Содержание к диссертации
Введение
1. Методология построения интегрированной системы проектирования ПТС АСУ ТП АЭС с элементами ИТТИ- технологий. Задачи исследования 22
1.1. Эволюция САПР. Автоматизация этапов жизненного цикла изделия. Понятие ИПИ-технологий 22
1.2. Принципы построения, конструктивные особенности ПТС АСУ ТП АЭС, требующие внедрения ИПИ-технологий 29
1.3. Основные этапы жизненного цикла ПТС 41
1.4. Исследование и анализ коммерческих автоматизированных систем, используемых на этапах жизненного цикла ПТС 55
1.5. Цель и задачи исследования 71
2. Интеллектуальная поддержка этапа размещения ПТС в пуктах управления АЭС с выполнением требований эргономики и технической эстетики 74
2.1. Требования к размещению ПТС в пунктах управления АЭС 74
2.2. Экспертная система как средство интеллектуальной поддержки процесса размещения ПТС 83
2.3. Архитектура экспертной системы 92
2.4. Особенности программной реализации экспертной системы 104
2.5. Методология интеллектуальной поддержки этапа размещения ПТС в пунктах управления АЭС 109
3. Исследование гиперграфовых моделей и эволюционно- генетических методов для оптимального решения задач конструирования радиоэлектронных блоков ПТС 113
3.1. Математическая постановка задачи компоновки радиоэлектронных блоков ПТС 113
3.2. Применение эволюционно-генетических методов для решения задач компоновки ПТС 117
3.3. Исследование гиперграфовых моделей для решения конструкторских задач большой размерности 144
3.4. Оптимизация трехмерной трассировки монтажных шкафов ПТС 158
3.5. Программная реализация системы трассировки 167
4. Решение оптимизационных задач планирования и управления производством ПТС 170
4.1. Математическая модель и алгоритмы решения задач объемно-календарного и календарного планирования 170
4.2. Математическая постановка и алгоритмы решения задач оперативного управления 178
4.3. Программная реализация системы планирования и оперативного управления производством компонентов ПТС 185
5. Информационная поддержка этапов жизненного цикла ПТС 190
5.1 Построение и оптимизация функциональной модели процессов проектирования и технологической подготовки производства ПТС 190
5.2 Исследование графических информационных технологий для разработки ремонтной и эксплуатационной документации для ПТС в виде интерактивных электронных технических руководств 201
6. Внедрение ИПИ-технологий и процедур оптимального проектирования в практику разработки ПТС АСУ ТП АЭС 214
6.1 Результаты применения средств автоматизации для разработки ПТС АСУ ТП для 3-го энергоблока Калининской АЭС 216
6.2 Результаты автоматизированного проектирования ПТС АСУ ТП для зарубежных АЭС 222
6.3 Оценки эффективности внедрения процедур оптимального проектирования в практику разработки ПТС 226
Заключение 241
Список терминов и сокращений 245
Литература
- Эволюция САПР. Автоматизация этапов жизненного цикла изделия. Понятие ИПИ-технологий
- Требования к размещению ПТС в пунктах управления АЭС
- Математическая постановка задачи компоновки радиоэлектронных блоков ПТС
- Математическая модель и алгоритмы решения задач объемно-календарного и календарного планирования
Введение к работе
В настоящее время атомная энергетика является одной из базовых отраслей, обеспечивающей стабильное развитие российской экономики, уменьшая ее зависимость от ресурсной составляющей и позволяя более реально планировать производство электроэнергии на длительный период. Она также переносит вектор развития энергетического производства с угле- и нефтегазодобывающих отраслей и транспорта топлива на современные наукоемкие технологии.
За последние годы функционирование объектов атомной энергетики неразрывно связано с опережающим решением проблем их безопасности. Основную роль в обеспечении эффективных режимов работы, а при необходимости и останова энергоблока атомной электростанции (АЭС), которая является радиационным и ядерно-опасным объектом, выполняют автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) АЭС. С целью повышения безопасности, обеспечения высокой надёжности и оперативности управления энергоблоками АЭС научно-исследовательскими и промышленными предприятиями Федерального агентства по атомной энергии разрабатывается новое поколение АСУ ТП для вновь строящихся и модернизируемых российских и зарубежных АЭС.
Базовой системой современной АСУ ТП являются программно-технические средства (ПТС) компьютерного управления энергоблоком. ПТС являются человеко-машинной системой и предназначены для реализации управляющих и информационных функций в процессе эксплуатации энергоблока. С точки зрения конструктивного исполнения ПТС представляют собой сложно-функциональную радиоэлектронную аппаратуру (РЭА), построенную по модульному иерархическому принципу и содержащую механические и радиоэлектронные системы.
Высокие требования к надежности и качеству ПТС, стойкости к внешним воздействующим факторам, функциональная сложность аппаратуры, необходимость применения при ее разработке современной элементной базы и
электромеханических изделий, требование минимизации сроков и стоимости разработки по условиям контрактов на модернизацию энергоблоков АЭС обусловили необходимость создания высокоэффективных средств автоматизации проектирования ПТС АСУ ТП АЭС.
При разработке ПТС необходимо решение основных задач схемотехнического, топологического и технологического проектирования РЭА - разработка и моделирование электронных схем, синтез топологии печатных плат, компоновка радиоэлектронных модулей по блокам, размещение электронных модулей в объеме монтажных шкафов (секций ПТС) и трассировка кабельных соединений, выпуск конструкторской и технологической документации, управление производством. В настоящее время накоплен большой теоретический опыт, разработано множество методов, алгоритмов и программных средств для решения основных задач конструкторского проектирования РЭА. Однако в связи с тем, что многие задачи конструирования являются многокритериальными задачами оптимизации [17] и относятся к классу NP - трудных задач [96], разработка алгоритмов и процедур оптимального проектирования по-прежнему остается актуальной задачей.
