Управление процессами оптимизации и моделирования технологических процессов строительства ГСП-4

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность выбранной темы. Строительная отрасль является одной из крупнейших отраслей промышленности в любой стране, на ее долю приходится 10% ВВП. Чтобы отрасль развивалась, элементы этой отрасли должны развиваться соответствующим образом. По данным Росстата, в России в первом полугодии 2022 года суммарная площадь жилых и нежилых зданий на ГНС (габариты наружных стен) введена в эксплуатацию на 4,7 % больше, чем при второй половине 2021 года. В Москве этот показатель в первом полугодии 2022 года превышает второе полугодие 2021 года в 2,5 раза [31].
Совершенно очевидно, что строительные компании увеличивают производственные мощности, однако, при увеличении производственных мощностей в строительной отрасли часто возникают проблемы внутри компании, влияющие на технологический процесс. В результате компания не справляется с работой максимально эффективно, теряя прибыль, а также увеличивая собственные расходы, связанные с внутренними функциями компании. В данной выпускной квалификационной работе ставится задача проанализировать технологические процессы организации и создать предложенную методологическую базу для их оптимизации.
Объектом этого исследования является строительная компания ООО «ГСП-4». Основной вид деятельности по коду ОКВЭД 2: 41.2 – Строительство жилых и нежилых зданий.
Предметом данной работы является анализ технологических процессов, существующих в компании, выявление их недостатков и ошибок, с последующими предложениями по оптимизации процессов.
Цель работы - исследование управление процессами оптимизации и моделирования технологических процессов строительства ООО «ГСП-4».
Для достижения поставленной в данном исследовании цели необходимо выполнить следующие задачи:
1. Рассмотреть теоретические основы оптимизации и моделирования технологических процессов.
2. Определить особенности управления процессами оптимизации и моделирования технологических процессов строительства в ООО «ГСП-4».
3. Дать рекомендации и предложить мероприятия по повышению эффективности технологического процесса в ООО «ГСП-4».
Методы исследования: общенаучные и частно-научные методы, из которых необходимо выделить анализ и синтез многообразной научной информации, метод формально-логического толкования, метод экономико-математического анализа, метод системного анализа. Эти методы позволили правильно и рационально определить задачи исследования, последовательность изложения материала.
Степень разработанности проблемы. Различные аспекты оптимизации и моделирования технологических процессов рассматривались в ряде научных трудов советских, российских и зарубежных деятелей, в том числе: Т.Н. Бабич [6], В.А. Винокуров [11], Г. Вейе [10], О.С. Виханский [12,13], В.А. Горемыкин [15], Л.В. Донцова [17], Е.Л. Кантор [21], А.И. Люкшинов [26], О. Г. Туровец [28], Р.М. Петухов [32], Н.С. Сачко [39] и др.
Структура работы состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников и приложения.










Глава 1. Теоретические основы оптимизации и моделирования технологических процессов
1.1. Определение основ теории оптимизации

