Уровень автоматизации

Уровень (степень) автоматизации (англ. Levels of Automation, LOA)  — (1) текущее или планируемое состояние, описываемое количественно или качественно в соответствии с объемом автоматизируемых функций контроля и управления; (2) это формализованная, выраженная числом степень роботизации выполняемых операций или независимость автоматизированного комплекса от человека; (3) уровень автономности системы.

Качественная и количественная оценка

Существует обоснованное мнение, что единого метода оценки уровня автоматизации, тем более в процентах — не существует.

Тем не менее, может описываться качественно и количественно, а так же в рамках контекстуальных и неконтекстных категорий и может быть систематизирован. Для точности таких оценок требуется аудит всей системы, инфраструктуры или структуры. Понятие используется достаточно широко и охватывает различные сферы, от механической торговой системы в трейдинге до разработок в ракетно-космической отрасли. В сфере бизнеса связано с автоматизацией бизнес-процессов компаний. В промышленности перекликается с технологическими, производственными возможностями процессов в соответствующих системах: автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП); автоматизированная система управления производством (АСУП) и др.

Качественные описания достаточно быстро устаревают (в некоторых в академических источниках даются только общие оценки о степени загрузки рабочего персонала, гибких производствах и роботизации), но в деловой практике применяются уже более детальные количественные представления, основанные на анализе информационной инфраструктуры, производства и применения методик шкалирования.

Оценка состояния уровня автоматизации так же деловых процессов, корпоративных-информмационных систем (КИС) или систем автоматизации является важным звеном в анализе для развития и понимания ситуации. Наиболее всего такие оценки доступны для восприятия в форме рациональных результатов. За рубежом широкое распространение получила порядковая шкала 10-ти уровней автоматизации (LOA) Т.Шеридана и В.Вепланка и другие шкалы. В отечественных исследованиях чаще всего применялся коэффициент автоматизации, либо другой расчетный показатель.

Соответствие между количественной и качественной оценкой уровня (степени) автоматизации существуют в стандартах:

• Системы автоматизированного проектирования
• Механизация и автоматизация технологических процессов в машиностроении и приборостроении.
• Классификация и определения терминов, связанных с автоматизированными системами автономных транспортных средств.

Согласно стандарту ГОСТ 23004-78 выделяют следующее соответствие категорий и количественных значений:

• 0 — Нулевая при отсутствии механизации (автоматизации) процесса
• 1 — Низшая Св. 0,00 до 0,25
• 2 — Малая 0,25 … 0,45
• 3 — Средняя 0,45 … 0,60
• 4 — Большая 0,60 … 0,75
• 5 — Повышенная 0,75 … 0,90
• 6 — Высокая 0,90 … 0,99
• 7 — Завершенная 1,00

Для систематизации уровня автоматизации также используют множество других шкал.

Виды оценок автоматизации

Можно разделить по типу оцениваемых объектов автоматизации:

• информационных или автоматизированных систем
• компании
• предприятия производства
• автономные устройства

По типу процессов автоматизации:

• бизнес-процессов
• процессов человек-техника-компьютер

По типу критериев автоматизации:

• по доли рабочего времени подлежащего автоматизации
• по уровню функциональности программно-технических средств(ПТС), систем автоматизации

По типу расчетных или экспертных оценок:

• экспертное шкалирование
• расчет коэффициентов
• смешанные подходы

Анализ объекта и подсчет параметров автоматизации

Моделирование уровня (степени) автоматизации, в целом для систем/устройств является важной количественной характеристикой, которая служит наглядным отражением уровня развития объекта, предприятия и степени автономного взаимодействия процессов. Является показателем оснащенности современным оборудованием, внедрения передовых технологий и применения инновационных решений.

В частности, может отражать уровень обеспечения современными программно-техническими средствами (ПТС), применения интеллектуальных систем, разработанных математических моделей и алгоритмов, программного обеспечения и других новых функциональных возможностей, направленных на сокращение непосредственного участия человека в производственных процессах.

Оценка состояния (промышленный аудит, ИТ-аудит) таких объектов или системы является важным звеном для достижения эффективных результатов при развитии и эксплуатации.

Производственный объект или компания

В иерархических структурах управления используется многоуровневое построение систем сбора обработки, передачи и отображения информации с целью контроля и выработки управляющих решений. Данные поступают с нижних уровней и ключевая информация для принятия решения и контроля концентрируется на верхних уровнях. Так же в некоторых структурах (подструктурах) присутствую горизонтальные связи с не выраженной подчиненностью, как правило они ранжируются по значимости относительно друг друга.

