Введение к работе
Актуальность проблемы. Создание компьютсриэировашачх
интегрированных производств (СІМ) в машиностроении определяет качественно новый шаг научно-технического прогресса направленный на увеличение производительности, уменьшение цикла разработки и производства изделий, гуманизации труда, повышения гибкости производства, создания новой философии шгтегрированности производства и рынка. СІМ можно рассматривать как третью фазу индустриального развития общества, связанную прежде всего с интенсивным развитием информационной технологии. Работы по СІМ проводятся всеми развитыми странами в рамках национальных научных программ и международных проектов, таких как ESPRIT, ВШТЕ/EURAM и других.
Основные направления работ по созданию СІМ концентрируются в области поиска общего решения проблемы интеграции производства с щелью повышения его эффективности. В этом направлении определяющими можно считать работы по оптимизации систем, принимающих решения, превращению информации а ресурс производства, качественному изменению организационного управлення, развіггию средств анализа производства, созданию инструментальных средств анализа и построения СІМ и его подсистем.
Эффективное создание и функционирование СІМ в условиях малолюдности и сложности процесса производства, высокой динамики изменении рынка материалов и товаров во многом обеспечивается качественно новым уровнем использования маті іатичесютх (включая имитационные) моделей на всех стадиях существовать СІМ, всех его иерархических уровнях и для всех решаемых задач.
Анализ показывает недостаточность применения моделирования и отставание в создании высокоэффективных универсальных методов и средств формализации СІМ для его моделирования и управления. В настоящее время используются различные методы и подходы, ориентированные, как правило, на узкий круг производственных систем и задач. Используемые математические модели не только не дополняют друг друга, но часто являются несогласованными и противоречивыми. Накоплен определенный опыт создания отдельных систем моделирования и управления, в разной степени удовлетворяющих производство, являющихся уникальными, дорогостоящими и, как правило, нстиражируемыми без значительных доработок и неадаптирующимися к изменяющимся производственным условиям.
В области применения математических моделей для проектирования и организационного управления производственными системами известны труды таких ученых как B.C. Емельянов, ВЛ.Сосонкин, Г.С.Поспелов, Ю.М.Соломснцев, В.Г.Митрофанов, Лескин А-А., Блехерман М.Х., Чудаков А.Д., Хартли Дж.,Кьюсиак Э., Spur О., Bullinger H.J., Wamecke H.J., Lentes Н.Р., Stelke Е., Girni М., Meszaros I., Jones A.T., McLean C.R. и др. Среди научных организаций, работающих по даішой проблеме можно отметить НИИТМ, НПО "Прогресс", ЦНИТИ, РНЦ КИ (Институт атомной энергии им.И.В.Курчатова), ТМЗ, ЭНИМС, ЦНИТИМ и др.
Перспективное направление (этап) автоматизации, которому посвящается все больше исследований и опытных разработок - шггеллектуальные производственные системы, автоматизирующие функции человека по принятию решешій if способные функционировать в заранее неопределенной ситуации. В области развития и применения искусственного интеллекта (ИИ) имеются определенные успехи, достаточно назвать школу Д.А. Поспелова, работы ИПУ РАН, деятельность Международной академии информатики (МАИ) и др. Однако в использовании этих методов в области производства сделаны лишь первые шаги.
Несмотря на наличие определенного опыта и большого количества научных работ можно констатировать отсугствие теоретических методов и универсальных средств формализации сложных дискретных систем и процессов для анализа и проектирования СІМ, создания систем оперативного управления, отвечающих широкому спектру требований, предъявляемых к ніш со стороны рынка и производства.
Настоящая работа решает научную проблему, связанную с созданием основ теории интеллектуального моделирования сложных дискретных '-"стем и процессов для построения систем моделирования и управления, обладающих широкими возможностями адаптации к производственным условиям, обеспечивающим эффективное управление в бысгроизменяющихся условиях.
Цель работы - разработка принципов и методов формализации производствен» їх процессов, создание программного ядра для построения автоматизированных систем анализа и организационного управления СІМ, как основы повышения эффективности производств дискретного типа и их технической подготовки.
На защиту выносятся следующие основные научные результаты:
положение о необходимости разработки интеллектуальных систем управления и моделирования СІМ, как одного из основных направлений развития комплексной автоматизации производства; 2
метод формализации и использования знаний о дискретных производственных системах механической обработки и сборки (РДО-метод);
модифицированные продукции, обеспечивающие моделирование динамики и случайных факторов в продукционных системах;
математические модели, описывающие параллельные процессы, реализуемые на оіраниченном множестве ресурсов;
метод локальных графов, обеспечивающий сокращение пространства поиска решений при управлении и моделировании до значений, приемлемых в системах управления реального времени;
ряд систем управления и моделировагшя, разработанных на едином программном ядре - продукционном имитаторе;
методология построения интеллектуальных моделирующих систем.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на
использовании теории сложных и больших систем, подходов искусственного интеллекта (в частности продукционных систем), фреймовых представлений знаний, ситуационного управления, экспертных систем (ЭС), а также теории баз данных, информационных систем, имитационного моделирования (ИМ), систем принятия решений, теории графов.