Качество алгоритмов компоновки и трассировки межсоединений во многом определяется выбранной математической моделью исходной схемы и топологической моделью устройства. Наиболее применяемыми являются графовые модели, которые удобны для реализации формальных конструктивных алгоритмов, однако обладают известной проблемой представления цепей.
Задача компоновки сводится к задачам декомпозиции графов. Постановки последних могут включать широкий набор ограничений, связанных со спецификой предметной области, а порядок разбиваемых графов может достигать сотен тысяч. Применение для решения данных задач эволюционно-генетического подхода требует разработки специальных процедур, учитывающих многокритериальность задачи, символьное описание модели (пред-
7 ставление решения в виде перестановок), структурные особенности графовых моделей.
Алгоритмы двухмерной трассировки микро- и радиоэлектронной аппаратуры [8] не могут быть без адаптации применимы для трехмерной разводки кабельных соединений ПТС. Это объясняется как технологическими ограничениями, накладываемыми на конструкцию кабельных каналов ПТС, так и требованиями к их заполнению. Необходимость минимизации суммарной длины кабельных соединений требует разработки алгоритма глобального поиска оптимальной конфигурации трасс, что может быть реализовано с применением эволюционно-генетического подхода, адаптированного под специфику конструкции ПТС.
Таким образом, для решения задачи компоновки секций (монтажных шкафов) ПТС радиоэлектронными блоками и трехмерной трассировки кабельных соединений в объеме секции необходима разработка специального класса моделей, алгоритмов, программного обеспечения на их основе, позволяющих конструктору за приемлемое время получать псевдооптимальный вариант решения и проводить его оценку.
На этапе технологической подготовки производства (ТПП) ПТС важной задачей является получение оптимального решения для комплекса взаимозависимых задач планирования и управления. Общая проблема управления процессом изготовления сложных изделий, к которым относятся ПТС, заключается в определении сроков начала и окончания выполнения работ, ин-тенсивностей потребления работами необходимых ресурсов таким образом, чтобы, не нарушая требования технологического и, возможно, организационного и ресурсного характера, обеспечить изготовление всей заданной совокупности изделий. Данная проблема относится к задачам объемно-календарного, календарного планирования и оперативного управления, которые являются NP - трудными. Для данного класса задач большой размерности (сотни изделий, состоящих из тысяч деталей, технология изготовления которых включает десятки тысяч операций) в настоящее время отсутствуют
8 алгоритмы, гарантирующие получение точного решения за приемлемое время, а также не разработаны коммерческие программные системы, осуществляющие для реального производственного процесса поиск некоторых допустимых решений, приближенных к оптимальному.
Для решения описанных задач перспективным представляется исследование и применение идеологии «жадных алгоритмов», в которых включенная в расписание работа не может быть удалена из него на последующих шагах построения, и разработка на их основе системы оперативного управления производством компонентов ПТС.
Ведущая роль в обеспечении безопасности АЭС принадлежит оперативному персоналу пункта управления энергоблоком. Надежность работы оператора в значительной степени зависит от оптимальных значений эргономических показателей размещенного оборудования ПТС, вариантов компоновки органов управления и систем отображения информации. Вариант размещения ПТС должен удовлетворять набору ограничений, заданных требованиями нормативной документации по эргономике.
Проектный этап размещения ПТС в пункте управления АЭС является слабо формализованной творческой процедурой, требующей для повышения качества проектных решений внедрения средств интеллектуальной поддержки. Такие средства целесообразно реализовать в виде экспертной системы, основанной на знаниях. В настоящее время отсутствуют коммерческие экспертные системы, которые без адаптации могут быть применены для решения данной задачи. Следует отметить, что подобные программные продукты реализованы либо как законченные решения, не позволяющие развивать их функциональность, либо как набор инструментальных средств, с применением которых возможно проводить собственную разработку. Таким образом, актуальной является задача исследования и разработки принципов приобретения, накопления, практического применения знаний эксперта-конструктора, архитектуры и программного обеспечения экспертной системы, поддерживающей процесс размещения ПТС в пунктах управления АЭС в
9 соответствии с заданными правилами проектирования и оценивающей варианты размещения на соответствие требованиям нормативной документации по эргономике.
Современный этап развития информационных технологий и средств автоматизации заключается в реализации единой информационной среды (ЕИС), в рамках которой на протяжении жизненного цикла (ЖЦ) изделия создается, актуализируется и поддерживается его электронная модель путем высоко-интегрированного взаимодействия автоматизированных систем.
Концепция ЕИС, обеспечивающей стандартизованные автоматизированные способы поддержки ЖЦ изделия, является основой внедрения и развития современных CALS-технологий (аналогичный русскоязычный термин - «ИПИ-технологии» - технологии Информационной Поддержки жизненного цикла Изделий). ПТС отвечают всем критериям (функциональная сложность, длительность ЖЦ, важное значение для безопасности функционирования ядерного и радиационно-опасного объекта - энергоблока АЭС, большое число участников разработки и значительный информационный обмен между ними) промышленных изделий, для разработки которых требуется внедрение процедур оптимального проектирования и ИПИ-технологий. Следует отметить, что несмотря на проводимые исследования и полученные к настоящему времени результаты, освещающие методические основы и подходы к внедрению ИПИ-технологий, до сих пор практическое их внедрение связано с определенными трудностями, и как правило, с решением частных задач.
Методология ИПИ-технологий предполагает проведение этапа начального функционального моделирования бизнес - процессов, которые выполняются на этапах ЖЦ сложных технических систем, их оптимизацию (включая и информационные потоки) и построение по результатам моделирования структурно - функциональной схемы информационной системы, автоматизирующей этапы ЖЦ. В настоящее время отсутствуют публикации, освещающие опыт использования различных программных систем функционального моделирования, результаты его выполнения для этапов ЖЦ сложных
10 технических систем (РЭА, изделий машиностроения, авиационно-космической техники), конкретные приемы оценки эффективности бизнес -процессов и их оптимизации. Требует решения задача построения и оптимизации функциональной модели процессов проектирования и ТПП ПТС с реализацией методологии безбумажного электронного обращения и согласования конструкторской и технологической документации.
