Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния лесопромышленного комплекса и проблемы повышения эффективности его функционирования и развития 13
1.1. Анализ состояния лесопромышленного комплекса 13
1.2. Анализ исследований в области моделирования интегрированных наукоёмких производств и поддержки жизненного цикла продукции 18
1.3. Анализ исследований в области автоматизации производительных систем и интеллектуальной поддержки принятия решений 31
1.3.1.Общая характеристика методов и средств моделирования деятельности предприятий 31
1.3.2.Характеристика средств моделирования деятельности предприятий и производственных систем 36
1.3.3. Анализ существующих подходов, используемых при создании, эксплуатации и развития систем автоматизации проектно-производственной деятельности в машиностроении 46
1.4. Основные проблемы и пути повышения эффективности лесопромышленного комплекса 51
1.5. Выводы, цель и задачи исследования 55
Глава 2. Структурное моделирование проектно-производственной среды лесопромышленного комплекса 57
2.1. Представление метасистемы лесопромышленного комплекса, составляющих систем и межсистемных связей 57
2.2. Методы и средства концептуального моделирования метасистемы лесопромышленного комплекса 59
2.2.1. Описание подходов к структурированию систем 59
2.2.1.1. Описание предметной области 59
2.2.1.2. Статические модели систем 60
2.2.1.3. Динамические модели систем 65
2.2.1.4. Пути повышения эффективности систем 67
2.2.2. Разработка концептуальной модели структурирования объектов и процессов 68
2.2.2.1. Технология структурного моделирования 68
2.2.2.2. Обзор типовых структурных моделей 71
2.2.2.3. Концептуальная модель структурирования систем 75
2.3. Концептуальная модель метасистемы лесопромышленного комплекса 79
2.4. Моделирование процесса проектирования метасистемы лесопромышленного комплекса 82
2.5. Выводы 83
Глава 3. Разработка методов структурного моделирования метасистемы лесного хозяйства 84
3.1. Структура системы лесного хозяйства 84
3.2. Структура лесных насаждений 85
3.3. Разработка классификации свойств лесных насаждений 90
3.4. Разработка классификация свойств технологических машин лесопромышленного комплекса 92
3.5. Структурное моделирование лесозаготовительных и лесообрабатывающих процессов 97
3.5.1. Технология лесозаготовки 97
3.5.1.1.Современные тенденции технологических процессов лесозаготовок 97
3.5.1.2.Системы машин для заготовки сортиментов 99
3.5.1.3. Системы машин для заготовки хлыстов 103
3.5.2. Разработка структурной модели лесозаготовительного процесса 106
3.5.2.1. Функциональная модель лесозаготовительного процесса 106
3.5.2.2. Структурная модель лесозаготовительного процесса 107
3.5.3. Постановка задачи для реализации 112
3.5.4. Лесозаготовка хлыстами 113
3.5.5. Лесозаготовка сортиментами 116
3.5.6. Структурирование лесообрабатывающего процесса 116
3.6. Разработка алгоритма подбора систем лесозаготовительных машин 126
3.7. Выводы 132
Глава 4. Разработка методов структурного моделирования метасистемы лесного машиностроения 133
4.1. Структура метасистемы лесного машиностроения 133
4.2. Структурное моделирование машин лесопромышленного комплекса 136
4.2.1. Структурная модель технологической машины лесопромышленного комплекса 136
4.2.2. Схемы членения конструкции технологической машины 143
4.2.3. Моделирование технологической машины лесопромышленного комплекса с учетом процессов технического обслуживания и ремонта 150
4.2.4. Взаимосвязи этапов жизненного цикла технологической машины лесопромышленного комплекса 153
4.3. Структурное моделирование процесса проектирования и производства машин лесопромышленного комплекса 158
4.3.1. Обобщённая математическая модель процессов создания и эксплуатации технологической машины 158
4.3.2. Структурное моделирование процесса конструирования технологической машины 164
4.3.3. Структурное моделирование процесса технологической подготовки производства технологической машины 164
4.3.4. Структурная модель процесса эксплуатации технологической машины 169
4.3.5. Моделирование технической подготовки производства технологической машины с учётом эксплуатации. Формализация воздействий на технологическую машину 169
4.4. Структурное моделирование технической эксплуатации машин лесопромышленного комплекса 170
4.4.1. Эксплуатация технологических машин лесопромышленного комплекса 170
4.4.2. Формализация процесса функционирования системы контроля работоспособности технологических машин лесопромышленного комплекса .175
4.4.3. Математическая модель системы контроля работоспособности технологической машины лесопромышленного комплекса 177
4.4.4. Структура системы восстановления работоспособности технологических машин лесопромышленного комплекса 182
4.4.5. Анализ процессов восстановления работоспособности технологических машин лесопромышленного комплекса 182
4.4.6. Методы восстановления работоспособного состояния техники лесопромышленного комплекса 184
4.4.7. Формализация процесса функционирования системы 185
восстановления работоспособности технологических машин лесопромышленного комплекса 4.4.8. Подсистема технического обслуживания 186
4.4.9. Подсистема ремонта 187
4.4.10 Математическая модель системы восстановления работоспособности технологических машин лесопромышленного комплекса 188
4.5. Выводы 192
Глава 5. Разработка методологии информационного обеспечения лесопромышленного комплекса 193
