Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса в области автоматизации под готовкишроизводства в геофизическом приборостроении 16
1.1. Актуальность работы и научная проблема 16
1.2. Характеристики производственных систем ГФП
1.2.1. Состав и параметры производственной системы 18
1.2.2. Изделия геофизического приборостроения 20
1.3. Анализ существующей методологии автоматизированного проектирования технологических процессов 25
1.3.1. Анализ современных систем технологической подготовки производства 25
1.3.2. Анализ основных научных результатов в области автоматизированного проектирования технологических процессов 28
1.4. Анализ основных исследований по управлению технологическими под разделениями 35
1.4.1. Экономические концепции управления 35
1.4.2. Анализ исследований в области управления работой станочных систем
1.5. Анализ работ по методологическим основам теории проектирования, теории систем, искусственного интеллекта и CALS- технологий 45
1.6. Цель и задачи исследования 53
1.7. Основные выводы по главе 54
Глава 2. Исследование структуры и базы знаний производственной системы 55
2.1. Состав агентов и функции производственной системы 55
2.2.Выявление и анализ связей элементов производственной системы 60
2.2.1. Общие предпосылки системного анализа ПС 60
2.2.2. Связи производственной системы с внешней средой 61
2.3. Исследование связей элементов производственной системы 68
2.4 Иерархия и классификация подсистем производственной системы 70
2.5. Цикл работы производственной системы 71
2.6. Исследование структуры времен и временных связей в технологических подразделениях 74 2.6.1. Анализ производственных циклов 74
2.6.2 Анализ длительности выполнения операций на металлорежущем оборудовании 84
2.7. Исследование структуры парка оборудования технологической подсистемы
2.7.1. Принципы построения технологической подсистемы 89
2.7.2. Состав подразделений и оборудования технологической подсистемы 90
2.7.3. Определение количественного состава оборудования 92
2.8.Теоретико- множественная модель многоагентной производственной системы 95
2.9. Основные выводы по главе 101
Глава 3. Теоретическое исследование закономерностей принятия решений в подсистемах САПР ТП и АССП с элементами искусственного интеллекта 103
3.1. Методологические основы системного подхода в решающих системах с элементами искусственного интеллекта 103
3.1.1. Выявление закономерности декомпозиции процессов проектирования в решающих системах 103
3.1.2. Системные характеристики процесса проектирования и проектируемых объектов в решающих системах 106
3.2. Концепции создания САПР ТП и АССП с элементами искусственного интеллекта 111
3.3.Выявление способов представления знаний и методов синтеза решений в САПР ТП и АССП с элементами искусственного интеллекта 117
3.3.1. Выявление способов представления знаний в подсистемах САПР ТП и АССП 117
3.3.2.Выявление основных методов и этапов решения задач в системах с элементами искусственного интеллекта 118
3.4. Выявления механизма принятия решений и накопления знаний в подсисте
мах САПР ТП и АССП 121
3.4.1. Структура проектной функции 122
3.4.2.Механизм накопления знаний в функции преобразования 126
3.5. Исследование общих принципов формирования критериев и целевых функций на уровнях процесса проектирования 128
3.6. Выявление основных этапов создания решающих систем 131
3.7. Основные выводы по главе , 13з
Глава 4. Формализация методов автоматизированного проектирования технологических процессов 135
4.1. Построение САПР ТП с элементами искусственного интеллекта в условиях предприятий геофизического приборостроения 135
4.1.1. Принципы построения САПР ТП 1 з 5
4.1.2. Декомпозиция процесса проектирования в САПР ТП 137
4.1.3. Принципы построения моделей ПТП с элементами ИИ 13 g
4.2. Исследование структуры процесса технологического проектирования 140
4.2.1. Модель поиска решений 14о
4.2.2.Теоретико-множественная модель САПР ТП 142
4.2.3. Логическая модель принятия решений в САПР ТП 147
4.3.Формализация типовых проектных процедур 149
4.3.1 Формализация проектных процедур на основе решений - аналогов и типо вых решений (поиск-доработка) 149
4.3.1.1. Процедура поиска ТПр на основе типовых решений и аналогов 149
4.3.1.2. Процедура «доработка» типовых ТПр 15Q
4.3.2. Типовые процедуры проектирования единичных технологических процессов 154
4.4. Модель знаний для синтеза технологических процессов 159
4.4.1. Модель знаний для укрупненных схем технологического процесса 159
4.4.2. Модель знаний для синтеза маршрутов обработки детали
4.4.3 Модель знаний для проектирования операционной технологии 175
4.4.4. Синтез параметров управляющих программ для станков с ЧПУ и определение режимов резания 188
4.5. Разработка системы критериальной оценки J90
4.5.1. Принципы выбора системы критериев 1 CJQ
4.5.2. Формирование критериев в САПР ТП 191
4.6. Процедуры накопления и обобщения опыта в САПР ТП 297
4.6.1. Процедурынакопленияи обобщения опыта применения критериев jpy
4.6.2. Процедуры накопления и обобщения опыта при разработке ТПр ±gj
4.7. Основные выводы по главе 201
Глава 5. Формализация процедур в подсистеме автоматизированного сопровождения производства 203
5.1. Принципы построения системы автоматизированного сопровождения производства 203
5.2. Теоретико-множественная модель автоматизированной системы сопровождения производства 205
5.3. Формализация проектных процедур в подсистеме объемного и календарного планирования 215
5.3.1. Постановка задачи- 215
5.3.2.Формализация проектных процедур синтеза планов по объемным показате лям 219
5.3.3. Формализация процедур синтеза временной структуры планов 223
5.4. Формализация проектных процедур в подсистеме оперативного планирова ния. 225
5.4.1 .Постановка задачи оперативного планирования» 225
5.4.2. Формализация процедур на этапах оперативного планирования 226
5.4.3. Формирование системы приоритетов при запуске изделий 235
5.4.4. Критерии выбора календарных планов-графиков 242
5.4.5. Формальная постановка задачи разработки КПГ
2 5.5. Формализация проектных процедур в подсистеме диспетчирования технологических процессов 245
5.6. Формализация проектных процедур в подсистеме управления АССП
2 5.6.1. Процедуры при синтезе объемных и календарных планов 247
5.6.2. Процедуры при синтезе календарных планов-графиков 252
5.6.3. Процедуры при выборе приоритетных схем при синтезе КПГ 255
5.6.4. Процедуры принятиярешений УП в процессе диспетчирования