Длительность ЖЦ ПТС (срок службы не менее 30 лет) вызывает необходимость поставки на АЭС большого объема эксплуатационной и ремонтной документации. Представление ее в традиционной бумажной форме снижает эффективность обслуживания, профилактики и ремонта АСУ ТП ядерно-опасного объекта. Задача разработки интерактивных электронных руководств с элементами анимации требует исследования и разработки информационной технологии создания трехмерных электронных моделей, элементов анимации, структуры и средств навигации в электронном руководстве, ориентированной на конкретные коммерческие САПР и промышленные графические технологии.
Таким образом, разработка информационных технологий, алгоритмов оптимального проектирования и методов принятия оптимальных решений, обеспечивающих информационную поддержку процессов разработки, производства и эксплуатации ПТС АСУ ТП АЭС, является актуальной и важной задачей.
Научные исследования и результаты в области САПР, систем принятий решений, ИПИ-технологий, изложенные в диссертации, основаны на работах Д.И. Батищева, A.M. Бершадского, А.Ф. Колчина, В.М. Курейчика, Я.Е. Львовича, И.П. Норенкова, Е.В. Судова, В.Н. Фролова и других российских и зарубежных ученых.
Работа выполнена в соответствии с программой деятельности Федерального агентства по атомной энергии в рамках реализации «Энергетической стратегии России до 2020 года», ФЦП «Энергоэффективная экономика», Межправительственных соглашений по строительству АЭС за рубежом.
Цель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка комплекса методов, моделей, информационных технологий, алгоритмов оптимального проектирования и принятия проектных решений, направленных на обеспечение эффективной автоматизированной сквозной системы разработки и информационной поддержки на этапах жизненного цикла нового поколения программно-технических средств автоматизированных систем управления технологическими процессами атомных электростанций, разрабатываемых для вновь строящихся и реконструируемых отечественных и зарубежных АЭС.
Решение данной проблемы имеет важное народно-хозяйственное значение для повышения надежности, безопасности, качества проектов по созданию современных систем управления энергоблоками.
В соответствии с целью определены следующие задачи исследования:
разработать информационную технологию сквозного автоматизированного проектирования и поддержки этапов жизненного цикла ПТС с возможностью ее эффективной реализации с применением коммерческих САПР;
разработать функциональные модели и провести функциональное моделирование и оптимизацию процессов проектирования и технологической подготовки производства ПТС для определения структуры интегрированной САПР и оптимизации информационных потоков;
разработать методы и средства интеллектуальной поддержки этапа размещения ПТС в пунктах управления АЭС с выполнением требований эргономики;
провести исследования гиперграфовых моделей, разработать алгоритмы оптимизации решения конструкторских задач (компоновки шкафов ПТС, трехмерной трассировки проводного монтажа) на базе эволюционно-генетических подходов;
разработать алгоритмы решения оптимизационных задач большой размерности по распределению ресурсов при объемно-календарном, кален-
12 дарном планировании и оперативном управлении производством компонентов ПТС;
исследовать и внедрить методы параллельного инжиниринга и объектно-ориентированного проектирования в процесс конструирования ПТС;
исследовать графические информационные технологии для создания и управления информационными объектами ПТС, в том числе интерактивными электронными техническими руководствами, для представления в структурированном электронном виде ремонтной и эксплуатационной документации на ПТС;
реализовать на основе предложенных методов, алгоритмов, моделей программное, информационное обеспечение сквозной САПР ПТС с интеграцией ряда коммерческих автоматизированных систем и СУБД, поддерживающей основные этапы жизненного цикла ПТС АСУ ТП АЭС.
Научная новизна заключается в обобщении положений и решении научной проблемы, связанной с разработкой методов и технологий информационной поддержки жизненного цикла сложных технических систем, математических моделей и методов принятия решений в САПР, алгоритмов решения задач конструирования РЭА. К наиболее существенным научным результатам относятся:
принципы, архитектура и технология экспертной системы, основанной на знаниях, поддерживающей процесс компоновки ПТС в пунктах управления АЭС с выполнением требований эргономики и технической эстетики и реализующей прямые и обратные цепочки рассуждений с различными эвристиками поиска решений;
математические модели и алгоритмы решения оптимизационных задач большой размерности по распределению ресурсов в системах сетевого планирования и оперативного управления производством;
математические модели РЭА, структуры данных и алгоритмы, основанные на эволюционно-генетических подходах, для решения большераз-
13 мерных комбинаторных задач конструкторского проектирования ПТС (задач компоновки, трассировки);
- принципы и методика формирования электронных анимационных моделей, описывающих процедуры монтажа, регламентного обслуживания, ремонта ПТС на этапе эксплуатации, предназначенных для обучения персонала АЭС.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Решена важная народно-хозяйственная проблема по созданию автоматизированной системы проектирования, управления производством, информационной поддержки на этапе эксплуатации нового поколения программно-технических средств компьютерного управления энергоблоками АЭС. Разработано методическое, программное, информационное обеспечение автоматизированной системы. Апробирована технология информационного электронного взаимодействия между проектным институтом, выпускающим технический проект строительства энергоблока, разрабатывающим ПТС предприятием и АЭС, как потребителем ПТС и эксплуатирующей организацией. Создано и согласовано с Госатомнадзором РФ нормативное и методическое обеспечение, допускающее проводить компьютерное моделирование ПТС в процессе эксплуатации вместо предварительных натурных испытаний. Отработана информационная технология поставки на АЭС эксплуатационной, ремонтной документации в виде интерактивных электронных технических руководств (ИЭТР), анимационных электронных обучающих руководств для персонала АЭС.
Результаты диссертации внедрены в ФГУП «ФНПЦ НИИ измерительных систем им. Ю.Е. Седакова» (г. Н. Новгород) в промышленный режим проектирования и производства ПТС АСУ ТП АЭС и применялись для разработки функциональных комплексов ПТС для Калининской, Ростовской АЭС, АЭС «Бушер» (Иран), Тяньваньской АЭС (КНР), АЭС «Куданкулам» (Индия) в рамках реализации Федеральной Целевой Программы «Энергоэф-
14 фективная экономика» и Межправительственных соглашений по строительству АЭС за рубежом.