5.1. Система информационного обеспечения задач лесопромышленного комплекса 193
5.2. Разработка методики создания распределенной базы данных лесных насаждений 197
5.3. Разработка методики системы актуализации базы данных таксационной и картографической информации 202
5.4. Разработка методики автоматизированной обработки данных дистанционного зондирования лесных насаждений 206
5.5 Выводы 214
Глава 6. Формирование интегрированной информационной среды и применение её к задачам лесопромышленного комплекса 215
6.1. Формирование информационной среды для управления лесопромышленным комплексом 215
6.1.1. Разработка системы управления лесными насаждениями 216
6.1.2. Организация системы охраны лесов от пожаров на основе пространственных данных 220
6.1.2.1. Проектирование и планирование противопожарных мероприятий на основе ИС «АрхлесГИС» 221
6.1.2.2. Патрулирование и обнаружение загораний с использованием средств ИС «АрхлесГИС» 222
6.1.2.3.Информационная поддержка управления тушением лесных пожаров 222
6.1.2.4. Оценка последствий лесных пожаров и проектирование реабилитационных мероприятий 223
6.1.3. Проектирование и эксплуатация сети лесовозных дорог с учетом природных факторов 224
6.2. Разработка системы информационной поддержки задач лесопользования 229
6.3. Моделирование работы комплекса лесных машин 230
6.4. Выводы 239
Заключение 240
Список использованной литературы 242
Приложение 1 256
Приложение 2 266
Приложение 3 288
- Анализ исследований в области моделирования интегрированных наукоёмких производств и поддержки жизненного цикла продукции
- Обзор типовых структурных моделей
- Обобщённая математическая модель процессов создания и эксплуатации технологической машины
- Моделирование работы комплекса лесных машин
Введение к работе
Актуальность темы. Экономика страны находится под влиянием рыночных отношений, внутренних и внешних интеграционных процессов. Это, зачастую, приводит к изменению производственных и экономических связей хозяйствующих субъектов, вызванных укрупнением предприятий. Такие объединения, как холдинги, региональные кластеры, промышленные комплексы стимулируют развитие территорий, восстанавливают и укрепляют производственные связи на основе современных информационных и телекоммуникационных технологий.
Примером подобных объединений могут быть региональные нефтегазовые, горнодобывающие, лесопромышленные и другие комплексы. Они представляют собой сложные, территориально распределённые структуры, в которых для организации эффективного управления приоритетной задачей становится учёт материальных связей между отдельными производствами. Инновационное развитие производства требует непрерывного совершенствования применяемых технологических процессов и создания новой конкурентоспособной продукции при использовании ИПИ-технологии. Информацию о множестве объектов и процессов промышленного комплекса, используемых на всех этапах жизненного цикла выпускаемой продукции, необходимо представлять в едином информационном пространстве.
Большую проблему представляет исследование лесопромышленного
комплекса, в который входят разнородные по физической природе
объекты: биологические, технические, организационные,
информационные. Производства, сосредоточенные в этом комплексе:
машиностроительное, лесохозяйственное, лесозаготовительное,
лесообрабатывающее, лесоперерабатывающее ориентированы на лесные ресурсы. Продукцией отдельных производств могут быть: лес, пиловочник, пиломатериалы, щепа, целлюлоза, бумага, машины и оборудование и др. Лес, как вид возобновляемых природных ресурсов, является продуктом природы естественного или искусственного воспроизводства лесного хозяйства. Для управления лесными ресурсами при решении задач лесопромышленного комплекса необходима
информационная система управления лесами, которая должна
базироваться на ГИС-технологиях, методах обработки данных дистанционного зондирования земли и полевых исследований.
Конкурентоспособность лесопромышленного комплекса достигается за счёт синергетического эффекта от взаимодействия объектов, связанных в единую технологическую цепочку по потребляемым ресурсам, производимой продукции, информационным и транспортным связям. Лесопромышленный комплекс следует рассматривать как метасистему с учётом связей взаимодействующих производств.
Указанные обстоятельства требуют разработки новых моделей и методов представления процессов функционирования и развития лесопромышленного комплекса и обуславливают необходимость проведения научных исследований в этом направлении.
Объектом исследования являются процессы интегрированной информационной поддержки функционирования и развития лесопромышленного комплекса в составе систем лесное хозяйство, лесозаготовка, лесообработка, лесопереработка, лесное машиностроение.
Цель работы. Повышение эффективности функционирования и модернизации лесопромышленного комплекса за счет обеспечения непрерывной информационной поддержки принятия решений на основе создания системы автоматизации его проектно-производственной среды.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:
-
Исследование структуры метасистемы лесопромышленного комплекса.
-
Разработка теоретических положений для создания системы автоматизации проектно-производственной среды лесопромышленного комплекса.
-
Разработка методологии интегрированной информационной поддержки принятия решений для этапов и процессов жизненного цикла продукции лесопромышленного комплекса.
