Главная | Проекты | Методология и программные средства цифрового моделирования социотехнических и производственных систем

Методология и программные средства цифрового моделирования социотехнических и производственных систем

Развитие методологической базы и разработка практик цифрового моделирования для предиктивной и прескриптивной аналитики с целью повышения качества управленческих решений.

Задача

Проект направлен на решение научной проблемы принятия обоснованных управленческих решений при управлении социотехническими и производственными системами. Отсутствие адекватных решаемым задачам методов управления социотехническими системами приводит к неоптимальности принимаемых управленческих решений, что значительно снижает качество управления и эффективность функционирования системы в целом.

Принятие обоснованных управленческих решений является одним из критериев эффективности управления, что соответствует приоритетам национального развития, обозначенным в Указе Президента от 07.05.2018 № 204 «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года». Решение задач непрерывного улучшения и оптимизации производственного процесса компаний реального сектора экономики и медицинских онкологических учреждений реализуется в рамках федерального проекта «Наука и университеты» и сети Научно-образовательных центров мирового уровня.

В русле этого направления также находятся научные задачи по разработке комплексной методологии и программных средств цифрового моделирования социотехнических и производственных систем. Работу курирует Научно-образовательный центр мирового уровня «Искусственный интеллект в промышленности», а научные исследования выполняет Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, где для реализации данного проекта в 2021 году была создана Лаборатория «Цифровое моделирование индустриальных систем» (ЦМИС) ПИШ СПбПУ.

В 2021-2023 гг. Лабораторией ЦМИС ПИШ СПбПУ в сотрудничестве с индустриальными партнёрами были разработан комплекс типовых имитационных моделей производственных процессов для приоритетных отраслей экономики на базе технологий гибридного моделирования и динамического прогнозирования, а также сценариев их использования для оптимизации деятельности компаний.

На 2024-2026 гг. поставлена цель по разработке методов моделирования мультиагентных взаимодействий в сложных технических и социально-экономических системах для оптимизации технологических процессов в ключевых отраслях экономики, в том числе в машиностроении, энергетической и нефтегазовой отраслях.

Решение

В рамках проекта были получены следующие результаты:

  1. Сформулированы теоретические основы мультиагентного взаимодействия элементов цифровых моделей социотехнических и производственных систем с применением инструментария теории игр (в составе онтологической модели, базовой модели, метода создания частных моделей).
  2. Представлена концепция методики определения целевой функции социотехнических и производственных систем.
  3. Разработан комплекс методов автоматизации процессов сбора, хранения и обработки данных для моделирования социотехнических и производственных систем.
  4. Разработан комплексный метод оценки потребительской ценности товаров и услуг (на примере туристической отрасли).
  5. Разработан метод планирования машиностроительного производства с целью повышения коэффициента использования материала.
  6. Разработаны метод и алгоритм многокритериальной оптимизации цифровых моделей социотехнических и производственных систем, использующий принципы формирования фронта Парето для выбора оптимальных сценариев.

Результаты исследований были использованы при создании следующих методик и программных средств:

  1. Демонстрационный прототип цифровой многофакторной модели отраслевой инфраструктуры региона (на примере туристической отрасли), позволяющей прогнозировать динамику изменения ключевых показателей системы в зависимости от принимаемых управленческих решений.
  2. Программный комплекс для создания типовых моделей мультиагентных взаимодействий элементов цифровых моделей социотехнических и производственных систем с применением инструментария теории игр.
  3. Цифровая модель социального обеспечения незащищённых слоёв населения, позволяющая прогнозировать динамику изменения очереди на получение помощи в зависимости от принимаемых управленческих решений.
  4. Методика цифрового моделирования социотехнических и социально-экономических систем, позволяющая создавать и исследовать цифровые модели производственных, социальных и экономических процессов.
  5. Методологическая и инструментальная база моделирования организационных систем с применением инструментария теории игр.

Разработанная методологическая база применялась в таких проектах, как ПО для оптимизации производственных процессов АО «Трансмашхолдинг», интегрированная цифровая модель нефтедобывающего месторождения в интересах ПАО «Газпром нефть», а также цифровая модель управления процессом социального обеспечения детей-сирот.

На последующих этапах реализации научно-исследовательского проекта планируется разработать методы моделирования мультиагентных взаимодействий в сложных технических и социально-экономических системах для оптимизации технологических процессов в ключевых отраслях экономики, в том числе в машиностроении, энергетической и нефтегазовой отраслях:

2024. Разработка инвариантной базовой модели мультиагентных взаимодействий для сложных технических и социально-экономических систем. 2025. Разработка отраслевых моделей мультиагентных взаимодействий для приоритетных отраслей научно-технологического развития Российской Федерации, в том числе для машиностроительных предприятий, предприятий энергетической и нефтегазовой отрасли. 2026. Разработка исследовательского инструментария для работы с отраслевыми моделями мультиагентных взаимодействий сложных технических и социально-экономических систем на всех этапах их жизненного цикла, а также разработка методических рекомендаций.

Детали

  1. Алгоритм оптимизатора сценарных расчетов
Алгоритм решения задачи оптимизации многопараметрических сценарных расчетов на примере двухпараметрической задачи оптимизации

Алгоритм решения задачи оптимизации многопараметрических сценарных расчетов на примере двухпараметрической задачи оптимизации

2. Онтология социотехнической системы в терминах теории игр
При формализации стратегического взаимодействия как игрового взаимодействия каждый из участников становится элементом модели теории игр и переходит на уровень описания взаимодействия как агентов

При формализации стратегического взаимодействия как игрового взаимодействия каждый из участников становится элементом модели теории игр и переходит на уровень описания взаимодействия как агентов

3. Кибернетическая модель управления
Проводя имитационные эксперименты с моделью объекта управления или изучая реакцию системы на изменение управляющего воздействия аналитическими методами, субъект управления выбирает оптимальный сценарий воздействия на объект управления.