2 5.7. Общая схема принятия решений в АССП 262
5.8. Методика диспетчирования технологических процессов на основе нечеткого управления 263
5.8. Основные выводы по главе 266
Глава 6. Практическая реализация и апробация результатов исследования 268
6.1. Совершенствование структуры производственных подразделений и номенк латуры изготовляемых деталей 268
6.1.1 .Определение функциональной структуры ТП 268
6.1.2. Определение параметров технологических подразделений 271
6.1.3. Разработка пространственной структуры технологических подразделений 274
6.1.4.Унификация конструкторско-технологических характеристик обрабатывае
мых деталей 275
6.2. Моделирование процедур проектирования технологических процессов 277
6.2.1. Методика проектирования и программные средства 277
6.2.2. Моделирование процедур проектирования типовых и единичных технологических процессов 279
6.2.3. Имитационное моделирование размерной структуры технологических процессов 286
6.3. Реализация элементов автоматизированной подсистемы сопровождения про
изводства 289
6.3.1. Организационная структура и этапы работы программного комплекса АССП 289
6.3.2. Моделирование работы и опытная проверка АССП
2 6.4. Место процессов технологической подготовки и сопровождения ТПр в структуре процессов управления организацией 296
6.5. Направления интеграция САПР ТП и АССП в единое информационное пространство 297
6.6. Основные выводы по главе 299
Заключение 300
Библиографический список
- Анализ современных систем технологической подготовки производства
- Исследование связей элементов производственной системы
- Выявление закономерности декомпозиции процессов проектирования в решающих системах
- Исследование структуры процесса технологического проектирования
Введение к работе
Актуальность проблемы определяется имеющимися противоречиями в области проектирования технологических процессов (ТПр) и управлением выпуском изделий в геофизическом приборостроении (ГФП):
- время технологической подготовки производства (ТПП) с помощью автоматизированных систем проектирования технологических процессов (T-Flex, Вертикаль, Спрут, ТехноПРО, TEXCARD и др.) становится соизмеримым со временем изготовления деталей, не осуществляется организационно-технологическое проектирование ТПр (их разработка с учетом целевой функции заказа, способа организации производства, загрузки оборудования подразделений), актуальное для единичного и мелкосерийного производства;
- большие затраты времени на разработку и корректировку постоянно обновляемых в течение года объемных и календарных планов затрудняют точное определение объемов и сроков выполнения договоров, заставляют фирмы иметь запасы узлов и приборов, которые могут быть не востребованы потребителями и увеличивают незавершенное производство;
- способы управление ТПр изготовления приборов не отвечает условию своевременной штучной поставки приборов по большому числу контрактов;
- для организации управления производством необходимо знание времен выполнения операций, однако ТПП из-за дефицита времени выполняется весьма укрупненно;
- методология построения автоматизированных систем проектирования технологических процессов (САПР ТП), автоматизированных систем управления ТПр (АСУТП) и систем управления и планирования предприятием разного уровня (ERP (Enterprise Resourse Planning)-системы, MRP-2 (Manufacturing Requirement Planning), Scada (Supervisoru Control And Data Acquisition) и др.) направлена на обслуживание нужд серийного и крупносерийного производства (ГФП относится к единичному и мелкосерийному); ERP-системы к тому же ориентированы на североамериканский (отчасти западноевропейский) способ организации технологий;
- ERP и MRP-2 -системы позволяют разрабатывать в автоматизированном режиме объемные планы, разработка точных календарных и оперативных планов невозможна из-за отсутствия средств для расчета циклов изготовлений изделий, автоматизированная корректировка планов по результатам диспетчирования (Scada) не предусматривается;
- АСУТП позволяют отслеживать выполнение КПГ, но не имеют формальных процедур для их расчетов, и принятия решений на основе результатов диспетчирования;
- имеется информационный разрыв между САПР ТП, АСУТП и ERP-системами, не позволяющий оперативно принимать управленческие решения;
- развитие геофизического приборостроения России, находящегося на прорывных направлениях развития науки и техники и успешно конкурирующего с ведущими зарубежными фирмами, сдерживает отсутствие современных производственных систем (ПС).
Выявленные противоречия позволяют осуществить постановку проблемы, имеющей важное значение для отечественного геофизического приборостроения – повышение эффективности функционирования производственных систем ГФП путем сокращения сроков и совершенствования ТПП и планово-организационного сопровождения производства изделий. Решение проблемы приводит к сокращению времени на выпуск новых образцов техники, улучшению технико-экономических показателей предприятий, обеспечивает возможность управлять сроками изготовления изделий за счет многовариантной оценки решений.
В рамках данной проблемы актуальны постановка и решение научной проблемы – создание теоретических основ для построения автоматизированных систем проектирования технологических процессов и сопровождения процессов производства изделий (АССП) в ПС геофизического приборостроения.
Решение проблемы предлагается осуществлять на основе формализации и автоматизации проектных процедур при проведении организационно- технологического проектирования ТПр, разработке и корректировке планов технологических подразделений и диспетчировании их работы.
Область исследования –методология разработки моделей и методов для анализа и синтеза проектных решений по проектированию технологий и планированию и управлению производством в машиностроении и приборостроении.
Объект исследования – процесс автоматизированного проектирования технологических процессов и принятия решений при сопровождении производства изделий в ГФП, методы и способы осуществления проектных процедур.
Цель диссертационной работы – совершенствование существующей методологии построения САПР ТП и АССП для предприятий геофизического приборостроения на основе совокупности принципов, моделей, положений и методов, создающих предпосылки для повышения степени автоматизации и интеллектуализации проектных процедур при разработке ТПр и сопровождении производства изделий.
