Введение к работе
Актуальность проблемы
В современном мире есть три проблемы, решению которых посвящены в последнее время усилия ученых. Это экономия првродных ресурсов, разработка рациональных технологии производства и организация оптимального управления. Современное автоматизированное производство представляет собой сложную систему, добиться оптимального функционирования которой можно только применяя на всех ее уровнях эффективные методы автоматизации управления работой ее составляющих. Стремительный прогресс в области средств информационного обеспечения решения задач науки и техники предполагает кардинальное изменение подходов к технологии решения научных и производственных проблем. Одним из важнейших направлений ускорения научно-технического прогресса и поиытения эффективности производства является автоматизация всех звеньев производственного цикла, в том числе проектирования, технологической подготовки производства и управления. Объекты производства становятся более сложными, однако сроки на проектирование и технологическую подготовку их производства в условиях конкуренція! сокращаются. Экстенсивно решить данную проблему невозможно, т.к. не все процессы проектирования могут быть выполнены параллельно. Интенсификация труда конструкторского и технологического персонала возможна только при наличии вычислительной техники, применении компьютерных технологий, базирующихся на создании и/или использовании автоматизированных систем управления (АСУ) и составных их частей: систем автоматизированного проектирования (САПР) и автоматизированных систем технологической подготовки производства (АСТПП). Разработка АСУ на базе математических методов и моделей, современных информационных технологий позволит решать вопросы управления, проектирования и производства на должном уровне, сохраняя конкурентоспособность производимой продукции.
С другой стороны, разработка ресурсосберегающих технологий на фоне ограниченности и яевосполнимосги в течение жизненного цикла всего человечества запасов полезных ископаемых с каждым годом становится все актуальней. В данном контексте весьма важное место занимает проблема экономии материальных ресурсов на всех стадиях производства продукции. Анализ структуры раскройно-заготовительного производства (РЗП) показывает, что система рационального раскроя дает при правильной автоматизации наибольшую экономию.
Основное назначение АСУ состоит в создании и поддержке эффективно функционирующего производства, включающего в себя все традиционные стадии от научных исследований и проектирования до технологий выпуска изделия. Важное место здесь занимают проблемы размещения и компоновки объектов в заданных областях при условии выполнения ограничений и дос-
тижения определенных критериев. К этому классу относятся задачи компоновки оборудования или грузов в летательных аппаратах (ЛА), на судах, в производственных цехах, архитектурных сооружениях, моделирование интерьеров и т.д.; задачи размещения элементов на платах и плат в корпусах; задачи проектирования генеральных планов предприятий и карт раскроя промьшшенных материалов и др. Смежную область занимают проблемы прокладки оптимальных трасс (трассирозки) в областях с запретами.
По общности подходов к решению перечисленных проблем размещения геометрических объектов и степени важности особое место занимают задачи рационального раскроя. Теория, методы и алгоритмы, направленные на решение данной проблемы в. последствии могут быть приложены к решению остальных перечисленных проблем.
При решении данной проблемы автор в своих исследованиях опирался на труды российских и зарубежных ученых, внесших большой вклад:
в развитие теории системного анализа & моделирования больших систем (В.И. Николаев, Ф.И. Перегудов, Ф.П. Тарасенко, Л. Заде, И. Дезоер, Б.Г. Ильясов, Г.Г. Куликов, их ученики и последователи и многие другеє);
в создание и исследование автоматизированных систем управления (СА. Оптяер, Н.М. Моисеев, А.Г. Мамиконов, БЛ. Бурков, В.М. Глуш-ков, Г.С. Поспелов, И.Ю. Юсупов и др.);
нологической подготовки производства (А. Фокс, M. Пратт, Г. Шпур, Ф.Л. Краузе, Ю.С. Завьялов, В.Е. Мкхайлеяко, А.Д. Тузоз, В.Й. Якугяог и др.);
- в разработку и исследование задач рационального раскроя (Л.В. Канто
рович, В.А. Заягаялер, Э.А. Мухачева, Л.В. Рвачев, ЮЛ". Стоян, НЛ.
Гиль, Л.Б. Белякова, Н. Dyckhoff, К.А. Dowsland, V. Milenkovic и мно
гие другие).