В зависимости от типа структуры и ситуации, которая нас интересует уровень автоматизации может рассчитываться линейно по горизонтальным связям, либо с учетом более сложных зависимостей с подчинением и ранжированием элементов в иерархии, как среднее арифметическое или среднее взвешенное.

Уровень автоматизации здесь может учитывать различные аспекты развития предприятия (моральный износ, унификация ПО и т.п) и готовность к развитию (Вывод персонала из опасных зон, к внедрению более совершенных систем..)

Автоматизация информационных или автоматизированных систем

В качестве объекта могут выступать технические, организационные, биологические и другого рода иерархические системы и структуры. В частности, в технической сфере это может иметь место в промышленной автоматизации для систем автоматизированного управления (АСУ), различных АСОДУ, АСУ ТП и т. п., начиная от первичного контрольно-измерительного оборудования на объектах и заканчивая ПО центральной диспетчерской, управления по сбору и обработке информации; для телекоммуникационных компаний, системных интеграторов, как экспертиза сетевой и ИТ инфраструктуры, операторов связи и т. д.

В таких системах для определения уровня автоматизации может рассматриваться состояние системы, выраженное в количественных единицах. Уровню (степени) автоматизации ставится в соответствие расчетный интегральный коэффициент автоматизации предприятия.

Для АСУ ТП Интегральный $K_{a}$ является количественной характеристикой, отражающий уровневое построение путем учета различных коэффициентов на каждом уровне иерархии системы управления. Выделяют главный показатель, как доля фактических контролируемых параметров к возможному нормативному. Подобным образом поступают для систем технологической подготовки производства, как отношение задач(подсистем) к общему числу систем ;

При подсчете коэффициентов так же учитываются критерии функциональности и любые технические условия: экспертно сопоставляются с возможным набором значений для программно-технических средств. Для этого определяются критерии, либо документ или стандарт по классам автоматизации и характеристикам для данных средств. Подобную формализацию так же используют для оценок уровня автоматизации бизнес-процессов.

Полученные коэффициенты учитывают со свои весом. Для получения такого вектора приоритетов используются различные методы экспертных оценок, расчетов и моделирования.

Автоматизация бизнес-процессов

При подсчете уровня автоматизации бизнес-процессов учитываются следующие показатели:

• формализация бизнес-процессов;
• наличие аппаратного и программного обеспечения;
• наличие и использование средств интеграции программного обеспечения для совместной работы в приложениях различных подразделений предприятия;
• согласованность программно-аппаратных элементов АИС с экономическими задачами и др.

Автоматизация автономных структур

Международной организацией «Сообщество Автомобильных Инженеров» Society of Automotive Engineers (SAE), стандартизовано шесть уровней автономности (Standard J3016):

• Уровень 0: отсутствие автоматизации, работа водителя-человека по всем аспектам задачи динамического вождения
• Уровень 1: помощь водителю, выполнение конкретного режима вождения для одной из систем управления, замедления/ускорения в окружающей среде
• Уровень 2: частичная автоматизация, выполнение конкретного режима вождения для одной или несколькими системами управления, замедления/ускорения в окружающей среде
• Уровень 3: условная автоматизация, выполнение режима по всем аспектам задачи динамического вождения с расчетом на то, что водитель ответит на запрос
• Уровень 4: высокая автоматизация, выполнение режима по всем аспектам задачи динамического вождения даже, если водитель не ответит на запрос
• Уровень 5: полная автоматизация, выполнение режима с помощью автоматизированной системы вождения с полным охватом всех аспектов задач динамического вождения, при любых дорожных условиях и условиях окружающей среды, которыми может управлять человек-водитель.

Шкалирование

Применение шкал для определения уровня автоматизации (LOA)

Применение метода анализа иерархий

Метод анализа иерархий (МАИ) используется для получения оценки с множеством критериев влияния на заданную цель. В МАИ предлагается сравнивать элементы попарно по силе их влияния $a_{ij}=k_{i}/k_{j}$ на сформулированную цель, поместить числа, отражающие достигнутое при сравнении согласие во мнениях, в матрицу $A$ и найти собственный вектор с наибольшим собственным значением $\lambda _{_{max}}$. Собственный вектор отражает значения и упорядочение приоритетов, а собственное значение является мерой согласованности суждений. Для АСУ ТП критериями являются уровни автоматизации — коэффициенты на каждом уровне от 0-го до 3-го, а целью является их вклад в интегральный уровень автоматизации предприятия

Уровневая модель весовых коэффициентов

Другое представление рассматривается в «уровневая модель весовых коэффициентов», для которой в силу построения нет рассогласованности экспертных оценок, как наблюдается в методе анализа иерархий. Для получения оценок используются сравнения на каждом уровне с ответом на вопрос: на сколько значим вклад данного уровня в общую степень автоматизации по сравнению с текущими характеристиками автоматизации нижележащих уровней (добавляет информативность, функциональность, оптимизацию).