Применение сквозного автоматизированного маршрута схемотехнического, конструкторского, технологического проектирования элементов ПТС, моделирования электронных схем и расчета термомеханической прочности конструкций ПТС в процессе эксплуатации, интеллектуальной поддержки процессов конструирования, построения оптимальных планов-графиков выполнения производственных операций и их мониторинга позволило без привлечения дополнительных ресурсов до 50% сократить сроки разработки, испытаний и поставки ПТС с удовлетворением технических и финансовых требований российских и зарубежных контрактов.
Практическую ценность представляют следующие результаты работы:
разработана структура и состав экспертной системы поддержки принятия решений, которая может быть адаптирована к различным прикладным слабо формализуемым задачам, возникающим при проектировании сложных технических систем;
разработана архитектура, структура баз данных системы для решения задач календарного планирования и оперативного управления производством, созданы диалоговые сценарии представления и мониторинга производственных расписаний, которые могут быть использованы для оперативного управления многостадийными производственными системами различного назначения;
разработан комплекс шаблонов проектирования, предназначенный для программной реализации широкого класса задач объектно-ориентированного конструирования РЭА, повышающий эффективность разработки программного обеспечения САПР со снижением сроков и трудоемкости;
разработана промышленная информационная технология разработки ИЭТР, содержащих эксплуатационную, ремонтную документа-
15 цию, анимационные обучающие руководства, из информационных объектов различного типа (трехмерных моделей, конструкторской и технологической документации, аудио- и фотоматериалов), которая может быть применена в различных предметных областях. Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:
принципы построения экспертной системы, основанной на знаниях, отличающейся от существующих вариантов архитектуры подобных систем реализацией пяти основных компонент: базы знаний, механизма вывода (интерпретации знаний), подсистемы объяснения механизма вывода, подсистемы приобретения знаний, интеллектуального интерфейса; стратегии и эвристики поиска решений; универсальный механизм вызова процедур, входящих в антецеденты и консеквенты правил;
математические модели РЭА, представленные в виде гиперграфов, набор операций с гиперграфами и над гиперграфами, позволяющий эффективно решать комбинаторные задачи конструирования РЭА большой размерности (компоновка, распределение трасс по слоям, трассировка); шаблоны проектирования и структуры данных для выполнения операций над гиперграфами большой размерности;
генетический алгоритм для решения задач компоновки РЭА (разбиения графа), отличающийся от аналогов способом представления хромосом в виде перестановок, наличием улучшающих алгоритмов для процедуры локальной адаптации и механизмов многокритериального отбора решений;
математическая модель представления кабельных каналов секций (монтажных шкафов ПТС) в виде орграфа, информационная технология решения задачи трехмерной трассировки кабелей в секции ПТС, которая в отличие от существующих схем решения данной задачи комбинирует алгоритм поиска пути на графе и эволюционно-
генетический алгоритм для глобального поиска оптимального порядка прокладки трасс;
математические постановки и оригинальные алгоритмы решения задач объемно-календарного и календарного планирования, оперативного управления производством (с применением набора «жадных» алгоритмов);
методика, анимационное наполнение, структуры данных, позволяющие реализовать информационную технологию разработки учебных электронных анимационных руководств для персонала АЭС;
структура, состав, комплексы баз данных и прикладных программ, образующих интегрированную систему автоматизации проектирования и принятия решений, обеспечивающую разработку, моделирование, подготовку производства ПТС и информационную поддержку на этапе эксплуатации.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на 3-й международной конференции «Компьютерные технологии управления качеством продукции» (Королев, 2003), межрегиональных научно-практическая конференциях «Новейшие информационные технологии - инструмент повышения эффективности управления» (Н.Новгород, 2002, 2003), отраслевой научно-технической конференции «Проблемы внедрения ИПИ-технологий при проектировании АЭС» (Н.Новгород, 2003), заседании научно-технического совета Министерства Российской федерации по атомной энергии (Москва, 2003), международных научно-практических конференциях по графическим информационным технологиям и системам «Кограф» (Н.Новгород, 2001, 2002, 2003, 2004), третьем бизнес-форуме «Информационные технологии в развитии Северо-Запада Российской Федерации», (С.-Петербург, 2002), 6-ой международной научно-практической конференции «Применение ИПИ-технологий для повышения качества и конкурентоспособности наукоемкой продукции» (Коро-
17 лев, 2004), межотраслевом научно-практическом семинаре «Практика и перспективы применения ИПИ-технологий в производстве» (Ульяновск, 2004), 6-ом международном конгрессе по математическому моделированию (Н.Новгород, 2004), научных семинарах профессорско-преподавательского состава Нижегородского государственного университета и Нижегородского государственного технического университета.
Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 27 печатных работах.
Структура и объем диссертационной работы. Основное содержание диссертационной работы изложено на 244 страницах машинописного текста и включает введение, 6 глав, заключение, список литературы из 156 наименований, 55 рисунков и 3 Приложения.
Во введении рассмотрены проблемы, требующие создания высокоэффективной САПР ПТС АСУ ТП АЭС, и основные задачи, требующие решения на этапах ЖЦ ПТС. Обоснована актуальность исследований и разработки алгоритмов компоновки и трехмерной трассировки секций ПТС, оперативного управления производством, средств интеллектуальной поддержки слабо формализуемого этапа размещения ПТС в пунктах управления АЭС, и программных подсистем САПР на их основе.