Для достижения цели в работе осуществлялись постановка и решение основных исследовательских задач:
1) выбор и анализ объекта проектирования, анализ существующей методологии и систем автоматизированного проектирования технологических процессов и управления предприятиями разных уровней,
2) анализ моделей процесса проектирования и моделей представления знаний в САПР ТП и АССП, разработка принципов их создания, методов и моделей процессов автоматизированного организационно-технологического проектирования в САПР ТП и принятия решений в АССП на основе распознавания ситуации в технологических подразделениях,
3) построение иерархических теоретико-множественных описаний производственной системы, САПР ТП и АССП, обеспечивающих информационную интеграцию САПР ТП, АССП и технологический подразделений, и связь с системой управления организацией,
4) систематизация и формализация эвристик, организационных и технологических закономерностей построения технологии механической обработки, иерархическое представление процесса проектирования в САПР ТП на основе информационного преобразования состояний проектируемого объекта на уровнях декомпозиции, разработка методики автоматизированного проектирования ТПр с учетом загрузки оборудования и целевой функции ПС,
5) систематизация и формализация методов разработки объемных, календарных, оперативных планов и диспетчирования, учитывающих концепцию накопления контрактов, разработка моделей и алгоритмов процесса принятия решений в АССП на основе распознавания ситуации в ТП,
6) программная реализация методологии построения САПР ТП и АССП, разработка методик автоматизированного проектирования и сопровождения производства изделий, исследование предложенных моделей и методов при решении задач в производственных условиях.
Научная новизна. В настоящей работе:
1. Предложены на основе теоретико-множественного подхода и системных отношений и категорий «часть-целое», «система-подсистема», «целостность-разобщенность», «подчиненность целей», «преемственность структур» способы информационной и временной интеграции САПР ТП, АССП и ТП, обеспечивающие организационно-технологическое проектирование ТПр с учетом загрузки оборудования и целевой функции, и сопровождение производства на основе распознавания ситуации в технологических подразделениях.
2. Разработано представление процесса проектирования в САПР ТП, включающее: способ иерархической организации проектных процедур, способ формирования базы знаний продукционных моделей на основе системно-технологических закономерностей, способ оценки промежуточных решений критериями, функционально выражаемых через параметры состояния проектируемого объекта (ТПр) на уровнях декомпозиции и технологических подразделений, способ представления параметров состояний ТПр.
3. Предложены иерархические модели знаний для информационного обеспечения САПР ТП на основе теоретико-множественного подхода и выявленной иерархической системы исходных положений, вытекающих из технологических, системных и организационно-экономических принципов проектирования ТПр, включающие: описание уровней процесса проектирования и проектируемого объекта, описание процедур синтеза и оценки решений, описание процедур накопления опыта.
4. На основе выявленных принципов построения САПР ТП предложена методика автоматизированного проектирования технологических процессов, новизна которой заключается в систематизации и формализации проектных процедур на уровнях синтеза укрупненных схем, маршрутной и операционной технологии, разработки управляющих программ для станков с ЧПУ, и процедур оценки решений на уровнях системами критериев, зависящими от целевой функции ПС и параметров состояния ТП; в модификации решений при изменении загрузки оборудования и целевой функции.
5. Разработаны модели знаний для АССП на основе теоретико-множественного подхода, включающие: функциональное описание уровней сопровождения, логическую схему взаимосвязи проектных процедур, иерархические системы приоритетов, способы осуществления проектных процедур и распознавания ситуации в ТП.
6. На основе выявленных принципов построения АССП разработана методика автоматизированного сопровождения процессов изготовления приборов, новизна которой заключается в систематизации и формализации процедур расчета на всех уровнях сопровождения; взаимосвязи объемного, календарного, оперативного планирования и диспетчирования; оперативном планировании и диспетчировании на основе распознавания ситуации в технологических подразделениях; автоматическом переходе от одного уровня сопровождения к другому и в режим диалога.
7. Развита концепция принятия решений на основе интеллектуальной модели знаний, включающей продукционные модели представления знаний, логические, оптимизационные и интуитивные звенья. Разработаны методы формализации процессов проектирования и накопления знаний в САПР ТП и АССП.
8. Предложена методика диспетчирования технологических процессов на основе аппарата нечетких множеств, новизна которой заключается в ее применении применительно к дискретным машиностроительным объектам, выявлении совокупности входных и выходных параметров, разработке правил нечеткого вывода.
Методы исследования. В работе используются методы теорий: множеств, графов, формальных систем, искусственного интеллекта, исследования операций, управления, а также методы математической статистики.
Работа выполнена в рамах междисциплинарной отрасли научных знаний, охватывающих методологии систем автоматизированного проектирования, построения технологических процессов в машиностроении, автоматизированных систем управления предприятием и технологическими процессами, систем, проектирования, Бережливого производства, управления качеством.
Достоверность полученных результатов подтверждается экспериментальными исследованиями и апробацией на моделях и с помощью программных средств, реализующих отдельные элементы САПР ТП и АССП, доказывающими адекватность синтезированных технологических и управленческих решений условиям их реализации, соответствие информационного и системного представления проектируемых объектов реальным объектам в производственной системе. Результаты автоматизированного синтеза технологических процессов, объемных, календарных планов, календарных планов-графиков (КПГ) и диспетчирования при промышленной эксплуатации полностью подтверждают эффективность предложенных методик, моделей и алгоритмов в САПР ТП и АССП.
Практическая ценность работы заключается в повышении эффективности человеко-машинных систем при проектировании технологических процессов механической обработки и сопровождении процессов изготовления изделий в ГФП, выражающейся в автоматизации процедур: многовариантного синтеза решений и их отбора на уровнях декомпозиции процесса проектирования (САПР ТП), разработки планов всех уровней для технологических подразделений и принятия управленческих решений на основе диспетчирования (АССП). В ходе выполнения исследований:
1. Показана необходимость системной, информационной и временной интеграции САПР ТП, АССП и ТП в рамках производственной системы, что создает возможности: реализации дополнительного уровня управления ТП за счет проектирования ТПр с учетом целевой функции ПС и текущей загрузки оборудования; осуществлять планирование и диспетчирование на основе распознавания ситуации в технологических подразделениях.
2. Доказана возможность снижения субъективизма и времени технологической подготовки производства при повышении ее качества в условиях ГФП на основе САПР ТП, сочетающих методики многоуровневого организационно-технологического проектирования единичных и унифицированных ТПр, учитывающие загрузку оборудования ТП и целевую функцию ПС.
3. Сформирован иерархический комплекс системно-технологических закономерностей, базирующийся на технологических, системных, организационно-экономических принципах построения ТПр, определяющий формальное и семантическое содержание проектных процедур, и позволяющий с высокой степенью автоматичности получать описания ТПр на различных уровнях декомпозиции процесса проектирования.
