea 4.3).

Probleme de organizare şi conducere, în care apar situaţii conflictuale analoge cu problema determinării strategiei cu ajutorul căreia se poate obţine câştig maxim sau sigur într-un joc, împiedicând pe oponent să-l mărească pe al său, se pot rezolva cu ajutorul teoriei jocurilor (studiată în secţiunea 5.1), ajungându-se în final, în multe cazuri, la formulări de tipul programării liniare.

Dacă restricţiile sunt formulate sub formă de ecuaţii şi nu de inecuaţii, formularea de mai sus corespunde problemei (clasice) a extremului condiţionat (cu legături), rezolvabilă prin metoda calcului diferenţial sau variaţional (dacă funcţiile fi sunt derivabile). Aceste metode (clasice) nu sunt aplicabile, de multe ori, la probleme cu caracter economic sau dau soluţii prea complicate.

Din acest motiv, s-au dezvoltat continuu metodele cercetării operaţionale. Aceste metode se bazează mai ales pe algebră (calcul matriceal), mai rar pe calculul diferenţial, iar obţinerea soluţiilor necesită utilizarea tehnicii de calcul automat. Astfel, s-au dezvoltat o serie de pachete de programe (produse-program) destinate acestor metode.

Problemele de optimizare (de organizare), în formularea de mai sus, se pot aplica în scopul constituirii unui sistem (pentru optimizarea unor obiective) sau al menţinerii sistemului în stare optimă de funcţionare.


1. Care consideraţi că sunt domeniile/domeniul matematicii cu cea mai largă aplicabilitate în ingineria sistemelor de producţie?

2. Care este semnificaţia termenului de cercetare operaţională? 3. Încercaţi să daţi câteva exemple de probleme concrete care se pot rezolva

cu ajutorul metodelor cercetării operaţionale. Ce prezintă aceste probleme ca puncte comune?

4. Enumeraţi principalele metode ale cercetării operaţionale. Despre care dintre ele aţi auzit înainte de parcurgerea acestui curs?

5. Care este rolul funcţiei obiectiv din formularea matematică a problemei programării de optimizare? Cum trebuie să fie acesta?

6. Care este rolul restricţiilor din formularea matematică a problemei programării de optimizare şi ce modelează acestea?

7. Care este diferenţa dintre o problemă de programare liniară, una de programare în numere întregi şi una de programare stohastică?

8. Ce reprezintă programarea dinamică? Dar teoria jocurilor? Care este legătura dintre acestea şi problema programării de optimizare?


25

Bibliografie

1. Abrudan, I., Cândea, D. (coordonatori), Manual de inginerie economică

– Ingineria şi managementul sistemelor de producţie, Editura Dacia, Cluj-Napoca, 2002.

2. Baltac, V., Dumitrescu, I., Macri, I., Informatica programării producţiei întreprinderilor industriale, Editura Academiei Române, Bucureşti, 1989.

3. Constantinescu, P., Modelarea unitară a genezei şi dezvoltării sistemelor, Editura Tehnică, Bucureşti, 1983.

4. Dumitrescu, A., Bazele ingineriei sistemelor, Editura Universităţii din Ploieşti, 2005.

5. Kaufmann, A., Metode şi modele ale cercetării operaţionale, Editura Ştiinţifică, Bucureşti, 1967.

6. Maliţa, M., Gheorghe, Ad., Inginerie industrială – prezent şi perspective, Editura Academiei Române, Bucureşti, 1990.

7. Maliţa, M., Zidăroiu, C., Matematica organizării, Editura Tehnică, Bucureşti, 1971.

8. Maynard, H.B. (editor şef), Manual de inginerie industrială, Vol. I, Editura Tehnică, Bucureşti, 1975.

9. Starr, M.K., Conducerea producţiei. Sisteme şi sinteze, Editura Tehnică, Bucureşti, 1970.

Date post:	04-Dec-2015
Category:	Documents
Upload:	eugenho
View:	215 times
Download:	1 times

BISP_ID_UI_1

Documents