В первой главе проведен анализ развития САПР сложных технических объектов, к которым относятся и ПТС АСУ ТП АЭС. Показаны организационные и технические предпосылки становления идеологии информационной интеграции этапов ЖЦ изделий на основе электронного информационного взаимодействия участников ЖЦ. Приведены технические требования к ПТС, их функциональное назначение, характеристики и особенности конструктивного исполнения. Показано, что ПТС отвечают всем критериям промышленных изделий, для разработки которых требуется внедрение процедур оптимального проектирования и ИПИ-технологий. Проанализированы проектные процедуры, выполняемые на этапах ЖЦ ПТС и функциональные воз-
18 можности коммерческих автоматизированных систем, поддерживающих этапы проектирования ПТС.
Сформулированы цели и задачи исследования.
Вторая глава посвящена вопросам реализации экспертной системы, основанной на знаниях, для интеллектуальной поддержки этапа размещения ПТС в пунктах управления АЭС. Обосновывается применение продукционных правил (исчислений) в качестве базового формализма описания правил. Приводится архитектура экспертной системы, включающей базу знаний, механизм вывода (интерпретации знаний), подсистему объяснения, подсистему приобретения знаний и интеллектуальный интерфейс. В программной реализации системы следует выделить оригинальный универсальный механизм, позволяющий автоматически вызывать из оболочки экспертной системы внешние программные процедуры, входящие в состав правил. По данной схеме для варианта размещения ПТС реализована проверка на соответствие требованиям эргономики с выполнением ряда процедур, встроенных в графическую систему 3ds max. На примере фрагмента знаний, извлеченного у эксперта и занесенного в базу знаний, проиллюстрирована идеология интеллектуальной поддержки процесса размещения ПТС.
В третьей главе рассмотрены математические модели и эволюционно-генетические методы для решения задач компоновки секций и трехмерной трассировки кабельных соединений.
При решении задачи компоновки функциональная схема устройства моделируется неориентированным помеченным мультиграфом. Поставлены различные оптимизационные задачи компоновки. Описан гибридный генетический алгоритм (ГА), который в отличии от классического ГА, основан на представлении решений в виде перестановок, использует механизмы многокритериального отбора, локальной адаптации, автоматической подстройки параметров алгоритма.
Рассматривается представление электронных схем в виде гиперграфовых структур, исследуются алгоритмы решения конструкторских задач
19 большой размерности на гиперграфах на примере задачи компоновки. Описаны механизмы фильтрации для редукции гиперграфов большого порядка и кэширования для ускорения выполнения операций над гиперграфами.
Математическая модель кабельных каналов секций ПТС моделируется орграфом кабельных каналов. Поставлена оптимизационная задача трехмерной трассировки с критерием минимизации суммарной длины трасс кабельных соединений при выполнении технологических требований по заполнению кабельных каналов. Представлены два класса алгоритмов решения задачи.
В четвертой главе приводятся математические постановки, алгоритмы решения задач объемно-календарного и календарного планирования, оперативного управления производством и программная реализация системы планирования и оперативного управления производством компонентов ПТС.
Разработана общая математическая модель задачи распределения разнородных ограниченных ресурсов при управлении процессом производства, на которой могут быть поставлены различные оптимизационные задачи. Для решения задач объемно-календарного и календарного планирования применяются «фронтальные» алгоритмы ограниченного перебора. Для каждого такта планирования формируется множество работ, которые могут начинаться с данного такта. На основании набора характеристик работ с применением различных схем их формирования задается строгий порядок выполнения работ. Включенная на данном такте работа не может быть в дальнейшем исключена из расписания.
Для задачи оперативного управления приводится класс «жадных» алгоритмов, работающих с перестановками и определяющими по различным схемам «вклад» каждой работы в строящееся расписание.
В пятой главе реализованы основные методические подходы, определенные концепцией ЕИС и ИПИ-технологий и реализованные в САПР ПТС: функциональное моделирование и оптимизация процессов проектирования и ТПП ПТС с реализацией модели электронного документооборота обращения
20 и согласования конструкторской и технологической документации, информационная поддержка этапа эксплуатации ПТС, основанная на передаче потребителю электронных интерактивных руководств.
В качестве базовой методологии функционального моделирования применена методика IDEF0. Построены модели «Как - есть» для процессов проектирования и управления ТПП ПТС. Оценены затраты в нормо-часах процессов обращения и согласования конструкторской документации в условиях параллельного действия на предприятии электронного и бумажного документооборота. Построена модель обращения конструкторской документации в ЕИС при наличии интегрированных информационных ресурсов предприятия, в которой прогнозируется снижение трудоемкости на 20 процентов. Построена модель «Как должно быть» процессов разработки ПТС, которая легла в основу функциональной схемы САПР ПТС.
Исследованы промышленные графические информационные технологии для создания интерактивных электронных технических руководств (ИЭТР). Приведена технология разработки ИЭТР для ПТС, включающая определение требований к структуре и содержанию руководства, состав информационных объектов (текстовая и графическая конструкторская, технологическая документация, трехмерные модели, видеоматериалы, фотографии и пр.) и требования к ним, выбор и применение базовых программных средств для создания ИЭТР с формированием анимационных обучающих руководств.
В шестой главе приводятся результаты применения разработанных автоматизированных систем и процедур оптимального проектирования для разработки ПТС АСУ ТП 3-го энергоблока Калининской АЭС, АЭС «Бушер» (Иран), Тяньваньской АЭС (КНР), АЭС «Куданкулам» (Индия). Показано, что производительность труда специалистов конструкторско-технологических подразделений возросла в 3 раза, сроки разработки, производства, испытаний ПТС сократились в 2 - 2,5 раза. Основными факторами для достижения данных результатов являются: применение средств интел-
21 лектуальной поддержки на этапе размещения ПТС в пунктах управления АЭС, внедрение методов параллельного инжиниринга в практику конструирования ПТС, применение процедур оптимальной раскладки кабельных соединений в секциях ПТС, виртуальное моделирование термомеханической прочности ПТС в процессе эксплуатации с сокращением числа натурных испытаний.
В заключении отражены основные результаты, достигнутые в ходе выполнения работы, и приведены выводы по реализации поставленных в работе задач.