Проводя имитационные эксперименты с моделью объекта управления или изучая реакцию системы на изменение управляющего воздействия аналитическими методами, субъект управления выбирает оптимальный сценарий воздействия на объект управления.

   

РИД

Программа оптимизации вероятностных сценариев управления сложными системами с применением метода Монте-Карло. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. Гинцяк А.М., Зубкова Д.А., Ракова В.В., Федяевская Д.Э. Рег. №: 2023665509. Дата рег.: 17.07.2023. Правообладатель - ФГАОУ ВО "СПбПУ".


Программа многопараметрической оптимизации сценариев управления сложными системами на базе имитационных моделей. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. Бурлуцкая Ж.В., Гинцяк А.М., Зубкова Д.А., Ракова В.В. Рег. №:2023665350. Дата рег.: 14.07.2023. Правообладатель - ФГАОУ ВО "СПбПУ".


Программа моделирования обеспечения жилыми помещениями лиц из числа детей-сирот и детей, оставшихся без попечения родителей. Бурлуцкая Ж.В., Гинцяк А.М., Федяевская Д.Э. Рег. №:2023611130. Дата рег.: 17.01.2023. Правообладатель - ФГАОУ ВО "СПбПУ".


Программа оптимизации фонда рабочего времени на производственных площадках в машиностроении. Бурлуцкая Ж.В., Гинцяк А.М., Успенский М.Б. Рег. №: 2023610568. Дата рег.: 11.01.2023. Правообладатель - ФГАОУ ВО "СПбПУ".


Публикации

  1. Burlutskaya Z.V., Gintciak A.M., Van L.T.H. Digital modelling of the system of knowledge exchange and building within a network of industrial enterprises // Digital Transformation: What is the Company of Today? Book series: Lecture Notes in Networks and Systems. 2023. V. 805
  2. Kirillov D.S., Burlutskaya Zh.V., Gintciak A.M., Zubkova D.A. Agent-based modeling of tourist flow distribution based on the analysis of tourist preferences // Lecture Notes in Networks and Systems. 2023. Т. 684 LNNS. С. 360–369. DOI: 10.1007/978-3-031-32719-3_27.
  3. Гинцяк А.М., Бурлуцкая Ж.В., Федяевская Д.Э., Сидорина Е.Ю. Моделирование процессов социального обеспечения с использованием дискретно-событийного подхода // Системный анализ в проектировании и управлении. В 3 ч. Ч. 2: сборник научных трудов XXVI Международной научно-практической конференции, 13–14 октября 2022 г. СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2023. С. 196-202.
  4. Федяевская Д.Э. Модель иерархического управления предприятием нефтедобычи // Молодежная Неделя Науки ИПМЭиТ: Сб. труд. всероссийской студенческой научно учебной конференции. Ч. 4. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2022.
  5. Болсуновская М.В., Гинцяк А.М., Федяевская Д.Э., Петряева А.А., Бурлуцкая Ж.В. Комплексное моделирование процессов нефтедобычи: аналитический обзор // Автоматизация и информатизация ТЭК. 2023. № 2 (595). С. 51-62. DOI: 10.33285/2782-604X-2023-2(595)-51-62.
  6. Bolsunovskaya M.V., Gintciak A.M., Burlutskaya Zh.V., Zubkova D.A., Petryaeva A.A., Fedyaevskaya D.E. Complex method of the consumer value estimation on the way to risk‐free and sustainable production // Sustainability. 2023. V. 15(2). No. 1273.
  7. Федяевская Д.Э., Ракова В.В. Обзор моделей распространения инфекции // Экономика и Индустрия 5.0 в условиях новой реальности (ИНПРОМ-2022): сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции с зарубежным участием. СПб. : ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2022.
  8. Зубкова Д.А., Ефремова М.О. Анализ международных трендов в моделировании распространения инфекционных заболеваний // Экономика и Индустрия 5.0 в условиях новой реальности (ИНПРОМ-2022): сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции с зарубежным участием. СПб. : ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2022.
  9. Федяевская Д.Э., Успенский М.Б. Вопросы безопасности персональных данных в контексте цифровизации // Управление инновациями в условиях цифровой трансформации: Всероссийская студенческая учебно-научная конференция. СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2022.
  10. Петряева А.А., Гинцяк А.М. Математические модели процесса нефтедобычи на скважинах // Управление инновациями в условиях цифровой трансформации: Всероссийская студенческая учебно-научная конференция. СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2022.

Проект выполняется при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках реализации программы Научно-образовательного центра мирового уровня «Искусственный интеллект в промышленности».

Исполнитель

Лаборатория «Цифровое моделирование индустриальных систем» ПИШ СПбПУ

Партнеры

  • Лаборатория «Промышленные системы потоковой обработки данных» ПИШ СПбПУ
  • Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
  • Научно-образовательные центры мирового уровня
  • Ассоциация «Искусственный интеллект в промышленности»

Ключевые участники

Руководитель проекта: А.М. Гинцяк, заведующий Лабораторией «Цифровое моделирование индустриальных систем» ПИШ СПбПУ