4. Обоснован и сформирован комплекс интервальных критериев, позволяющий сократить пространство поиска решений на всех уровнях процесса технологического проектирования. Комплексы критериев модифицируются в зависимости от целевой функции производственной системы, и количественно определяются параметрами синтезированного технологического решения данного уровня и параметрами загрузки оборудования, необходимого для его реализации. Это избавляет от необходимости детальной проработки решений для их оценки целевой функцией в параметрах решения нижнего уровня.
5. Представлена развернутая иерархическая система формальных правил автоматизированного проектирования технологических процессов в САПР ТП, позволяющая производить разработку новой и доработку спроектированной ранее технологии, начиная со строго определенного уровня процесса проектирования. Предложен способ непосредственного перехода от известных системных характеристик детали к системным характеристикам технологического решения определенного уровня из числа спроектированных ранее.
6. Представлены и обоснованы формальные проектные процедуры в АССП, позволяющие автоматизировать: процессы принятия решений на различных этапах сопровождения выпуска приборов на основе распознавания и оценки ситуации в ТП; переход на следующие этапы и реализацию обратных связей при планировании; выработку управляющих воздействий по результатам анализа данных диспетчирования.
7. Разработаны иерархические системы (глобальный-внутренний-частный приоритет) динамичных приоритетных правил, определяющие формальные процедуры формирования календарного плана-графика прохождения деталей по операциям в технологических подразделениях. Выбор конкретной системы частных приоритетов осуществляется на основе анализа текущей ситуации в технологических подразделениях, переназначение глобальных и внутренних приоритетов при переходе в последующие интервалы оперативного планирования производится автоматически.
8. Представлена методика диспетчирования технологических процессов механической обработки на основе нечетких множеств, пригодная для реализации в подразделениях с числом рабочих мест до 30-ти, показаны входные параметры и способ определения их числовых значений, выходные переменные и их размерность, система нечетких правил вывода.
9. Разработаны и переданы в эксплуатацию методики и программные средства, защищенные свидетельством о регистрации программ для ЭВМ, обеспечивающие интеллектуализацию и автоматизацию комплексных задач разработки технологических процессов и сопровождения производства изделий в геофизическом приборостроении.
На защиту выносятся:
1. Совокупность теоретико-множественных моделей производственной системы, САПР ТП и АССП, построенных на основе системных отношений и категорий «часть-целое», «система-подсистема», «целостность-разобщенность», «внешняя среда», «подчиненность целей», позволяющая получить новые системные свойства при проектировании ТПр и сопровождении производства изделий, и определяющая функции, структуры, информационные связи и параметры решений в САПР ТП и АССП.
2. Методика представления процесса проектирования (ПП) в САПР ТП, включающая: способ декомпозиции ПП на уровни; способ организации проектных процедур; способ критериальной оценки в параметрах проектируемого объекта рассматриваемого уровня и технологических подразделений; способ представления знаний; модели технологических подразделений, реализующих ТПр, модели ТПр на уровнях декомпозиции; механизм накопления знаний.
3. Формальная система проектных функций и моделей, позволяющая преобразовывать информационное описание состояния детали, соответствующее заготовке, в описание состояния, соответствующее готовой детали. Система продукций основана на: иерархическом комплексе системно-технологических закономерностей, отражающих экономические, организационные и технологические принципы проектирования ТПр и системную интеграцию агентов в ПС; генерации множества вариантов; реализации связей с другими агентами ПС.
4. Методика автоматизированного сопровождения на основе системы формальных моделей для автоматизированного построения объемных, календарных, оперативных планов и диспетчирования, обеспечивающая эффективное сопровождение процессов изготовления деталей и отражающая иерархию процессов планирования и управления в организации. Методика основана: на анализе и распознавании текущего состояния в ПС; на анализе и выборе приоритетных схем прохождения деталей по операциям; на реализации обратных связей на всех уровнях сопровождения и связей с другими агентами ПС.
5. Методика автоматизированного формирования и выбора иерархических приоритетных схем для построения календарных планов-графиков прохождения деталей по операциям на основе соотношения «разряд-группа-вид работ» и распознавания ситуации в ТП, отражающая иерархию целей в производственной системе.
6. Методика проведения проектных работ и использования программных средств, распределение функций в рамках ПС, САПР ТП и АССП.
Связь работы с научными темами и программами. Результаты работ получены в ходе проведения хоздоговорных НИР: с ОАО «Бежецксельмаш» (г.Бежецк) по теме «Автоматизация проектирования технологических процессов» (1986-1988 гг.), с ОАО «Тверской экскаватор» (г.Тверь) по теме «Повышение эффективности проектирования технологий» (1985-1987 гг.), с администрацией области по темам «Разработка компьютерных технологий проектирования технологических процессов» (1999 г.) и «Разработка компьтерных технологий размерного анализа» (2001 г.); госбюджетных НИР Тверского государственного технического университета « Разработка проекта учебной САПР ТП для ГПС» (1995- 2003гг.), «Разработка программных средств размерного анализа конструкций» (2002-2004), «Разработка программных средств размерного анализа технологических процессов» (2005-2007), «Разработка автоматизированной системы проектирования и управления технологическими процессами» (2008-2010 гг.); НИР в рамках федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России в 2008-2013 годах».
Апробация работы. Результаты работ докладывались и обсуждались на Республиканских научно-технических конференциях «Усовершенствование технологической подготовки машиностроительных и приборостроительных предприятий с применением средств вычислительной техники» (г. Таллин, 1979), «Автоматизация проектирования и производства с применением ЭВМ и числового программного управления в машино- и приборостроении» (г. Таллин, 1984) и «Создание гибких комплексов в машиностроении на базе станков с ЧПУ и промышленных роботов» (г. Киев, 1985), научно-технической конференции «Проблемы и эксплуатация гибких производственных систем» (г. Саранск, 1986), межреспубликанской научно-технической конференции «Проблемы автоматизации технологических процессов в машиностроении» (г. Волгоград, 1989), Юбилейной научно-технической конференции (г.Тверь, 1998), на региональной научно – технической конференции «Современные проблемы развития и совершенствования учебного процесса» (г. Самара, 2000), научно- практической конференции «Актуальные проблемы развития машиностроительного комплекса тверского региона» (г. Тверь, 2001), двенадцатой национальной конференции по искусственному интеллекту с международным участием (г.Тверь, Россия, 2010).