Совокупность научных положений и результатов работы представляет собой решение научно-технической проблемы в развитии САПР и ИПИ-технологий и имеет важное народно-хозяйственное значение, заключающееся в разработке технологии информационной поддержки этапов жизненного цикла нового поколения программно-технических средств компьютерного управления АЭС, обеспечивающих значительное повышение эффективности и безопасности эксплуатации радиационно-опасного объекта - реакторного оборудования АЭС.
Автор выражает благодарность специалистам ФГУП «ФНПЦ НИИ измерительных систем им. Ю.Е. Седакова», оказавшим помощь в реализации методов и алгоритмов, создании программного и информационного обеспечения САПР ПТС.
Эволюция САПР. Автоматизация этапов жизненного цикла изделия. Понятие ИПИ-технологий
80- годы 20 века характеризуются широким внедрением автоматизированных систем во все сферы промышленного производства. В этот период были заложены алгоритмические основы и реализованы программные системы схемотехнического, конструкторского проектирования радиоэлектронной аппаратуры, конструирования изделий машиностроения, подготовки технологической документации и управляющих программ для станков с ЧПУ. Как правило, в этот период САПР различного назначения реализовывались в виде автономных программных комплексов, поддерживающих отдельные этапы проектирования. Программные средства создавались на различных вычислительных и инструментальных платформах, языковых средствах, что обуславливало необходимость переработки или перекодировки однородной информации для использования в той или иной системе. Помимо резкого возрастания объемов рутинного труда, это обстоятельство приводило к возникновению многочисленных ошибок, что снижало эффективность применения САПР.
Однако качество проектных решений и сокращение сроков проектирования, достигаемых с применением автоматизированных систем [77] прежде всего для сложных технических изделий (БИС, электронно-вычислительная аппаратура, авиационная техника, реакторное оборудование для АЭС и пр.), предопределило дальнейшее развитие САПР, необходимость разработки методов интеграции программных систем, заложив основу для создания интегрированных автоматизированных систем и применения информационных технологий на различных этапах жизненного цикла (ЖЦ) изделий.
Параллельное развитие АСУ, автоматизирующих учетные, отчетные, а затем и определенные бизнес-функции, накопление электронных информационных ресурсов предприятий сделало возможным решение задачи создания корпоративных информационных систем, построенных на использовании общих баз данных в процессах проектирования, технологической подготовки производства и управления производством.
В 90s годы возникли устойчивые понятия CAD/CAM/CAE (Computer Aided Desing /Computer Aided Manufacturing I Computer Aided Engineering -интегрированный комплекс программных средств автоматизированного проектирования, подготовки производства и инженерных расчетов) и MRP, MRP1I (Manufacturing Recourse Planning - комплекс программных средств управления финансово-хозяйственной деятельностью предприятия). Были разработаны стандарты, определяющие требования к данным системам [130].
По мере развития средств автоматизации и информационных технологий все более острой становилась проблема представления информации, разработанной с применением САПР, в виде бумажной документации. Номенклатура, способы обращения бумажной конструкторской, технологической документации во многом стали ограничивать возможности САПР (например, трехмерную твердотельную модель сложного изделия или принципиальную схему субмикронной СБИС, содержащую сотни тысяч вентилей, нельзя адекватно представить в виде бумажного документа).
Следующей проблемой явилось резкое возрастание объемов технической документации, связанное с ростом функциональной сложности разрабатываемых технических изделий и систем. В результате возникают трудности между заказчиками и разработчиками на этапах планирования и выполнения НИОКР, а также многократно усложняется деятельность, связанная с эксплуатацией, ремонтом, обслуживанием наукоемких изделий. В связи с этим получила развитие идея информационной интеграции этапов жизненного цикла изделия на основе электронного информационного взаимодействия участников ЖЦ.
В соответствии с [49] ЖЦ продукции определяется как «совокупность процессов, выполняемых от момента выявления потребностей общества в определенной продукции до момента удовлетворения этих потребностей и утилизации продукции».
Этапы жизненного цикла наукоемких изделий и поддерживающие их автоматизированные системы представлены на рисунке 1.1.
Приведем функциональные возможности современных автоматизированных систем, поддерживающих этапы ЖЦ промышленных изделий.
На этапе маркетинговых исследований определяются потребности заказчика (потребителя) в продукции (изделиях), отсутствующих на рынке, проводится концептуальное проектирование, разрабатывается функциональ ная модель изделия, которая может демонстрироваться заказчику, уточняются принципы ее физической реализации. Автоматизированные системы (САПР, АСНИ) должны позволять с небольшими трудовыми и временными затратами реализовать геометрическую или функциональную модель, провести ее проверочные расчеты, визуально продемонстрировать компоновку либо принципы функционирования изделия.
Этап проектирования поддерживается интегрированными САПР/АСНИ (CAD/CAE), в сквозном цикле реализующими основные проектные операции и задачи инженерного анализа сложных технических объектов. Подобные системы имеют модульную иерархическую структуру построения, набор баз данных, хранящих электронную модель изделия, средства управления проектами и данными по изделию, поддерживают широкий набор интерфейсов для обмена данными с разнородными программными комплексами.
С применением АС ТПП реализуются проектирование технологических процессов, их нормирование, выбор инструмента, оснастки, проектирование средств технологического оснащения, синтез управляющих программ для станков с ЧПУ и моделирование работы оборудования. Часто модули АС ТПП входят в состав CAD/CAE, образуя сквозную цепочку разработки, подготовки производства сложных изделий (CAD/ САМ/САЕ).
Требования к размещению ПТС в пунктах управления АЭС
Ведущая роль в обеспечении безопасности работы АЭС принадлежит оперативному персоналу блочного пункта управления энергоблоком, принимающему решения большой ответственности на основе ограниченного числа факторов. Надежность работы оператора в значительной степени зависит от оптимальных значений эргономических показателей конструкции ПТС и параметров окружающей обстановки.
Важнейшим фактором эффективной и комфортабельной работы операторов АЭС является композиция помещений пункта управления энергоблоком. Категории композиции (форма частей и целого, цвет, взаимное расположение, пропорции, симметрии) являются общими факторами технической эстетики и определяют взаимосвязь важнейших элементов конструкций.