-
Разработка программных комплексов автоматизации проектно-производственной среды лесопромышленного комплекса.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с применением основных положений системного анализа, методов моделирования и проектирования сложных систем, теории множеств, теории графов формальной и математической логики, теории полихроматических множеств и графов, имитационного моделирования, объектно-ориентированного программирования. Функциональные и информационные модели процессов разработаны на основе универсальных CASE-средств и ИПИ-технологий.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
разработана модель метасистемы лесопромышленного комплекса, представляющая собой иерархическую структуру производительных систем, входящих в лесопромышленный комплекс;
разработан метод структурного моделирования, позволяющий формировать комплекс структурных моделей и связей между ними с учетом задач функционирования и развития лесопромышленного комплекса;
разработан комплекс методов информационной интеграции производительных систем лесопромышленного комплекса;
разработаны методы и алгоритмы интеллектуальной поддержки принятия решений в условиях автоматизированной проектно-производственной среды лесопромышленного комплекса;
разработана методология создания системы автоматизации проектно-производственной среды лесопромышленного комплекса, обеспечивающая непрерывную информационную поддержку его функционирования и модернизации.
Практическая значимость. Полученные в диссертации результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы для создания интегрированной среды информационной поддержки принятия решений в процессах функционирования и модернизации предприятий лесопромышленного комплекса, включающую:
методика формирования структурных моделей лесопромышленного
комплекса;
функционально-информационное обеспечение интегрированной
информационной поддержки продукции лесопромышленного комплекса на всех этапах жизненного цикла;
научно обоснованные рекомендации по созданию распределённой интеллектуальной информационной системы на основе использования ГИС-технологий и мультиагентной среды;
методика непрерывной актуализации распределённых баз данных о лесных ресурсах на основе интеграции наземных исследований, данных дистанционного зондирования земли и интеллектуальных методов;
методики структуризации информации процессов лесного комплекса с использованием понятийного аппарата формальной логики для создания конструкторско-технологических баз данных;
инструментальный программный комплекс поддержки принятия решений при проектировании и эксплуатации продукции лесопромышленного комплекса, позволяющий учесть специфику предметной области, минимизировать затраты на разработку и повысить эффективность использования информационных ресурсов;
комплекс программ имитационного моделирования процессов жизненного цикла продукции, интегрированный с распределённой базой данных лесных ресурсов
информационную базу по эффективным конструкторско-технологическим и организационным решениям, реализованным в виде инженерных приложений.
Полученные результаты носят межотраслевой характер и могут быть использованы в сходных по структуре промышленных комплексах.
Достоверность научных результатов и выводов подтверждается корректным использованием научных методов исследования, современного математического аппарата, экспериментальной проверкой и верификацией результатов моделирования, а также практикой применения разработанных средств информационной поддержки на предприятиях лесопромышленного комплекса.
Реализация результатов. Результаты диссертационной работы
использованы для создания автоматизированной проектно-
производственной среды промышленных предприятий лесного комплекса северо-запада России.
Результаты исследований по созданию системы интегрированной информационной поддержки жизненного цикла машиностроительных изделий используются ОАО «Архангельский механический завод», ОАО «Соломбальский машиностроительный завод», ОАО «Онежский тракторный завод».
Результаты исследований по интеллектуальной обработке данных дистанционного зондирования Земли, структурированию и актуализации баз данных о лесных ресурсах приняты к внедрению ИТЦ «СканЭкс».
Разработанная ГИС-система лесных ресурсов проходит апробацию на предприятиях лесного хозяйства и лесопользования, в Агентстве лесного хозяйства по Архангельской области и НАО.
Результаты исследований по интеграции процессов деревообработки и деревопереработки используются на деревообрабатывающих предприятиях региона, в том числе УК «Соломбалалес», ОАО «Лесозавод №3».
Разработанные методы информационной поддержки и моделирования процессов реализованы в виде информационно-программных комплексов и средств, а также компонентов экспертной системы, на которые получены свидетельства о регистрации программ.
Учебный вариант разработанного программного обеспечения используется в Северном (Арктическом) федеральном университете при подготовке научных и инженерных кадров для лесопромышленного комплекса.
Апробация и публикация работы. Основные научные и практические результаты работы доложены и обсуждены на тридцати пяти конференциях и семинарах, в т.ч. Международной конференции «Земля из космоса - наиболее эффективные решения» (Москва, 2005, 2009, 2011), Четвертой Всероссийской научно-практической конференции «Применение ИПИ-технологий в производстве» (Москва, 2006); Санкт-
Петербургской международной конференции «Региональная информатика
(РИ)» (Санкт-Петербург, 2004, 2006, 2010); Всероссийской научно-
технической конференции «Новые материалы и технологии (НИТ-2006)»;
Всероссийской научно-практической конференции «Интеграция науки и
образования как фактор устойчивого развития современной России:
региональный, федеральный и международный аспекты» (Архангельск,
2006); Международной научно-технической конференции
«Информационные технологии в науке, образовании и промышленности» (Соловецкие острова - Архангельск, 2005, 2006); Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии» (Липецк, 2006); Санкт-Петербургской международной научно-практической конференции «Проблемы подготовки кадров в сфере инфокоммуникационных технологий» (Санкт-Петербург, 2005); Всероссийской научно-практической конференции «Компьютерная интеграция производства и ИЛИ (САЬ8)-технологии» (Оренбург, 2005); Международной научно-технической конференции «Наука и образование» (Мурманск, 2005); Всероссийского совещания-семинара с международным участием «Дистанционные методы в лесоустройстве и учете лесов, приборы и технологии» (Красноярск, 2005); Международной конференции «САПР и систем информационной поддержки изделий» (Соловецкие острова, 2004); Международной конференции «Качество и ИЛИ (САЬ8)-технологии» (Судак, 2004); Научно-технического форума с международным участием «Высокие технологии 2004» (Ижевск, 2004); Международной научно-технической конференции «Современная наука и образование в решении проблем экономики европейского севера» (Архангельск, 2004); Международной конференции «Информационные технологии в управлении жизненным циклом изделий» (Санкт-Петербург, 2003); Третьей Санкт-Петербургской межрегиональной конференции «Информационная безопасность регионов России (ИБРР-2003)» (Санкт-Петербург, 2003); Всероссийской научно-практической конференции «Теория, проектирование и методы расчета лесных и деревообрабатывающих машин» (Москва, 1996), расширенном заседании кафедры «Технологического проектирования» МГТУ «Станкин».