Внедрение результатов. Результаты работ внедрены и используются при проектировании технологических процессов, сопровождении и управлении технологическими процессами в ООО «Нефтегазгеофизика» (г. Тверь), Научно-производственном филиале «Центргеофизика» ООО «Георесурс» (ОАО « Газпром», г. Кимры), ОАО Научно-производственной фирме «Геофизика» (г. Уфа), ОАО «Исток» (г.Тверь), ОАО «Тверской экскаватор» (г. Тверь).
Научные и практические результаты переданы в эксплуатацию и используются при выполнении НИР, подготовке специалистов и магистров по направлениям «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» и «Автоматизация и управления» в Тверском государственном техническом университете.
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 40 печатных научных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 361 странице машинописного текста, включающих 121 рисунок, 11 таблиц, 5 приложений, список использованной литературы (251 наименование).
Анализ современных систем технологической подготовки производства
На рубеже 1985-86 гг. в СССР структура машиностроения была следующей: до 10% - предприятия массового производства, до 12% - предприятия крупносерийного типа производства, до 60% - предприятия среднесерийного типа. Этими предприятиями, по различным оценкам [120,186 и др.], выпускалось от 90% до 93% объема машиностроительной продукции, на них использовалось специальное, специализированное и автоматизированное оборудование. На предприятиях данного типа в связи с постоянством основной номенклатуры выпускаемых изделий и больших годовых программ выпуска ТПП и организационные вопросы решаются достаточно детально. Внедрялись и использовались системы автоматизированного управления предприятиями (АСУП) и САПР ТП, позволяющие поднять управленческие вопросы и ТПП на принципиально новый научно-инженерный уровень. Так скажем, до 80% предприятий указанных типов использовали ЭВМ в ТПП, АСУП существовало в том либо ином виде на 70-75% предприятий, средний коэффициент загрузки оборудования по времени составлял в массовом производстве- 90-95%, крупносерийном- 85-90%, среднесерийном- 80-85%. Специализация предприятий открывала возможности для высокоэффективного производства и внедрения прогрессивных методов управления.
К настоящему времени доля предприятий ЕДП и МСП (к которым относилось и относится геофизическое приборостроение) в России и за рубежом увеличилась до 35-40%. Значительная часть предприятий геофизического приборостроения, в связи со спецификой изделий, занята выпуском своих разработок, отличающихся высокой наукоемкостью, и успешно конкурирующих с зарубежными. Предприятия ГФП по причине небольшого объема выпускаемой продукции оказались в стороне от вопросов совершенствования ТПП и управления и научных разработок, касающихся этих вопросов. На них не выполняется детальная ТПП, ограничивающаяся маршрутным описанием ТПр и нормированием на основе укрупненных нормативов. По существу, разработчикам подробной технологии, реализуемой на станке, является1 рабочий и (или) мастер, дающий ее словесное описание. Управленческие вопросы, связанные с очередностью запуска изделий, решаются цеховыми диспетчерами, при необходимости срочного выполнения заказа его пропускают вне очереди, создавая проблемы с остальными из-за неминуемых сбоев в производстве. Вопросы управленческого характера не решались и в силу недостаточной точности расчета временных затрат на операциях. На предприятиях ГФП коэффициент использования оборудования по времени составляет всего от 40 до 60%.
В САПР ТП для ГФП требуется высокая формальность процесса принятия технологических решений с целью сокращения сроков ТПП. Учитывая большое разнообразие конструкторско-технологических характеристик деталей, САПР ТП должны быть достаточно универсальными, в отличие от используемых в массовом и крупносерийном производстве. До середины 80-х годов проводились работы в области создания универсальных САПР с элементами ИИ, однако с развитием диалогового режима проектирования, данное направление не исследовалось [79,90,99]. Сложные задачи технологии остались за человеком, а в автоматическом режиме выполняются расчетные задачи, поиск справочно-нормативной информации (оборудование, оснастка, инструмент), оформление технологической документации. В результате удалось сократить время разработки ТПр деталей средней сложности с 30-40 до 13-15 часов, что явно недостаточно для ГФП. К примеру, в них на 1-м рабочем месте в месяц может выполняться более 30 неповторяющихся операций, что означает такое же число вновь проектируемых (или перепроектируемых) ТПр. Учитывая трудоёмкость разработки ТПр, можем легко определить, что разработчиков технологий в этом случае надо иметь больше, чем производственных рабочих. Другой особенностью ТПП в ГФП является необходимость учета динамики ТП, способа организации ТПр, целевой функции конкретного заказа, задаваемой СУО, т.е. решения организационно-технологической задачи.
Основные усилия предприятий ГФП были направлены на оснащение производств оборудованием с ЧПУ и системами автоматизированной подготовки управляющих программ для них, реализующим разработанную человеком технологию; снижение потерь [45,172,203,223] всех видов (стоимостных, временных) под контролем цехового менеджмента разной квалификации.
Производство приборов и оборудования для исследования нефтяных и газовых скважин всегда отличалось выпуском небольшими партиями. За последнее десятилетие, в связи с увеличением добычи энергоносителей и объемов разведочных работ, объективно возросла и потребность в приборах и оборудовании, одновременно расширилась и гамма приборов. Решением этой задачи занимается целый ряд научно-производственных фирм (г.г.Тверь(2), Уфа, Кимры, Томск, Ноябрьск, Краснодар и др.), разрабатывающих и выпускающих широкий спектр оборудования и приборов малыми партиями под конкретных потребителей. Планы предприятий в течение года постоянно накапливаются, что заставляет пересматривать календарные сроки изготовления приборов по контрактам в ПС. Контракты разнятся по целевым установкам их выполнения (с минималь 18
ной себестоимостью, в минимальные сроки и т.д.), однако программных средств для оперативных корректировок не имеется.
Таким образом, исследования в данной области являются актуальными и востребованными в ГФП. Указанные недостатки и противоречия (см. также стр. 10) позволяют осуществить постановку проблемы, имеющей важное значение для отечественного геофизического приборостроения - повышение эффективности функционирования производственных систем ГФП путем сокращения сроков и совершенствования ТІ И і и планово - организационного сопровождения производства изделий. В рамках данной проблемы актуальны постановка и решение научной проблемы - создание теоретических основ для построения автоматизированных систем проектирования технологических процессов и сопровождения изготовления изделий (АССП) в ПС геофизического приборостроения.