Основной метод получения экспериментальных данных - имитационное моделирование на ЭВМ с последующей обработкой результатов.
Научная новизна:
-
Создан обобщенный метод формализации дискретных производственных процессов (РДО-мегод), позволяющий с единых методолопгческих позиций описывать дискретные параллельные процессы и системы, формируя базы знаний ч данных для систем оперативного управления в реальном масштабе времени, планирования и моделирования применительно к автоматизированному интегрированному производству механосборочного типа.
-
На основе предложенного метода разработаны теоретические основы построения систем планирования, управления в реальном масштабе времени и моделирования параллельно протекающих процессов механической обработки и сборки, реализуемых на ограниченном множестве ресурсов производственной системы.
-
В отличии от существующих в ИИ формализмов продукционных систем исследованы продукционные модели, учитывающие в явном виде фактор времени. Введение таких моделей позволяет создавать интеллектуальные системы ИМ на единых подходах и средствах с системами оперативного управления.
-
Предложен метод локальных графов, для уменьшения размерности пространства поиска решений при моделировании и управлении.
-
Разработаны методы распределения ресурсов между параллельными
процессами при ограничениях на время принятия решений.
-
Рассмотрены алгоритмы ситуационного управления и системы продукций применительно к решению задач управления в реальном масштабе времени.
-
Разработана структура интеллектуального обеспечения для системы имитационного моделирования.
Практическая ценность полученных в работе результатов заключается в:
создании интеллектуального языка имитационного моделирования и на его основе продукционного имитатора сложных дискретных систем и процессов;
разработке методик, алгоритмов и программ систем оперативного управления и моделирования для условий СІМ, обеспечивающих:
а. высокую инвариантность систем по отношению к производственным
условиям, случайным возмущениям, динамическим изменениям
производственных условий;
б. широкую тиражируемость систем без их перепрограммирования, за счет
высокой гибкости информационного обеспечения, обеспечиваемой
выразительной мощностью метода формализации знаний о производственном
процессе СІМ;
в. выполнение функций управления и моделирования на единых
программно-математических средствах, широко использующих диалог с
пользователем - специалистом в предметной области (управление и
проектирование СІМ);
разработке методики построения систем управления и моделирования
на единых методах формализашш производственных процессов механической
обработки и сборки f ориентированной на решение широкого круга задач
проектирования и управления с использованием универсального программного
обеспечения.
Внедрение и реализация полученных результатов.
Гезульта л исследований были использованы: при разработке интеллектуальных систем оперативного управления и моделирования СІМ механосборки отрасли, в рамках государственной программы создания автоматизированного завода 'Красный пролетарий"; государственной программы Технология, машины и производства будущего"; программы ГКНО СССР "Интеллектуальные системы управления в реальном масштабе времени"; программы Технические университеты России"; при создании 4
системы поддержки принятия решений в государственной программе "Конверсия"; при проведении совместных работ с университетами г.Валансьен (Франция) и г.Монс (Бельгия).
Теоретические и практические результаты автора использованы в учебном процессе МГТУ им.Н.Э.Баумана, в Межотраслевом институте повышения квалификации инженерных кадров, при стажировке ниостраіпшх студентов в МГТУ.
Апробация работы. Основные положения и результаты ' работы докладывались и обсуждались более чем на 25 Международных, Всесоюзных и отраслевых научно-технических семинарах, конференциях, совещаниях, в том числе: II Всесоюзной научно-технической конференции по математическому, алгоритмическому и техническому обеспечению АСУ ТП (Ташкент 1980г.); I Всесоюзной научно-технической конференции "Модели планирования н оперативного управления на предприятии" (Киев 1981г.); Всесоюзной конференции "Проектирование машин" (Москва 1984г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Управление эффективностью производства с применением математических методов и АСУ" (Москва 1984г.); III Всесоюзной научно-технической конференции по математическому, алгоритмическому и техішческому обеспечению АСУ ТП (Ташкеїгг 1985г.); Всесоюзной научно-технической конференшш "Современные проблемы технологии машиностроения" (Москва 1986г.); Всесоюзной научно-техшгческой конференции "Конструкторско-технологическая информатика" (Москва 1987г.); Всесоюзном научно-тошическом семинаре "Проектирование систем" (Москва 1988г.); IV Всесоюзной научно-технической конференции по математическому, алгоритмическому и техническому обеспечению АСУ ТП (Ташкент 1988г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Управление эффективностью производства с применением математических методов и АСУ" (Москва 1989г.); Международном семинаре ЮНЕСКО "Технические, психологические и педагогические проблемы создания и использования автоматизированных систем" (Москва 1990 г.); Научно-комерческом курсе обучения и передачи технологических знаний по автоматизации предприятий и учреждений LOGOVAZ (Кострома 1990г.); Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук" (Москва 1991г.); Второй международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук" (Москва 1994г.), выставке SofToim";
Публикации: По материалам диссертации опубликовано более 50 печатных работ, в том числе монография, отраслевые методические материалы.
V 5
Структура її объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Общий* объем диссертац1ш.219.сгран1Ш, в том числе 195 страниц основного текста; список литературы включает 238 наименований; 42 рисунков и 14 таблиц, .8 страниц приложения.