Публикации. Основные положения диссертации отражены в 87 публикациях, в том числе в 18 статьях в периодических научных и научно-технических журналах, в которых ВАК рекомендует публикацию основных результатов докторской диссертации, 2 монографиях, 5 учебных пособиях, 8 свидетельствах Роспатента на программы для ЭВМ и 45 статьях в сборниках материалов международных, всероссийских научных конференций.
Вклад автора диссертации в работы, выполненные в соавторстве, и содержащиеся в них результаты, состоит в постановке задач, разработке теоретических положений и методических рекомендаций, в непосредственном участии во всех этапах прикладных исследований.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы из 193 наименований и трех приложений. Диссертация содержит 255 страниц машинописного текста, 65 рисунков и 24 таблицы.
Анализ исследований в области моделирования интегрированных наукоёмких производств и поддержки жизненного цикла продукции
В настоящее время обострение конкурентной борьбы требует от производителей сложной наукоемкой продукции искать резервы повышения эффективности производства, сокращения сроков создания изделия, повышения его качества и надежности. Частичной автоматизацией интеллектуальных и информационных процессов при создании таких изделий практически невозможно добиться существенного сдвига в решении этих проблем.
Анализ научно-технических публикаций и источников позволил выявить следующие характерные особенности современного машиностроительного производства:
- становление сферы информационных технологий инжиниринга, рынка предоставления информационных услуг имеет приоритетное значение для развития машиностроения;
- возрастает объем производства наукоемких изделий, разработки которых базируются на опережающих фундаментальных исследованиях;
- доминирующим фактором развития предприятий становится конкуренция при регулирующей роли государства;
- происходит реструктуризация предприятий для обеспечения выполнение полного жизненного цикла изделий и корпоративные стремления находят развитие в виде появлений виртуальных предприятий;
- индивидуализация заказов, частая смена моделей изделий приводят к возрастанию трудоемкости технической подготовки производства и относительному уменьшению трудоемкости самого производства;
- возрастает роль информационных технологий инжиниринга, существенным образом влияющего на все основные показатели экономики предприятия;
- расширение кооперации между предприятиями, расширение рынков сбыта изделий и сотрудничества предприятий приводят к необходимости создания для производств единой информационной базы;
- наметился переход к интеллектуальным машиностроительным предприятиям (ИМП), которые характеризуются не только единым информационным пространством и автоматизацией обработки и хранения производственных данных, но и формализацией производственных знаний с целью возможности автоматизации их получения, машинного использования при реализации всех функций производственной деятельности предприятия.
Создание виртуальных предприятий обусловлено необходимостью более полной координацией информационных потоков, циркулирующих в жизненном цикле сложных наукоемких изделий или услуг. Это обуславливает формирование гибкой, динамичной организационной системы, приспособленной для выпуска наукоемкой продукции и ее оперативной поставки на рынок за счет интенсивного взаимодействия реально существующих специалистов и подразделений различных предприятий, реализованной на основе новых информационных и коммуникационных технологий. Основной концепцией поддержки виртуальных предприятий является технология непрерывной информационной поддержки жизненного цикла продукции или ИПИ-технология.
В настоящее время любое наукоемкое предприятие для эффективного функционирования в условиях рыночной экономики должно иметь систему организации и ведения ее стратегического ресурса - интеллекта и информации - в виде корпоративных автоматизированных интеллектуальных и информационных систем, обеспечивающих оптимальную организацию этого ресурса и рациональное его использование на основе новых информационных, когнитивных и коммуникационных технологий для достижения основных целей предприятия.
Внедрение ИПИ-технологий связано с комплексным реформированием деятельности предприятия, включающим реформирование структуры его основной деятельности, организационной структуры и информационной среды или инфраструктуры.
В основу ИЛИ или CALS- технологий положена идея информационной интеграции стадий жизненного цикла продукции (изделия) [9,10]. Она состоит в отказе от «бумажной среды», в которой осуществляется традиционный документооборот, и переходе к интегрированной информационной среде, охватывающей все стадии жизненного цикла изделия. Информационная интеграция заключается в том, что все автоматизированные системы, применяемые на различных, стадиях жизненного цикла, оперируют не с традиционными документами и даже не с их электронными отображениями (например, отсканированными чертежами), а с формализованными информационными моделями, описывающими изделие, технологии его производства и использования. Эти модели существуют в интегрированной информационной среде в специфической форме информационных объектов. Системы, которым для их работы нужны те или иные информационные объекты, по мере необходимости могут извлекать их из интегрированной информационной среды, обрабатывать, создавая новые объекты, и помещать результаты своей работы в ту же интегрированную информационную среду.