Часто наши действия в условиях неопределенности выбора определяются целью, которую мы стремимся достичь наилучшим образом. Таким образом, деятельность человека связана с непрерывным решением (сознательно или бессознательно) оптимизационных задач. Кроме того, многие законы природы носят изменчивый характер, хотя здесь неуместно говорить о наличии цели.
Казалось бы, распространенность таких задач оптимизации должна отражаться в математике. На практике, однако, до середины этого века экстремальные задачи в математике рассматривались лишь частично; теория и метод, разработанные для решения таких задач, созданы относительно недавно.
Простейшая задача о безусловных минимумах функции многих переменных привлекла внимание математиков в то время, когда закладывались основы математического анализа. Это сильно стимулировало создание дифференциального исчисления, а необходимое условие экстремумов (нулевых градиентов), полученное Ферма в 1629 г., явилось одним из первых крупных результатов анализа. Затем в работах Ньютона и Лейбница для этой задачи были, по существу, сформулированы условия квадратичного экстремума (т.е. в терминах второй производной) [11, с.138].
Другим типом экстремальных задач, традиционно рассматриваемых в математике, является вариационное исчисление. Интерес к ним проявлялся и в античной математике (различные изометрические задачи), но настоящее рождение вариационного исчисления произошло в конце 18 в., когда И. Бернулли представил и придумал формулу знаменитой компьютерной задачи. Говоря современным языком, классическая задача вариантного исчисления — это бесконечномерная задача безусловной оптимизации с функцией минимума специального (целого) вида. Экстремальные условия первого порядка в вариационном исчислении получены Эйлером (уравнение Эйлера), а квадратичные условия — Лежандром и Якоби. Важный вопрос о существовании решения в вариационном исчислении впервые был поднят Вейерштрассом во второй половине 19 в. [48, с.263]
Обе вышеуказанные задачи - конечные и бесконечные - примеры задач безусловного минимума. Задачи условного экстремума рассматривались классической математикой только для ограничения типа равных. Знаменитое правило Лагранжа, сформулированное в 17 веке, является необходимым условием экстремума первого порядка в таких задачах, как конечномерные, так и вариационные исчисления. Такие же условия для задач, ограничивающих тип неравенства, были только недавно получены. Системы неравенства вне зависимости от задач минимизации сами по себе изучали Фрье, Минковского, Вейла и другие ученые, созданный им аппарат позволил без труда добиться условий экстремизма в задачах ограничений – неравенствах [43, с.107].
Первые работы в области экстремальных задач с ограничениями общего вида начинаются в конце 30-х и начале 40-х гг. 20 столетия. Корни этой работы были разные. Специалисты по вариационным исчислениям, принадлежавшие к школе Чикаг Блисс, Больца, Макшейна, Грейвена, Хестенса и других, стимулировали интерес к более широкому решению вариационных задач. В 1937 году появилась книга Валентайна о условиях экстремального исчисления для вариационных задач при наличии различных ограничений типового неравенства. Впоследствии Макшейн и Кокс создали общую схему анализа экстремальных проблем. Одному из аспирантов Чикаго университета Карушу поручили исследовать как упражнение конечномерную задачу минимизации с общей ограниченностью [39, с.164].
Каруш в 1939 году получил условия экстремизма первой и второй степени для гладких случаев; его работа не была серьезно оценена и не была издана. Несколько позже к таким же экстремальным условиям относился американский математик Фрэнк Джон, который занимался экстремальными задачами в области геометрии, типа поиска эллипсоидного объема, описываемого вокруг заданной выпуклой частицы тела. В 1949 году работу Джона отвергли один серьезный математический журнал и напечатали только в 1949 году [9, с.217].
Несмотря на американские исследования, оптимизационная тема развивалась в Советском Союзе. В этой области пионером стал Л.В. Канторович, который в 1939 году опубликовал книгу, в которой содержалась математическая постановка ряда задач экономического характера. Последние никак не входили в стандартный математический аппарат, т.е. были задачами по минимизации функции линейного множества, заданной линейным ограничением типа равных и неравных. Л.В. Канторович разрабатывал теорию таких задач и предлагал некоторые неполностью алгоритмические методы решения этих задач. В 1940 году была опубликована одна и та же заметка, в которой содержалась общая формулировка экстремальных условий при ограничении бесконечного пространства. В то время работы Л.В. Канторовича не привлекли внимание математиков, и, по сути, остались незаметными. Судьба, как видно, не благоприятна для первых исследований по неклассическому оптимизационному вопросу [36, с.133].
Время созрело несколько позднее, в конце 1940-х годов. Под воздействием прикладных тем, которые ему пришлось занимать в годы Великой Отечественной войны, в США Данциг стал изучать проблемы минимизации алгоритмов линейных функций при ограничениях линейных функций, которые назывались задачами линейных программ. Она сформулировала условия оптимального решения в линейной программе. Под воздействием работ фон Неймана о теории игр Данциг, Гейл, Кун а также Таккер разработали теорию двойственности в линейной программе - специальную формулировку экстремальных условий [33, с.294].
Вскоре после того, как теория линейной программирования была разработана, появляется ее естественная интерпретация на нелинейном случайные. Задача минимизировать нелинейную функцию при нелинейном ограничении называлась задачей математики, которая едва ли может быть признана удачной, если учитывать перегруженность терминов обоих. Если есть и минимальная функция и ограничение, то это означает задачу выпуклой программы. Условия эволюции для математических задач стали известны после того, как Кун и Таккер опубликовали в 1950 году, и, по сути, они были теми же условиями, что и Каруша и Джон. В выпуклой ситуации Кун и Токер сформулировалы условия экстремизма в терминах точки седла, такая формулировка пригодится и более сложным задачам.