При решении задачи размещения оборудования ПТС в пунктах управления АЭС учитывается ряд ограничений, накладываемых ГОСТами и требованиями технического задания на разработку ПТС.
Оборудование размещается в определенном помещении (помещениях). При этом в качестве исходных данных выступают: планировки помещений, отведенных под программно-технические средства контроля и управления, с указанием их размеров, высоты потолков, наличия подвесных и других конструкций, представленных в комплекте строительных чертежей; размещение различных коробов, вентиляции, освещения, противопожарных средств защиты и других составляющих, дающее полную информацию об инфраструктуре помещений; спецификация и планировка размещения ПТС в помещениях; чертежи фасадов мнемопанелей контроля и управления; перечень вспомогательного оборудования и оснащения (шкафов, столов, принтеров и т.п.).
Таким образом, исходно имеются планировки помещения (помещений) с набором характеристик, ограничивающих возможности размещения оборудования, а также сам набор оборудования, компоновку которого необходимо выполнить
Все оборудование ПТС разделяется на два основных класса: оборудование, за которым должен работать человек-оператор, и оборудование, выполняющее функции индикации и отображения параметров технологического процесса. Типовые составляющие ПТС, их функции и конструктивное исполнение приведены в разделе 1.2.
Размещение конкретного набора оборудования, используемого в пункте управления, назовем допустимым, если данный вариант размещения обеспечивает выполнение всех функциональные требований по контролю и управлению технологическим процессом АЭС в пункте управления.
Каждое допустимое размещение должно удовлетворять ряду ограничений, обусловленных требованиями технической эстетики и эргономики.
Согласно первым объект проектирования должен удовлетворять следующему набору требований.
Требования к композиции: - единство конструктивно-технологических решений; - стилевое единство деталей ПТС и их внешнего оформления; - соответствие ПТС современным тенденциям формообразования; - соответствие формы ПТС назначению, конструктивной организации, внутренней компоновке функциональных объёмов; - целостность композиции. Требования к гармонии: - модульный принцип построения; - гармоническое сочетание при объединении; - информативность формы ПТС; - стилевое единство защитно-декоративных покрытий ПТС; - психофизиологическое воздействие цветовых решений на человека; - общая гармония цветофактурных сочетаний отделочных материалов и покрытий ПТС; - выделение цветом композиционных и функциональных элементов.
Требования технической эстетики в настоящий момент в нормативной документации не формализованы, и их оценка проводится экспертным методом. Проверка соответствия проектного решения требованиям технической эстетики осуществляется с использованием ряда рекомендаций по проведению данной экспертизы.
Вторая группа ограничений, накладываемых на размещение оборудования, объединяет в себе требования эргономики, среди которых можно выделить следующие.
Антропометрические требования при работе оператора в положении сидя: - требования к размерным характеристикам рабочего места; - требования к размещению органов управления; - требования к размещению средств отображения.
Математическая постановка задачи компоновки радиоэлектронных блоков ПТС
Построим графовую модель радиоэлектронной системы, определим понятие «допустимое решение» и зададим критерии оценки качества решения с учетом специфики предметной области.
Функциональные электрические схемы моделируются графовыми моделями [7, 17, 46, 60, 64, 68, 70, 75, 80, 98, 99, 131-136], при этом множеству элементов (типовых блоков) схемы взаимно однозначно ставится в соответствие множество X вершин графа G(X,E), а множеству соединений (проводников) - множество Е ребер графа. В общем случае данный способ не свободен от ряда недостатков [24, 105], главный из которых заключается в том, что за счет развязки цепей схемы в графе появляются полные графы, то есть вводится большое число избыточных ребер в графе. Однако, в случае электронной системы ПТС, реализованной, в основном, из типовых блоков, связанных кабельными соединениями, этот недостаток функциональной схемы проявляется незначительно. В подобной системе каждая цепь, как правило, представлена отдельным кабельным соединением, связывающим два блока. Поэтому избыточных ребер в графе не вводится.
Алгоритм перехода от функциональной схемы к математическому графу заключается в следующем. Пусть имеется схема, состоящая из п типовых блоков, соединенных проводниками. Для данной схемы строится пустой граф G{XJi) на п вершинах \Х\=п, Е=0, где каждой вершине хеХ ставится во взаимнооднозначное соответствие типовой блок из схемы. Последовательно перебираем электрические соединения в схеме, связывающих типовой блок А с типовым блоком В для всех А В и добавляем ребро е=(хА сц) в граф G Е=Еи{е], где хАеХ соответствует типовому блоку А и х еХ соответствует типовому блоку В. Поставим во взаимнооднозначное соответствие каждой вершине ХЕХ вектор w(x)=(cx, wx, tx,px, ех, ix), который соответствует значениям характеристик типового блока, соответствующего вершине х. Здесь, c eN - габариты, wxeW - вес, t eT - тепловой режим, рхеР - потребляемая мощность, ехс:Е - подмножество множества типов оборудования Е, определяющий принадлежность к определенному типу оборудования. Последняя составляющая вектора и (л;) определяет условие несовместности элементов, ixczX- подмножество множества всех вершин исходного графа таких, что типовой блок, соответствующий вершине JC и типовой блок, соответствующий любой вершине из ix - несовместны.
При наличии условия обязательной совместимости элементов, модифицируем исходный граф по следующему алгоритму. Для каждого условия обязательной совместимости типовых блоков выделяем соответствующее множество вершин исходного графа и стягиваем их в псевдовершину. Для этой псевдовершины набор параметров w(x)=(cx, wx, tx, рх, ех, ix) рассчитывается по следующим формулам: сх = Z v w = w , { = 2 ,, Рь= Z Л, е, = 1К = IX » х,чО(х) х,(0(х) xj0(x) х в(х) х в(х) xteO(x) где д: - псевдовершина, полученная стягиванием множества вершин 6(х).