На рисунке 1.1 представлена концептуальная модель CALS.
Основное содержание концепции CALS, составляют инвариантные понятия, которые реализуются (полностью или частично) в течение жизненного цикла (ЖЦ) изделия [9,11].
Эти инвариантные понятия условно делятся на три группы: базовые принципы CALS; базовые управленческие технологии; базовые технологии управления данными.
К числу первых относятся:
- системная информационная поддержка ЖЦ изделия на основе использования интегрированной информационной среды (ИИС), обеспечивающая минимизацию затрат в ходе ЖЦ; информационная интеграция за счет стандартизации информационного описания объектов управления;
- разделение программ и данных на основе стандартизации структур данных и интерфейсов доступа к ним, ориентация на готовые программно-технические решения, соответствующие требованиям стандартов;
- безбумажное представление информации, использование электронно-цифровой подписи;
- параллельный инжиниринг;
- непрерывное совершенствование бизнес-процессов.
К числу вторых относятся технологии управления процессами, инвариантные по отношению к объекту (продукции): управление проектами и заданиями; управление ресурсами; управление качеством; интегрированная логистическая поддержка.
К числу третьих относятся технологии управления данными об изделии, процессах, ресурсах и среде. Под технологией управления данными понимается комплекс методов, понятий (объектов), информационных моделей, правил использования, интерфейсов доступа к данным, необходимых и достаточных для работы сданным классом данных при решении различных задач в ходе ЖЦ изделия. Приведение совместно используемых в ходе ЖЦ данных к единой стандартизованной информационной модели существенно упрощает построение интегрированной информационной системы.
Обзор типовых структурных моделей
При определенных условиях данные о структурных свойствах различных объектов А, могут быть представлены в виде единой модели S(P), называемой структурной порождающей моделью, или моделью порождающей среды для данной группы объектов. Эта модель включает данные о предметной области, к которой относится объект, данные о возможных объектах, свойствах и отношениях, относящихся к объекту, данные о связях этого объекта с внешней средой. При структурном моделировании все характеристики моделируемого объекта описываются как свойства или цвета F(At).
Получение структурной модели объекта Диз S(P) осуществляется алгоритмическим путем и представляет собой процесс проектирования.
Проектным решением при структурном проектировании может быть:
- структура элементов и свойств объекта А, получаемая в результате воздействия обрабатывающей системы Р;
- структура элементов р,с?и свойств обрабатывающей системы, воздействующих на объект обработки А [78]. Данные о проектном решении получают из модели порождающей среды. При моделировании структуры объекта А порождающей будет модель S(A), содержащая данные о множестве элементов объекта и их структурных связях, а также о составе и структурных связях свойств. В математическом виде порождающая модель представляет собой полихроматический граф nG, дополненный, при необходимости, наборами теоретико-множественных, логических и количественных отношений между элементами и свойствами.
При проектировании наибольший интерес представляет набор операции для получения объекта проектирования. Исходными данными при проектировании являются данные об исходных и требуемых свойствах объекта А. Проектное решение может быть в виде простого набора р, с Р элементов порождающей системы, либо некоторой структуры из элементов р, (например, путь в графе). Для получения проектного решения можно использовать типовые структурные модели. Применение типовых математических моделей позволяет свести разнообразные по смысловому содержанию процессы проектирования к ограниченному набору проектных процедур и операций. В таком случае содержание алгоритма проектирования зависит только от математической модели решаемой задачи и не зависит от семантики данных. Данные об объекте влияют лишь на результат решаемой задачи. Это позволяет использовать одни и те же алгоритмы для решения различных задач, связанных с проектированием объектов.
Все задачи структурного проектирования, связанные с определением состава элементов и их взаимосвязи, могут быть сведены к шести типовым задачам определения структуры процесса или объекта:
- поиск единственного состава элементов;
- определение вариантов составов элементов;
- выбор состава элементов;
- поиск единственного состава связей;
- определение вариантов составов связей;
- выбор состава связей.
Каждая из этих задач решается с помощью различных типовых математических моделей. При этом варианты проектных решений либо заранее заложены в математическую модель при её разработке, и алгоритм обработки модели служит лишь для поиска этого решения в модели, либо решения заранее неизвестны, и определяются с помощью алгоритма обработки модели [79].
Типовые структурные модели порождающей среды классифицируются в зависимости от структурных свойств порождающей модели и проектного решения, а также характера унификации получаемых проектных решений. Свойства порождающих моделей S(P) представляются набором свойств F(S) = {Fp,Fnp,FXp,Fc,Fnc,FG}.
Свойство F =1, если во всех вариантах проектных решений Р ,Pf,..., соответствующих одному и тому же обрабатывающему объекту А,, состав элементов одинаков, т.е. Р[ =Р" =..., и Fp = 0 в противном случае.
Свойство Fn =1, если количество элементов во всех вариантах проектных решений Р, , ",... одинаково. Свойство FA =1, если отношение порядка между одинаковыми элементами pt,p} во всех вариантах проектных решений одинаково.
Аналогично характеризуются составы ребер (звеньев или дуг) графов G[ ={PJ,C[),G" =(Р//,С,//),...вариантов проектных решений.
Свойство Fc = 1, если во всех вариантах состав ребер (звеньев или дуг) во всех графах G[,G"t ,... одинаков.