Большой прогресс в теоретической оптимизации достигнут при исследовании так называемой задачи оптимизации, которая непосредственно обобщает классическую задачу вариационного исчисления и состоит в оптимизации функциональных решений из решения обыкновенного дифференциального уравнения, правой частью которого являются функции «управления». Необходимые условия оптимальности этих задач сформулировали и доказали Л.С. Понтрягин, В.Г. Болтянский, Р.В. Гамклидзе в 1956–1858 годах в виде так называемого максимального принципа. В другой форме для таких задач Беллман получал условия оптимальности, основанные на идеях динамической программировки. Полученные результаты так связаны с особой формой оптимальных задач, что они не сразу были осознаны в связи с экстремальными условиями для математических задач [23, с.76].
В 60-х годах XX века появилась серия работ А.Я. Дубовицы, А.А. Милютиных, Б.Н. Пшеничных, Нейштедт, Халкин, Варга и др. авторов, в которой предложены общепринятые схемы для получения условия экстремума на абстрактные задачи оптимизации с ограничениями, позволяющими охватить теорему Кун-Таккера и принцип Максимума. Это позволило вновь разобраться в известных результатах и, прежде всего, выделить стандартные части, полученные с помощью общей схемы, а также нестандартные, связанные с спецификой проблемы. Удобным инструментом для изучения экстремальных проблем оказался фрактальный анализ, сравнительно новое направление математики, которое получило завершение в работе Р. Рокфеллера. Сейчас техника вывода оптимальных условий совершенствуется [10, с.93].
В вышеизложенном выше в основном говорится о части теории оптимальности, связанной с экстремальными условиями. Впрочем, найти явное решение задачи с помощью экстремальных условий удается только в редких ситуациях. Трудности или невозможности поиска аналитических решений обнаружились в других областях математики, постепенно становилось понятно, что любое решение может быть решено, если указать алгоритм, который позволяет численно строить близкое решение с необходимым точным расчетом. Это принципиально новое направление, подкрепленное появлением электроники, и привело к появлению вычислительной механики, значительно затронуло и оптимизацию. Здесь одним из основных направлений стало разработка, обоснование количественных методов решений.
В прошлом математики относительно не интересовались вычислительными проблемами, и несмотря на то, что часть методов нелинейного уравнения и бесконечной минимизации связаны с именами Ньютона, Гауса и Коши, данные результаты остались изолированными для творчества упомянутого ученого и его последователя [5, с.86].
Статистики были первыми, кто нуждался в численной минимизации. В задачах оценки параметров применение метода наибольшего правдоподобия или метода наименьших квадратов привело к необходимости нахождения экстремумов функции многих переменных (обычно неквадратичной). Статистики (Карри, Левенберг, Крокет, Чернов и др.) первыми начали работать над методом безусловной численной минимизации, который проводился в 1940-х и 1950-х годах. В связи со сложностями планирования экспериментов и решений регрессивных уравнений в работах Бокс, Роббинс и Моро, Кифер и Вольвиц в начале 1950-х годов были разработаны методы ограничения функций при случайных изменениях [6, с.245].
Другой раздел математики, в котором произошло зарождение оптимизационных методов, был линейный алгоритм. Необходимость решать большие системы линейных уравнений, возникающие при конечной аппроксии уравнений частных производных, привело к развитию методов итерации линейных уравнений. Но задача решать систему линейных уравнений аналогична минимизации квадратической функции, многие методы итерактирования удобны для строения и обоснования на основании этого факта. Такие методы, как покоординатный спуск, самый быстрый спуск, сопряженные градиенты и множество других, созданных в линейном алгебре в начале 50-х гг. ХХ столетия. Естественный шаг - перенесение таких методов на квадратный случай именно таким образом [13, с.78].
Также специалисты теории автоматической регулировки столкнулись с необходимостью решать задачи оптимизации. В 50-е годы ХХ в. трудами В.В.Казакевича, А.А.Фельдбаума и А.А.Первозванского была разработана теория экстремальной регулировки и предложена специальная методика оптимизации действующего объекта в реальном времени [20, с.147].
В 1943 году Курант ввел первый численный нелинейный метод программирования, метод штрафной функции, в связи с физическим характером рассматриваемой проблемы. Наконец, значительный импульс развитию оптимизационных методов дал предложенный в конце 1940-х годов Данцигом симплексный метод решения задач по линейному программированию. Обилие программ и хорошие ЭВМ-программы привели к широкому распространению метода симплекса, в первую очередь среди экономистов [22, с.318].
До некоторого времени подобные исследования относились к спорадическим и не были объединены ни едиными подходами, ни методами. Впрочем, к середине 60-х годов XX века в математике сформировалось свое направление, относящееся к методам численного оптимизирования. С тех пор продолжалось непрерывное развитие данного направления, как в широком масштабе разработки новых методик, исследования новых кластеров задач, так в глубине разработки единого алгоритма анализа сходности и скоростей сходности, классификации и унификации методов. Сейчас эта область вычислительной математики может считаться окончательной. Разработано многочисленные численные методы для каждого основного класса задач оптимизации: безусловная минимизация гладкой и безгладкой функции в конечном и бесконечном пространстве, условная минимизация при ограничении вида равенства и неравенства в выпуклой или невыпуклой ситуации и др. Большинство методов имеют строгую обоснованность, выявлена скорость сходства, определена область применения. Многие проблемы, конечно, до конца не решены, построение эффективного метода для определенных специальных задач, проблемы оптимального метода, подробной численной проверки существующих алгоритмов и создание доступной и уже отработанной машинной программы и так далее. Однако, видимо, позади остался период наибольших активностей в области методов численного оптимизации [16, с. 340].