Результатом работы алгоритма перехода от функциональной схемы к математическому графу в общем случае является неориентированный помеченный мультиграф G(XJE,w).
Обозначим через к - число монтажных шкафов, в которое требуется распределить радиоэлектронный блоки. Каждый шкаф имеет свой набор характеристик. Пусть С, - желательная вместимость і-ого шкафа, С,тах - критическая вместимость /-ого шкафа, W" - критический вес /-ого шкафа, Т, тепловой режим /-ого шкафа, Р(шах- критическая потребляемая мощность, где
Сформулируем оптимизационную задачу декомпозиции графа. Пусть задан неориентированный помеченный мультиграф граф G(X,E,w) порядка п, где X={x\,...j„} - множество вершин; EczXxX- множество ребер; w:V- R+ -отображение, определяющее характеристики каждой вершины.
Требуется определить разбиение множества вершин X графа G(X,E,w) на к - подмножеств {Х\,...,Хк) таким образом, чтобы для частей графа Gi(X\,E\,W\),..., G/SXkyE Wk) выполнялись следующие требования. Требование разбиения множества вершин: Xj 0,WKj=\..k; XtnXj=0, для V % , где і J = 1.1;
Требование критической вместимости для каждого шкафа - общее число типовых блоков, размещенных в каждом монтажном шкафе, не должно превышать критической вместимости:
Математическая модель и алгоритмы решения задач объемно-календарного и календарного планирования
Изготовление ПТС требует выполнения совокупности взаимозависимых работ, связи между которыми хорошо описываются с помощью канонических сетевых моделей [16] - ориентированных взвешенных графов без петель и контуров, элементам которых поставлены в соответствие некоторые характеристики.
Каноничность сетевой модели означает, что никакая работа не может начать выполняться до тех пор, пока не завершатся все ей предшествующие по технологии изготовления работы.
При описании предметной области воспользуемся понятиями изделие - продукт трудовой работы, и работа - составная часть изделия.
Введем классификацию ресурсов по сроку годности нескладируемые, складируемые и частично-складируемые. Срок годности ресурса - это количество тактов планирования, в течение которых с момента поступления, эти ресурсы могут быть использованы для выполнения работ. Нескладируемые ресурсы - ресурсы со сроком годности один такт - трудовые ресурсы, фонд времени работы оборудования, транспортные средства. Складируемые ресурсы имеют срок годности, превышающий длину периода планирования - материалы, сырьё, полуфабрикаты. Частично-складируемые ресурсы имеют ограниченный срок годности - это, например, скоропортящиеся продукты.
При описании ресурсов будем их разделять на ресурсы повторного и не повторного использования. Ресурс повторного использования - это ресурс, который вновь появляются в системе после того, как работа перестает его потреблять (после того, как деталь окончила обработку на станке, станок готов обрабатывать следующую деталь). Ресурс не повторного использования характеризуются тем, что после его использования некоторой работой, его объем уменьшается на величину, равную ресурсоемкости этой работы (использование материалов, сырья, финансовых ресурсов).
Работы сетевых моделей будем характеризовать технологическими, организационными и ресурсными условиями. К технологическим условиям относятся: условия взаимозависимости выполнения работ, условия, связанные с интенсивностями потребления работами ресурсов, условия, связанные с возможными длительностями выполнения работ. К организационным условиям относятся: условия, связанные с моментами начала выполнения работ, условия, связанные с моментами окончания выполнения работ (директивные сроки).
К ресурсным условиям относятся условия, связанные с расходованием ресурсов при выполнении работ.
Общая проблема управления процессом изготовления сложных изделий ([91]) заключается в определении сроков начала и окончания выполнения работ, интенсивностей потребления работами необходимых ресурсов таким образом, чтобы, не нарушая требования технологического и, возможно, организационного и ресурсного характера, обеспечить изготовление всей заданной совокупности изделий.
В задачах объемно-календарного планирования [82,84,107,115,118, 122] работы, как правило, являются обобщенными, включающими в себя совокупность «подработ» (операций). Для каждой обобщенной работы указаны ресурсы, используемые этой работой. Характеризуется обобщенная работа, как правило, не длительностью, а ресурсоёмкостями - количеством ресурсов каждого типа, необходимых для выполнения этой работы. Ресурсы, как и характеристики ресурсоёмкостей, в таких задачах обычно указываются в объёмных показателях - нормо-часах, условных тоннах, рублях. Задаются их объёмы на весь период планирования. Ресурсы, как правило, являются не повторно используемыми - это, например, фонд времени работы оборудования в планируемом периоде, объем финансирования, выделенный на выполнение всех работ. Для каждой работы необходимо указывать минимальную и максимальную интенсивности потребления этой работой каждого ресурса, который эта работа потребляет. Отношение ресурсоемкости к интенсивности определяет длительность выполнения работы. При задании этих величин необходимо оценивать возможные варианты выполнения деятельностей - при выполнении деятельностей с минимальной интенсивностью, деятельность будет выполняться максимально возможное время, при выполнении деятельностей с максимальной интенсивностью -минимально возможное время.
Требуется построить такое решение задачи, при котором технологические и ресурсные ограничения будут выполнены безусловно, а организационные условия, связанные с заданными директивными сроками изготовления изделий, - наилучшим из возможных способов.
После решения задачи объемно-календарного планирования, когда определены сроки и последовательности выполнения обобщенных работ, решается задача календарного планирования, в которой обобщенные работы заменяются взаимозависимой совокупностью составляющих их операций.
6 задачах календарного планирования и оперативного управления [18,51,53,110,120,127] для каждой работы (операции) указана длительность ее изготовления и ресурс, который должен быть использован для ее выполнения (конкретный тип станка, агрегата, оборудования). Ресурсы, используемые в таких задачах, являются повторного использования. Для каждого ресурса указано время его поступления в систему (для станков обычно это время начала планирования, или, например, время начала работы станка после ремонта) и количество ресурса, поступившего в систему (для станков это количество однотипных станков).