Свойство Fnc = 1, если количество ребер (звеньев или дуг) во всех графах G ,,G",... одинаково.
Свойство FG характеризует вид графа проектного решения: FG = 1, если все графы Gt = (Р, ,С,)проектных решений простые элементарные пути или цепи, и FG = 0, если какой-либо граф G, =(Р, ,С,) имеет более сложную структуру.
Если порождающая модель S(P) представляет собой безреберный полихроматический граф TIG, то она называется несвязанной, и характеризуется набором свойств F(S) = {Fp,Fn ,FX }. Несвязанные модели разделяются на сочетательные и кортежные: проектное решение, получаемое по сочетательной модели, представляет собой неупорядоченной множество Р,, а получаемое по кортежной модели, - упорядоченной множество Р,.
Если порождающая модель S(P) представляет собой полихроматический граф nG, имеющий ребра, то она называется связанной, и в общем случае характеризуется набором свойств F(S) = {Fp,F„p,FXp,Fc,Fnc,FG}.
В случае, когда вершины графа G = (P,C) соединяются только неориентированными звеньями, модель называется неориентированной; структура проектного решения, получаемого по такой модели, также представляет неориентированный граф G,=(PI,CI). Свойства вершин и звеньев этого графа обеспечивают реализацию требуемого набора свойств объекта проектирования. Основными компонентами неориентированной связанной модели является матрица свойств [PxF(P)] обрабатывающей системы и граф G = (P,C) или матрица [Р Р] связей элементов системы Р. Иногда в состав модели матрица свойств [CxF(C)] звеньев графа G = (P,C), а также наборы отношений, определяющих условия вхождения элементов порождающей модели в проектное решение.
Связанные неориентированные модели разделяются на два класса: табличные и сетевые неориентированные модели.
Проектное решение, получаемое по табличной неориентированной модели, представляет собой простую элементарную цепь или граф G, = (Р, ,С,) с составом вершин Р,, обеспечивающих реализацию требуемого набора свойств объекта проектирования. Этому набору свойств соответствует единственное стандартное или целиком заимствуемое проектное решение.
Проектные решения, получаемые по сетевым неориентированным моделям, представляют собой простые элементарные цепи, однако при этом возможны варианты, различающиеся составом вершин и звеньев, или граф общего вида, где получение вариантов осуществляется варьированием состава звеньев в графе.
Если граф G = (P,C) порождающей модели является ориентированным, т.е. существует отношение порядка между вершинами, то модель S(P) называется упорядочивающей. Упорядочивающие связанные модели разделяются на табличные, сетевые и перестановочные модели. Такие модели удобны при описании процессов.
В табличной модели каждому заданному набору свойств F(At) соответствует единственный вариант решения Р,. Поэтому табличные модели используются для поиска стандартных или готовых изделий. Вид проектного решения аналогичен соответствующей не упорядочивающей модели. Модели остальных классов используются для получения унифицированных и индивидуальных решений, выбирая из полученных вариантов, и необходимости оптимизации решения.
Структура элементов сетевой модели описывается ориентированным графом G = (Р, С), не имеющим ориентированных циклов. В сетевых моделях может содержаться несколько вариантов решений, но во всех вариантах сохраняется неизменным отношение порядка между входящими элементами. Если ставится задача из полученных вариантов выбрать наиболее предпочтительный, то сетевая модель дополняется количественной моделью, по данным которой производится выбор решения.
Обобщённая математическая модель процессов создания и эксплуатации технологической машины
Технологические машины лесного комплекса и средства обеспечения их жизненного цикла являются сложными техническими системами. Одним из важнейших факторов, определяющих эффективность сложной технической системы, является её структура, характеризующая состав и взаимосвязь элементов этой системы. При структурном моделировании сложных систем широко используется аппарат теории множеств и теории графов. Однако традиционный аппарат теории множеств и графов не имеет развитых средств описания разнородных и разнообразных свойств объектов, моделируемых элементами множества или вершинами и рёбрами графа, что затрудняет практическое применение данного аппарата при моделировании технических, организационно-экономических и других реальных\ систем.
Указанный недостаток математического аппарата обычных множеств и графов во многом устраняется при использовании полихроматических множеств и графов. В качестве исходных данных для создания моделей, как математических, так и функциональных выступает информация об аналогичных существующих изделиях или подобных, на основе которых путём модификации модно создать новое изделие и процессах, выполняемых на этапах конструкторско-технологического проектирования и этапах эксплуатации. Исходными данными для создания изделия выступают не только требования к геометрическим характеристикам, таким как длина, высота, толщина, физическим, таким как масса, объём, но и расчётным, таким как максимальный крутящий момент, момент инерции и т.д., эксплуатационным, таким как ремонтопригодность, надёжность и т.д. и другим. Учёт всех этих данных усложняет создание моделей, поэтому при создании моделей требуется абстрагирование и декомпозиция изделий [117,118,119,120,121,122,123].
Важными факторами, учитывающимися при создании моделей, являются факторы, описывающие использование технологической машины, область ее применения, условия эксплуатации, экологическое влияние и т.д. Эти факторы могут быть получены на этапе эксплуатации пробной партии продукции или подобной продукции, имеющей схожие характеристики и назначение.
На этапе конструкторского проектирования технологическая машина А рассматривается как неделимый объект с определёнными характеристиками. В этом случае ее модель S(A) описывается аналогично (4.1).