Понятие «производственная система» (ПС) не оговорено строгими терминами в технологии машиностроения и в практике механообрабатывающих производств. Учитывая специфику настоящей работы, введём следующую его формулировку. ПС- это совокупность технологических подразделений (ТП), проектных, управленческих и контролирующих служб, обеспечивающих выполнение производственной программы. ТП- участки производственных площадей, оснащённые в соответствии с выполняемой на них работами. ТП для предприятий, занимающихся выпуском геофизических приборов, в своём составе имеют, как правило, следующие участки.
Исследование связей элементов производственной системы
Каждый оператор преобразования будет описываться- условиями, характеризующими возможность его применения и целевой функцией (ожидаемыми результатами) его применения. Система знаний PC с элементами ИИ должна иметь четыре основных момента: формальное выражение знаний (представлений), их накопление, корректировка и исследование в процессе решения задач. Накопление знаний (обучение) следует в решающих системах, осуществляющих процесс проектирования, следует рассматривать с двух сторон [152]. С одной стороны это получение готовых знаний напрямую из ПС или от проектировщика в режиме диалога путем: а) накопления множества фактических данных на основе отслеживания результатов применения решений в ПС; б) установления между ними и принимаемыми решениями соотношений.
Вторая сторона вопроса связана с обучением и накоплением методов решения задач. Это также может производиться в режиме диалога и, что намного труднее, самой решающей системой. Важным в системах с элементами ИИ является сохранение смыслового содержания при построении и использовании формальных моделей и методов решения задач.
Планирование решений (разработка последовательности решения задачи) - основная задача систем с элементами ИИ (Б на рис. 3.3.). Синтез решений должен осуществляться на основе поставленных целей и имеющегося (в т.ч. накопленного) знания, формализованного в способах его представления. Цели задаются пользователем системы (это, как правило, формализованные директивы). При синтезе планов необходимо широко применять дедуктивные механизмы поиска решений, определяющие последовательность применения операторов, пригодных для использования и выбираемых из накопленного набора. Как правило, на каждом этапе буду иметься разные альтернативы по выбору возможных операторов преобразования информации, поэтому чисто дедуктивные механизмы обеспечивали бы организацию практически полного перебора вари антов, что крайне неэффективно, а зачастую и невозможно с точки зрения критериев эффективности PC. Именно поэтому наложение семантического (смыслового) содержания на дедуктивные механизмы позволяет сделать выбор направленным. Не менее важна и реализация возможности обобщать уже синтезированные решения, используя их как «макрооператоры», обучаясь решать более сложные задачи за меньшее число шагов. Здесь главным является соотнесение информационной модели с полученным результатом, умение распознавать образы задачи и относить новую задачу к группе решенных ранее.
Важной задачей при функционировании PC с элементами ИИ является оптимизация взаимодействия подсистемы знаний, подсистемы планирования решений и внешних по отношению к PC элементов [91]. Такое взаимодействие должно предполагать наличие обратных связей, позволяющих производить корректировку состояние ПС и разрабатывать ТПр и планы, соответствующие реальным фактам, имеющим место в ПС. ПС выполняет определенные последовательности действий, соответствующие операторам плана, а таюке сообщает о необходимости корректировки плана (информационного описания действий) в случае несоответствия реального состояния управляемых объектов ПС и их моделей. Основным источником информации для САПР ТП и АССП о состоянии ПС является пользователь-оператор.
Рассмотрим формы представления знаний и условий решаемой задачи [39,91,152,229]. Возникает дилемма: можно строить представления, которые были бы достаточно универсальными, т.е. допускали описание большого класса производственных систем и задач. С другой стороны, представления должны позволять использование современных методов в отношении качества решаемых задач и потребных для решения-ресурсов. Требования общности представления и мощности применяемых в PC методов являются противоречивыми. Это приведет к тому, что, пытаясь сделать общую постановку задачи в системах с ИИ, мы вынуждены будем оснастить их достаточно универсальными и, поэтому слабыми, методами решения задач. Учитывая указанную зависимость, выбор представления является важным аспектом, определяющим с одной стороны простоту описания задачи, а с другой - эффективность ее решения. Определяя представления, надо исходить из ранее сформулированных понятий и требований, представленным к PC с элементами ИИ, среди которых важны две их стороны: способность хранить, накапливать, обобщать и корректировать знания (эпистемологическая сторона), и способность использовать знания вместе с поставленной целью для нахождения эффективных решающих процедур (эвристическая сторона). В знание включаются не только факты, но и универсальные и специализированные методы решения задач.
Эпистемологически полное представление, или представление в общем смысле, определяется как совокупность всех формальных описаний, всех фактов (состояний, преобразованиях) о ПС и всех других внешних подсистемах решающей системы, необходимых для решения определенного класса задач в соответствии с функцией PC [152].
Эпистемологически адекватное представление определяется как представление, которое пригодно для практического использования при решении задач. Такое представление включает наиболее значимые формальные описания, обеспечивающие заданный уровень качества получаемого решения. Эвристически адекватным представлением будет считаться представление, которое допускает лингвистическое выражение последовательности действий, приведших к решению задач. Это означает возможность на практике применения к эвристически адекватным представлениям интеллектуальных моделей поиска решений [152].
В исследование мы будем исходить из того факта, что представления и стратегия поиска решения являются основными и взаимосвязанными составляющими процесса преобразование информации в PC, при этом стратегия поиска решения должна определяться относительно эвристически адекватного представления, а выбор эвристически адекватного представления должен ориентироваться на последующее применение эффективных решений [152].
Упоминавшаяся ранее обратная зависимость между общностью представления- и мощностью решающих процедур предполагает вывод о том, что чем более специализированным будет являться представление, тем больше вероятность построения эффективной модели поиска решений. Поэтому, логически обоснованным может быть такой подход: эпистемологически полное описание следует использовать в качестве постановки задачи для PC, а для процесса решения следует использовать последовательные преобразования представлений, заканчивая специализированными эпистемологическим и эвристически адекватным представлением, в котором и определится эффективный способ поиска решения [91,152]. Можно заметить, что данный подход корректно укладывается в рамки иерархического подхода к исследованию систем, где наивысшим уровням иерархии соответствует наиболее полное описание, однако не позволяющее эффективно получать точные параметрические решения, зато специализированное описание нижних уровней системы предполагает применение точных процедур решения.