Такая процедура известна в теории принятия решений, как использование информации об относительной важности критериев . Схематично это отраженно в виде дерева на рисунке.

Полученный результирующий вектор весов для в виде $v=(v^{0};v^{1};v^{2};v^{3})$ для всех уровней (путем перемножения значений весов в вершинах — направление показано разным цветом штриха для 0-го, 1-го и 2-го уровней) является предметом рассмотрения с таким же вектором весов метода МАИ.

Коэффициент автоматизации

• В зависимости от величины временного уровня механизации средств технологического оснащения (СТО) определяется коэффициент $K_{\text{сто}}$ равный отношению машинного времени ко всему штучному времени (включает основное, вспомогательное и время на обслуживание и отдых) .

• Для иерархических систем автоматизации и процессов может использоваться формула:

$K_{a}=\sum \limits _{j=0}^{m}v^{j}K_{a,_{\text{фун}}}^{j},\quad$

где $v^{j}$ — вес каждого уровня, признака $j$;

$K_{a,{\text{фун}}}^{j}=v_{1}'^{j}K_{\text{фун,1}}^{j}+v_{2}'^{j}K_{\text{фун,2}}^{j}+\dots +v_{n}'^{j}K_{\text{фун,n}}^{j}$ — коэффициент автоматизации, характеризующий только данный уровень, признак $j$ с соответствующими коэффициентами функциональности или параметрами ПТС;

$v'^{j}$ — вес вклада данного параметра.

Сумма весов $\sum \limits _{k=1}^{n}v_{k}'^{j}=1$, $\sum \limits _{j=0}^{m}v^{j}=1$.

При определении коэффициента автоматизации для характеристики уровня автоматизации бизнес-процессов на предприятии определяют веса $v^{j}$ по каждому признаку автоматизации $j$ с соответствующими $K_{a}^{j}(f_{z})$ (безразмерная (нормированная) величина, определяется экспертно, показывающая степень приближения к некоему «идеальному» состоянию АИС, с точки зрения возможностей автоматизации бизнес-процессов на множестве критериев $f\in F$).

Окончательно для определения интегрального коэффициента автоматизации для нескольких $i$ — объектов, структур или характеристик автоматизации и т.д. формула может выглядеть, как среднее арифметическое взвешенное по параметру $p$ (продукту производства, сигналам СУ, уровню ИТ и т.п.)  :

${\textbf {K}}_{\textbf {a}}=\sum \limits _{i=1}^{n}w^{i}K_{a}^{i}$

где $w^{i}={p^{i}}/\sum \limits _{i=1}^{n}p^{i}$ — вес по параметру $p\in P$.

Оптимальный уровень автоматизации

Оптимальный уровень автоматизации (степень уровня автоматизации) производственных систем может быть получен только в том случае, если будут учтены все соответствующие аспекты производственного процесса и будут достигнуты оптимальные уровни с точки зрения стоимости, производительности, качества и гибкости (согласно методологии института Фраунгофера) . Как видно на рисунке 2 , расходы на персонал снижаются пропорционально растущему уровню автоматизации. Вначале экономически оправданные операции автоматизируются в первую очередь, поэтому затраты на автоматизацию растут почти линейно. А общие затраты снижаются. Затем, расходы начинают чрезмерно расти не пропорционально (экспоненциально) из-за возрастающей сложности системы. Следовательно, достижение полной автоматизации приводит к тому, что затраты на автоматизацию возрастают экспоненциально, а расходы на персонал снижаются только линейно и в итоге общая стоимость оказывается более высокой. Для расчета затрат используется подход, при котором учитываются только затраты, которые вносят наибольший вклад.