Условия существования цветов (свойств) в раскраске F(A) описываются логическими уравнениями:
- взаимосвязь отдельного унитарного цвета Fj(A) с другими цветами F(A) описывается логическим уравнением Fj(A) = Rs{Fh(A), Fj2(A), ..., Fjm(A)} / (4.40)
- взаимосвязь раскраски F(A) в целом с входящими в неё цветами описывается логическим уравнением V . F(A) = RL{Fj(A), F2(A), ..., Fm(A)} , (4.41)
Если технологическая машина рассматривается как сложный объект с составом элементов (4.2). Каждый элемент при этом имеет собственные свойства с качественной и количественной стороной. Качественная сторона определяет принадлежность свойства к определённому классу качественно различных свойств, а количественная сторона определяет количественную характеристику этого свойства. Этими свойствами при описании технологических и транспортных машин лесного комплекса могут быть, как описано выше, марка материала, минимальная высота и т.д., каждому элементу соответствует множество свойств (4.4), а множеству А в целом -множество цветов (4.3), взаимосвязь всех цветов F(aJ по условиям их существования представлена единым математическим объектом (4.6).
Математическая модель технологической машины, таким образом, S(A) описывается ЛЗ-множеством, детализация описания которого соответствует одному из набора компонентов:
S(A) = (A, F(A), [F(A) xF(A)J),
S(A) = (A, F(A), [AxF(A)],[AxA(F)]), (4.42)
S(A) = (A, F(a), F(A), [AxF(a)],[AxF(A)]),
S(A) = (A, F(a), F(A), [AxF(a)J,[AxF(A)J ,[AxA(F)J), где A - множество элементов a{ x A ; F(A) - множество унитарных цветов самого Я5-множества; A{F) - множество тел всех унитарных цветов F(A); F(a) -множество всех различных цветов элементов at х А ; [AxF(a)] - булева матрица, строки которой отображают персональные цвета элементов atx А ; [AxF(A)J -булева матрица, строки которой отображают персональные цвета элементов at х А , одноименные унитарным цветам в F(A); [AxA(F)] - булева матрица, столбцы которой отображают тела унитарных цветов F(A).
В такие модели могут добавляться булевы матрицы, логические отношения и т.п. Если необходимо описание взаимосвязи элементов технологической машины, то модель S(A) описывается Ж7-графом на соответствующем уровне детализации описания вершин, рёбер и дуг.
Для отображения связей между отдельными множествами составляется полихроматический граф, где множества выступают в качестве вершин и рёбер, аналогично (4.14).
77(7-граф с независимой раскраской вершин и рёбер:
Пв = (G, F(G), nSa, nSc), (4.43)
где G - описание инцидентности между вершинами и рёбрами 77Сг-графа; F(G) — унитарная раскраска 77(7-графа, определяемая в виде функции, аргументами которой являются раскраски F(A) и F(C) полихроматических множеств IlSa, IISc.
ЛСт-граф с зависимой раскраской вершин и рёбер: IIG=(GU, F(G), nSa, nSc, [GaxF(g)J, [GnxF(G)J, [GxGa (F(G))]). (4.44)
Граф концептуальной модели создания технологических машин представлен нарис.4.6 итабл.4.10 [10, 14, 15, 17, 25, 31, 65, 72].
Процессы образуют непрерывный жизненный цикл технологической машины, начинающегося с процесса конструирования, где входными данными для начала работы над чертежами и макетами машины являются результаты использования аналогичных машин или ориентировочные расчёты по надёжности, эргономике подобных машин. В ходе разработки новой технологической машины происходит оформление документации в виде спецификаций, чертежей, проектировочных расчётов, которая поступает на следующий этап жизненного цикла - технологическая подготовка производства, на котором составляются технологические карты, маршруты использования оборудования для производства технологической машины. При этом связь между этапом конструирования и этапом технологической подготовки производства является двусторонней, поскольку зачастую на практике нет возможности изготовить запланированную конструктором деталь, в этом случае требуется откорректировать технологическую, машину в соответствии с существующим технологическим оборудованием и оснасткой. Далее после изготовления технологической машины поступает к заказчику или потребителю, который использует его исходя из своих потребностей в соответствии с той документацией, которая сопровождает машину. На этом этапе продолжается жизненный цикл технологической машины, он используется для сбора сведений об отказах, изменении условий применения, эргономических недостатках и других. Собранная таким образом информация передаётся на этап конструкторского проектирования, косвенно оказывая влияние на технологическую подготовку производства. Информация используется для конструирования и производства новой версии технологической машины или аналогичной продукции, образуя тем самым спиралеобразный жизненный цикл машины.
Отсутствие взаимосвязи между процессами привело бы к нарушению и замедлению процессов конструкторско-технологического проектирования, что в свою очередь оказало влияние на использования технологической машины на этапе эксплуатации путём снижения качества продукции и востребованность его потребителем.
Моделирование работы комплекса лесных машин
Программная реализация общей имитационной модели представляет собой два потока заявок: один поток имитирует формирование пакетов поваленных деревьев валочно-пакетирующей машиной (ВПМ); второй -имитирует процесс трелевки сформированных пачек. Первый поток увеличивает значение переменной, отображающей значение межоперационного запаса на лесосеке, второй его уменьшает. Параметры указанных потоков общей имитационной модели определяются на основании имитационных экспериментов на соответствующих подмоделях: валки-пакетирования и трелевки. Рассмотрим программную реализацию имитационной модели работы валочно-пакетирующей машины.