Выявление закономерности декомпозиции процессов проектирования в решающих системах
Рассмотрим принципиально возможные схемы организации многоуровнего 1111. Одним из подходов, который реализуется при создании САПР ТП и АССП, является метод полного перебора возможных вариантов, полученных с помощью графа решений, и выборе оптимального на последнем уровне [95,201]. Разновидность метода- ветвление только на отдельных уровнях, и синтез на остальных одного варианта структурного (чаще) или параметрического (реже) решения. В САПР ТП такой подход имеет место при постоянной номенклатуре обрабатываемых изделий, ТПр для которых унифицированы. В этом случае на всех уровнях синтезируется по одному варианту, исключение составляет последний уровень, где производится параметрическая оптимизация режимов резания. По методу полного перебора могут быть решены и некоторые частные задачи технологического проектирования, скажем последовательность переходов в операции и т.п. Такие процедуры поиска оптимального решения отличаются весьма низкой эффективностью вследствие больших затрат времени и высокой стоимости. Затраты на создание системы могут быть несколько ниже из-за более простых, с точки зрения применяемого математического аппарата, методов обработки моделей.
Принципиально возможным мог бы представиться такой подход [95,201]: на каждом уровне ПП, где общее число вариантов оказывается приемлемым, производится выбор оптимального варианта по методу полного перебора, затем на следующем уровне производится ветвление решений, полученных из этого оптимального варианта и т.д. Однако этот подход обладает определённой ограниченностью в связи с тем, что в настоящее время нет математического доказательства того, что сумма локальных критериев приводит к глобальному (т.е. получение оптимальных решений на высших уровнях не означает получение оптимального решения на низшем уровне), а также тот факт, что на высших уровнях решения во многом носят структурный характер. Следовательно, для повышения эффективности расчетов, ускорения сроков ТПП в ПС, необходимо осуществлять отбор нескольких, близких к оптимальным решений на каждом уровне ПП в САПР ТП и АССП. Поэтому, на каждом уровне должен предусматриваться определитель эффективности, следовательно, появляется задача формирования множества критериев=на уровнях ПП. Однако ввиду того, что результаты решения в АССП и САПР ТП на высших уровнях иерархии из-за малой степени их детализации, трудно оценить в параметрах общего решения (в соответствии с целевой функцией), оценки должны носить логический характер. Критерии должны носить комплексный характер, учитывать опыт проектирования подобных систем, традиции ПС, производительность, экономичность, закономерности построения ТПр (в САПР ТП) и управления работой ТП(вАССП).
Одним из выходов из создавшегося положения является метод диалогового проектирования, широко используемый в САПР ТП и АССП. При диалоговых методах проектировщик после осуществления проектирования на каком-либо уровне (которые структурно не выделены), производит отбор наиболее эффективных (или одного решения), с его точки зрения решений, руководствуясь опытом и интуицией.
Следовательно, проектирование будет вестись по итерационному циклу. Такие методы поиска решений отличает высокий уровень субъективности, что не гарантирует получение близких к оптимальному результату; а так же непредсказуемая длительность поиска решения, определяющаяся классификацией оператора-проектировщика. Это ограничивает применение диалоговых методов для предприятий ЕДП и МСП. Таким образом, весьма эффективным совершенствования 1111 является описание системы критериев на уровнях в виде, позволяющем формально отбирать решения без активного участия проектировщика-оператора.
Проблема выбора критериев оценки решений всегда представляла интерес для исследователей, например общеметодологический подход можно увидеть в [50,68,118,197]. Отмечается, что принцип отбора должен отвечать следующим разновидностям эффективности - эффективности в универсальном и синтезированном значениях. Смысл универсальной эффективности подразумевается, как общее название любого из практических достоинств. Таким образом, точность, производительность, удобство и т.д. - разновидности универсальной эффективности. Эффективность в синтезированном смысле - совокупность практических достоинств. Праксеология на первое место в? списке универсальных эффективностей выдвигает результативность, которую следует относить не только к действию, но и к способу действия. Более результативным является способ, который обеспечивает большую результативность действия (большую вероятность достижения желаемого результата). При оценке результативности, как мы можем видеть, не учитываются отрицательные результаты (потери, отрицательно оцениваемые эффекты) и положительные, которые нельзя заранее предвидеть.
Полезность - вид эффективности, относящийся как к результату, так и затратам по реализации действий, и оценивается как разница между полезностью достигнутого результата и затратами на его достижение. ,
Экономичность рассматривается как отношение полезного результата к средствам, затраченным на реализацию этого действия.
Иногда приводятся такие виды универсальной эффективности как производительность, точность, гибкость применения, надежность, рациональность и т.д., которые, на наш взгляд, скорее можно отнести к ограничениям, в рамках которых определяются показатели эффективности.
Таким образом, разновидности универсальной эффективности носят синтетический характер, расчленяющий общую оценку на ряд аспектов, каждый из которых соответствует одному критерию. Обобщенную оценку даст понятие суммарной эффективности, что соответствует ее понятию в синтезированном смысле.
Как можно понять, такого рода оценки достаточно полезны для определения целесообразности всего (комплексного) технического решения, но не отвечают на вопрос, как должны строиться оценки решений на уровнях процесса проектирования.
Изложим наши соображения по этому поводу.
1. Учитывая укрупненное представление результатов решения на высших уровнях ПП и тот факт, что решение зачастую имеют структурный вид и прямая оценка решений высшего уровня проектирования в параметрах низшего (соответствующих целевой функции), затруднительна, то оценка промежуточных решений должна иметь логический характер.
2. Очевидно, однофакторной параметрической оценкой учесть промежуточные результаты невозможно, так как результат решения зависит от целого комплекса аргументов.
3. Важнейшим условием формирования системы критериев на уровнях ПП является их логическая связанность, суть которой состоит в следующем. Выбирая критерий, мы должны логически суметь обосновать его эффективность с точки зрения целевой функции ПП в целом.