Отсутствие в обосновании всех издержек при внедрения систем автоматизации, не дает должного представления о прогнозируемых экономических эффектах, а сама по себе автоматизация может оказаться достаточно затратным мероприятием

Для достижения экономического эффекта при внедрении АСУ, АСУ ТП, роботизации, автоматизации бизнес-процессов требуется оптимизация между всеми затратами и уровнем автоматизации. Оптимальный уровень автоматизации с точки зрения затраты/уровень автоматизации, как правило будет распологаться ниже 100% автоматизации и бывает даже на уровне 50%

Применение

Исследования и оценки могут применяться в помощь для принятия решений:

• при наглядном представление и обосновании инвест-проектов: количественные оценки уровня могут давать более полное представление об изменениях и служить дополнительной отчетностью реализации инвест-проектов от фактического состояния к целевому;
• при анализе и принятии решения по оптимизации затрат — сколько требует каждое предприятия финансовых средств для увеличения уровня автоматизации на 1 %, т.е эффективность вложений.
• при подтверждение ТЭО проекта по модернизации систем с учетом конкретных цифр, характеризующих степень автоматизации.
• при переходе на цифровую платформу

Сфера использования

При аналитических и статистических исследованиях, особенно в рамках консалтинга, для составления объективного профиля компании и выбора направления реорганизации/модернизации (вкупе с иными показателями в духе зрелости предприятия). В целом при рассмотрении архитектуры предприятия, что отличает наличие «живых», актуальных показателей.

В бизнесс-проектах при инвестициях в ИТ-инфраструктуру. Планировать инвест-проекты на основе текущих (фактических) показателей $K_{a}$ и планируемых.

Для автоматизированных систем диспетчерского управления — АСОДУ, АСУ ТП и др. уровень автоматизации представляется как коэффициент, показатель автоматизации ($K_{a}$) технологических процессов. Для систем управления жизнеобеспечением, ИТ инфраструктуры, телекоммуникационных систем, систем проектирования, автоматизации бизнес-процессов и других, как коэффициент автоматизации или коэффициент функциональности с количественным значением от 0 до 100 % или качественными оценками. Для расчета автономности автоматизированных систем в контексте заданных целей их использования.

С помощью данного анализа можно планировать модернизацию систем автоматизированного управления, анализировать степень технического обеспечения производства, делать аудит систем предприятий ЖКХ инженерных систем и т. д. по разным уровням взаимодействия и долей финансовых затрат по ним: начиная от первичного контрольно-измерительного оборудования на объектах и заканчивая ПО центральной диспетчерской, управления по сбору и обработке информации. Делать экспертизу сетевой и ИТ инфраструктуры телекоммуникационных компаний, системных интеграторов, операторов связи, систем ЖКХ и т. д.

См. также

• Автоматизированная система
• Уровни зрелости управления
• ИТ-инфраструктура
• ИТ-аудит

Статьи

• Камшилов С. Г. Определение уровня автоматизации бизнес-процессов на промышленном предприятии. // Вестник Челябинского государственного университета. 2015. № 1 (356). Управление. Вып. 10. С. 56-61.
• Кораблев И. Г. Оценка уровня автоматизации бизнес-процессов предприятия. // Вестник Череповецкого государственного университета 2016.
• Кузьмин Ю. Б. Оценка уровня автоматизации предприятия. // Нефтяное хозяйство, № 10 2009 г.
• Кузьмин Ю. Б. Моделирование степени автоматизации иерархических систем управления на примере АСУ ТП предприятия. // Промышленные АСУ и контроллеры, 2017. № 6
• Куликов Д. Д., Яблочников Е.И, Применение оценочных метрик для анализа технологической подготовки производства. // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики 2011, № 6.

Литература

• Азгальдов Г. Г., Костин А. В., Садовов В. В. Квалиметрия для всех: Учеб. пособие. — М.: ИнформЗнание, 2012. — 165 с.
• Балдин К. В., Воробьев С. Н., Уткин В. Б. Управленческие решения. — 2-е изд.. — Дашков и К°, 2006. — 496 с. — ISBN 5-91131-076-7.
• Ларичев О. И. Теория и методы принятия решений, а также Хроника событий в Волшебных Странах: Учебник. — М.: Логос, 2000. — 296 с : ил. ISBN 5-88439-046-7
• Саати Т. Л. Принятие решений. Метод анализа иерархий. — М.: Радио и связь, 1989. — 316 с.
• From, J. Levels of automation in production systems. Thesis // Chalmers University of Technology SE-412 96 Göteborg, Sweden — 2008.
• Phillip, J. Durst and Wendell Gray. J. Phillip. Levels of Autonomy and Autonomous System Performance Assessment for Intelligent Unmanned Systems. — 2014.
• Sheridan, T. B. Human and computer control of undersea teleoperators / T. B. Sheridan, V. Verplank, L. William. — 1978.
• ГОСТ 23501.108-85. Системы автоматизированного проектирования. Классификация и обозначения // Введ. 01.01.1986. — М.: Госстандарт, 1986. — 15 с.
• ГОСТ 23004-78. Механизация и автоматизация технологических процессов в машиностроении и приборостроении. Основные термины, определения и обозначения // Введ. 09.03.1978 — М.: Издательство стандартов, 1978..