1.2. Особенности процессного управления в строительстве

Гусаков А.А., советский и российский ученый, основоположник научной школы системотехники в строительстве, определял строительство как сложный динамический открытый процесс. Это связано с тем, что любая строительная организация постоянно находится в состоянии изменений и адаптации. Внутри организации непрерывно осуществляются различные процессы, как для внутренних взаимодействий, так и для взаимодействий с внешними партнерами. Строительные объекты, их доступность и этапы строительства постоянно меняются. Кроме того, разрабатывались методы и материалы работы, состав персонала [7, с.183].
Менеджмент в строительной отрасли отличается от управления бизнесом в других отраслях своей сложностью и неоднородностью. Классификация строительных организаций включает в себя множество различных признаков, по которым можно разделить строительные организации. В самых популярных классификациях компании делятся по характеру контрактных отношений генеральный, субгенеральный, по типу выполняемой работы общестроительная, специализированная, по типу строительства промышленная, жилащно-гражданская, транспортная и др., по региону деятельности городской, региональной типа, по количеству работников малых, средних, крупных [8, с.120].
Однако, не смотря на разницу, строительные компании обладают характерными чертами, отличающими их от организации других сфер деятельности. В зависимости от этого большинство строителей могут представить себя как комплекс трех систем, который, кроме того, является совокупностью бизнес-процессов разных типов, например [26, с.273]:
- Система производственных процессов включает основные процессы бизнеса, т.е. отвечает за трансформацию входного ресурса в конечную продукцию.
- Социальной системы - включают в себя процессы обеспечения вспомогательных процессов, цель которых - предоставление сотрудникам компании условий для профессионального самореализации по задачам компании.
- Системы управления включают в себя процессы управления, определяющие основные особенности организации управления, такие как стратегия реализации инвестиционных продуктов.
Представление строительных организаций как сложных динамических систем визуализируется следующей схемой (см. рис. 1).












Рисунок 1 - Строительная компания как сложная система
Также уникальная классификация самих процессов бизнеса в строительном секторе. Наиболее распространенная классификация строительной организации включает следующие бизнес-процессы [25, с.156]:
- основные процессы бизнеса - входят в формирование основных доходов предприятия. Напрямую взаимодействие с ресурсами фирмы.
- осуществление снабжающих бизнес-процессов - отвечает за преобразование входящего ресурса в требуемый для основного бизнес-процесса вид, поддержание инфраструктуры предприятия.
- учетный бизнес-процесс - обеспечивает учет в предприятии, включает в себя процессы налогообложения, финансового и управленческого учетных процессов.
- процесс развития бизнеса - способствует развитию бизнеса, увеличению оборотной мощности организации, служит для того, чтобы получить прибыль в долгосрочной перспективе.
Эта классификация отлично подойдет для строительных организаций, поскольку акцентируется на том, что наиболее показывает важные процессы в строительных организациях. Взаимодействие вышеуказанных процессов показывает следующий рисунок. 2 [29, с.231].

снабжение
учет


снабжение учет

учет
снабжение

Рисунок 2 - Взаимосвязь основных видов бизнес-процессов строительной организации

Кроме вышеупомянутых особенностей строительных организаций, существует общая тенденция в бизнесе строительных организаций. Выделяются следующие особенности бизнес-процесса строительных предприятий при использовании подхода к процессному управлению [30, с.219]:
- Широкий организационный характер бизнес-процессов. Основные процессы строительной организации в большинстве случаев - кросс-организационные, т.е. проходят по нескольким различным отделам организации. Это повышает сложность бизнес-процесса, но повышает эффективность взаимодействия отделов в бизнес-процессах.
- Высокое законодательное обусловлено бизнес-процессами. С учетом строительной сферы существует много различных норм, которые организации должны соблюдать при осуществлении деятельности. Создавая или оптимизируя бизнес-процессы, необходимо учитывать требования к этим требованиям, которые делают процессы труднее и затратнее. Однако отказаться от использования строительных стандартов нельзя.
- Определённая длительность процессов бизнеса и его стоимость. Большая часть строительных работ – это дорогостоящая работа, и сам процесс строительства, по большому счету, длительный процесс. Поэтому мы можем делать вывод о том, что процессы бизнеса, обеспечивающие строительство, включают большие затраты и предназначены для выполнения длительного периода.