Исследование структуры процесса технологического проектирования
На втором шаге итераций этапа 2 определяется следующий интервал Т2 = С2- Cj {С2, Сі - сроки выполнения изделий по 2-му и 1-му контракту).
Для этого интервала повторяют все действия, соответствующие интервалу Т], в зависимостях используют временные характеристики, исходя из длительности Т2, коэффициенты загрузки и циклы изготовления изделий подсчи-тываются, исходя из объема перераспределенных на шаге 1 работ; информация ALj передается в подсистему С. Переходят к следующему шагу итерации вплоть до времени выполнения последнего годового контракта.
Это вызывает необходимость выполнения многоэтапных, многошаговых итераций с постепенно уменьшающимся объемом перераспределяемых работ, и возвратом на предыдущий шаг (этап). После завершения процедур по всем ТП временная структура ОПЛ сформирована в соответствии со сроками контрактов. Дальнейшая детализация временной структуры ОПЛ на месяц (декаду) осуществляется, исходя из равномерной загрузки ТП на периоды выполнения контрактов (Г/, Т2 и т.д.) и сроков опережения запуска деталей (по отношению к окончанию соответствующих контрактных периодов) по методике, применяемой в серийном производстве [73,88,121,140,167]. После уточнения ОПЛ переходят к расчету КПГ (оперативных планов). Последовательность шагов разработки ОПЛ приведена на рис.5.6.
Подсистема оперативного планирования (ОПР) обеспечивает составление календарных план - графиков (КПГ) прохождение деталей по операциям (рабочим местам, участкам ТП), т.е. формирование краткосрочных планов. Принятия решений осуществляется по имеющейся в данный момент времени ситуации в тп.
Основой КПГ является сетевое планирование [12,20,24,103,176,230,236], позволяющее осуществлять прогнозирование, управление, оценку затрат времени и контроль. Это определяет единый подход в подсистемах ОПР и диспетчи-рования (ПД). Способом его реализации является календарный сетевой график, отражающий структуру КПГ. Структура КПГ определяется анализом длительности циклов изготовления деталей (изделий), в которых находят отражение различные виды работ: действительные, сопровождаемые затратами времени и ресурсов; работы ожидания, требующие только времени; фиктивные, отражающие лишь логическую связь между действиями. Работы связывают между собой события, характеризующие определенное состояние деталей в ТП, следовательно, совокупность состояний деталей будет характеризовать и состояние управляемого объекта (ТП). Состояние деталей следует различать следующих видов: исходные, которым не предшествуют никакие работы; промежуточные, представляющие результат одной или нескольких работ; завершающие, соответствующие поставленной цели. Действительные работы в нашем понимании и терминологии соответствуют технологическим операциям. КПГ прохождения деталей по операциям подлежат процедурам оптимизации с целью выполнения работ с заданными сроками. Оптимизация должна выполняться исходя из резерва времени.
Основой для построения КПГ служат данные (Е), полученные из подсистемы объемного и календарного планирования, по номенклатуре изготовляемых изделий (или объемах работ в трудоёмкостях) с разбивкой по месячным периодам в пределах интервала выполнения текущего контракта, и сведения из САПР ТП по маршрутам обработки деталей с нормами времени (М2).
На первом этапе устанавливается ИОП, на который разрабатываются КПГ. В течение ИОП параллельно с выполнением операций на оборудовании производится диспетчирование, делается пересчёт КПГ на новый ИОП. Пересчёт заключается в разработке новых оперативных планов на оставшийся период, в дополнении планов, в смещении времен запуска новых партий деталей и т.д. Необходимость корректировки планов возникает из-за отказов оборудования, отсутствия заготовок, болезней и отпусков рабочих, изготовления брака, внеплановых заданий и т.д. Поэтому необходимость корректировок плана должна быть предусмотрена. Возможность такого оперативного воздействия и появляется за счёт деления всего календарного периода на ИОП.
Суть процедуры управления сводиться к тому, что к концу первого ИОИ определяется фактическое выполнение КПГ, пересчитываются КИР на 2-ой (исходя из; фактического выполнения плана 1-го) и т.д.
Величина ИОН во многом- определяется чёткостью и оперативностью» различных планирующих служб предприятия, САПР ТИ; умением1 мастеров ТТТ активно вмешиваться в ход ТПр и управлять резервами времени и объемами выпуска изделий; составом оборудования ТИ и т.д.
Возможность корректировки была предусмотрена при составлении ОПЛ на предыдущем уровне АССП ограничением предельной загрузки оборудования в ТИ - 1 условие. Вторым условием, позволяющим осуществлять эффективное управление, является наличие, наряду с плановыми, и дополнительных работ с более поздними, нежёсткими сроками исполнения.
Помимо глобальных резервов времени (1 и 2 условия) должны, быть и локальные [140];, которыми управляют мастера ТП (агенты {R}}). Локальные резервы; по оборудованию образуется за счёт резервов времени по циклу (см. ниже), движения деталей не по критическому пути КИТ, выделения части объёмов: несрочных работ в непосредственное управление мастерам, перераспределения работ между сменами и т.д. Использование станков с ЧПУ - эффективный рычаг создания локальных резервов за; счет: а) заблаговременной подготовки управляющих программ; б) группирования, деталей по схожими элементами (модулями), что сокращает время наладки (переналадки); в) организации; многостаночного обслуживания (по данным базового предприятия, двухстаночное обслуживание станков с ЧПУ позволяет достичь выработки - 180%, трёхстаноч-ное - 220%); г)1 интенсификации режимов резания при использовании: современного режущего инструмента.
Локальные резервы позволяют осуществлять корректировку планов мастерами (диспетчерами); в рамках ИОП; не прибегая к пересчёту КПГ. С помощью локальных резервов можно скорректировать незначительное отклонение от КПГ, но этого бывает достаточно.
При возникновении значительных отклонений, не скомпенсированный локальным резервом объем работ требуется выполнить в следующем ИОП. Для этого оперативно пересчитывается КПГ на следующий ИОП за время работы ТП по старому. Обычно ИОП в условиях крупносерийного и массового производства составляет 7-10 календарных дней, а уточнение КПГ идёт через один период, что явно неприемлемо в условиях ГФП. Учитывая это, на базовом предприятии ИОП принят равным 5-ти рабочим дням для каждой смены.