В самом общем виде моделирование работы лесозаготовительного комплекса заключается в моделировании функционирования отдельных машин, входящих в систему с учетом их взаимодействия, и моделирования условий эксплуатации.
Моделирование работы лесозаготовительных машин можно осуществить с разной степенью детализации, зависящей, прежде всего, от задач исследования. Подробное моделирование процесса в принципе повышает точность модели, но, с другой стороны, влияние дополнительных параметров начинает «тонуть» в совокупном влиянии многих других факторов. Модель, принятая для исследования не должна быть шире, чем это необходимо для решения поставленной задачи. С другой стороны при чрезмерном упрощении моделируемого процесса можно упустить из виду влияние некоторых существенных факторов, значение которых для исследуемых характеристик процесса на первый взгляд казалось небольшим. В нашем случае целью эксперимента является исследование эффективности системы лесных машин в целом. Для того чтобы не пропустить возможные варианты повышения эффективности работы комплекса лесозаготовительных машин в целом, нами был выбран компромиссный уровень детализации моделей - в качестве минимального такта моделирования процесса ограничились случайным временем простейшего рабочего цикла машины. Для ВПМ это будет время технологического цикла при срезании и укладке дерева в пачку.
Особое место при проведении имитационного эксперимента играет адекватно построенная модель внешней среды - лесосеки. В имитационной модели работы ВПМ сначала формируется пространственное расположение и состав конкретного насаждения. Затем осуществляется моделирование движения машины с выполнением технологических операций. Для упрощения модели вводится предположение о движении машины только по прямой. При движении машины по лесосеке производится спиливание всех деревьев, попадающих в площадь развертки. Случайное время обработки одного дерева определяется временем на поворот манипулятора, которое зависит от координат нахождения дерева. Случайное время передвижения с одной позиции на другую определяется моделью лесосеки при известной средней скорости движения машины.
В работе принимается допущение о равномерном распределении деревьев по лесосеке. Исследования показали, что принцип моделирования лесосеки оказывает значительное влияние на число деревьев и объем леса, заготовляемых с одной рабочей позиции. Однако общее время заготовки 1 м3 леса остается практически постоянным. Следовательно, допущение о равномерном распределении деревьев вполне приемлемо. С учетом допущения о равномерном распределении числа деревьев на лесосеке площадь, приходящаяся на одно дерево
Укрупненная схема алгоритма имитационной модели работы валочно-пакетирующей машины представлена на рис. 6.10. Сначала вычисляется текущая площадь развертки валочно-пакетирующей машины, затем в пределах данной площади генерируется пространственное местоположение деревьев. Для каждого дерева случайным образом в соответствии с параметрами нормального распределения генерируется диаметр на уровне груди (1,3 м). На основании полученного диаметра дерева на уровне груди по формулам 6.5-6.7 вычисляется объем дерева. Далее проверяется наличие деревьев для заготовки в пределах площади развертки, если таковых нет, то осуществляется переезд к следующей позиции, снова вычисляется площадь развертки и генерируется расположение и характеристики деревьев на данной площади. Если в пределах площади развертки существуют деревья для заготовки, то выбирается ближайшее из них и осуществляется процесс валки, т.е. вычисляется время валки дерева и происходит продвижение модельного времени на величину полученного интервала. После окончания процесса валки дерева проверяется местоположение формируемой пачки, если укладка дерева требует перемещения машины, то имитируется процесс перемещения машины к пачке, укладки дерева в пачку и возвращения машины к текущей рабочей позиции. В обратном случае имитируется только процесс укладки дерева в пачку. После укладки дерева проверяется текущий объем пачки, если он находится в заданных пределах, то организуется новая пачка в месте текущей рабочей позиции машины. Далее имитация процесса валки-пакетирования осуществляется до тех пор, пока не будет выполнено условие окончания моделирования. В нашем случае условием окончания моделирования является достижения заданного интервала времени моделирования работы ВПМ. Графическая схема имитационной модели работы валочно-пакетирующей машины в системе Arena показана на рис. 6.11 (модель показана в процессе имитационного прогона).
Кроме упомянутых выше преимуществ подобная схема разработки распределенной имитационной модели исследуемой системы позволяет также проводить детализацию одной подмодели, не затрагивая при этом другие подмодели взаимодействующих процессов. Например, при необходимости детализации модели процесса валки-пакетирования вносятся изменения только в соответствующую подмодель, а подмодель процесса трелевки остается неизменной. Разработанная распределенная имитационная модель предоставляет возможность проведения имитационных экспериментов на подмоделях в асинхронном режиме, т.е. прогоны подмоделей процессов валки-пакетирования и трелевки могут проходить независимо друг от друга (прил. 4) [28,30].
В результате многократного прогона программной модели были получены следующие статистические данные:
1. Распределение объема межоперационного запаса деревьев на лесосеке показано на рис. 6.10. По оси X отражен объем, по оси Y - частоты попадания в тот или иной диапазон. Как видно из распределения в основном объем межоперационного запаса деревьев на лесосеке составил от 0 до 65 м3. Средний объем древесины межоперационного запаса деревьев на лесосеке составил приблизительно 28 м3.