Анализ литературы по раскрою, материалов последних конференций, посвященных вопросам раскроя, а также практического состояния вопроса, позволяет сделать следующие выводы:
-
Существуют два пути автоматизации раскройно-заготовительных работ: автоматический и интерактивный раскрой. Если для линейного раскроя в большинстве случаев можно найти оптимальное решение, в прямоугольном раскрое автоматические методы дают результаты, близкие к оптимальным, то для фигурного раскроя пока не разработаны методы, позволяющие в автоматическом режиме получить результаты, лучше, чем достигнутые опытным раскладчиком. Поэтому в АСУ раскройно-заготовительного производства для определенных случаев раскроя имеется место для интерактивных систем.
-
В настоящий момент определились трн основных направления в развитии теории автоматического раскроя:
направление, реализующее идеи линейного программирования, включающее в себя работы по размещению геометрических объектов без учетов их геометрической формы (при известных способах раскроя). Родоначальниками этого направления являются Канторович Л.В. и Залгаллер В А.;
задачи линейного и прямоугольного раскроя в их различной постановке разрабатываются представителями Уфимской школы под руководством Мухачевой Э.А.;
оптимальный раскрой материалов на фигурные заготовки, в основе которого лежит определение областей допустимых размещений (решений) с помощью годографов вектор-функций плотного размещения и структур линейных неравенств, является одним из направлений геометрического проектирования Харьковской школы, возглавляемой Стояком ЮГ.
Несмотря на имеющиеся результаты в области линейного, плоского (прямоугольного, регулярного и нерегулярного) и трехмерного раскроя, к настоящему времени окончательно не разработана общая методология создания автоматизированных систем управления раскройно-заготовительными производствами, ориентированных на любой характер производства (единичное, мелко-, средне-, крупносерийное и массовое) и произвольную мерность раскраиваемых материалов.
Таким образом, работа посвящена решению актуальной комплексной научной проблемы, имеющей народно-хозяйственное значение, состоящей в разработке теоретических и методологических основ создания автоматизированной системы управления раскройно-заготовительным производством, с целью повышения его эффективности.
Цель и задачи исследований
Цель работы - разработка теоретических я методологических основ автоматизированных систем управления в раскройно-заготовительном производстве, разработка системно-ориентированных математических моделей, методов и алгоритмов рационального размещения плоских объектов сложных форм в областях произвольной конфигурации.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи:
-
Разработать концепцию АСУ РЗП, включающую методологию управления раскройно-заготовительным производственным комплексом и определить основные направления автоматизации его составляющих.
-
Разработать методологию проектирования размещения плоских объектов сложных форм в областях произвольной конфигурации.
-
Разработать математические модели рационального размещения геометрических объектов (ГО) различными способами в областях произвольной конфигурации.
-
Разработать теоретические основы определегаи областей допустимого размещения (ОДР) объектов сложных геометрических форм на базе операций Минковского.
-
Разработать основы построения систем интерактивного, регулярного и нерегулярного размещения геометрических объектов и комплексную методику воспроизведения поверхностей сложных технических объектов из плоского материала на базе конкретизации полученных теоретических результатов.
-
Разработать алгоритмическое и программное обеспечение основных модулей автоматизированной системы управления раскройно-заготовителъ-ным производством: интерактивного и автоматического размещения геометрических объектов.
-
Провести экспериментальные исследования с целью оценки эффективности предложенной технологии рационального размещения плоских геометрических объектов сложной формы.
Методы исследования
Для решения поставленных задач применялись методы системного анализа, математического моделирования, теории алгоритмов, оптимизации, принятия решений, численные методы моделирования и методы проектирования автоматизированных информационных систем.
Результаты, выносимые на защиту
1. Методология автоматизированного управления процессом раскройно-заготовительного производства, позволяющая определить стратегию получения оптимальных планов раскроя с учетом реальной производственной обстановки посредством автоматизации его основных направлений.
і.» іліСТОДОКОГКЯ IXpOCfCTHpGBSLHHR рЕХріЮНЯіїЬКОГО рЗЗМ&ЦСНИЯ ХІДОСКИХ ОчУ&*
ектов сложных форм в областях произвольной конфигурации и воспроизведения поверхностей сложных технических объектов из плоского материала.
-
Математические модели рационального регулярного и нерегулярного размещения плоских Оиьектов сложных геометрических форм автоматизированным интерактивным и автоматическим методами в произвольных областях размещения.
-
Теоретические основы определения областей допустимого размещения объектов сложных геометрических форм на базе операций Минковского.
-
Основы построения систем автоматизированного интерактивного и автоматического (регулярного, блочно-регулярного и нерегулярного) размещения плоских геометрических объектов.
-
Алгоритмическое и программное обеспечение модулей интерактивного, регулярного и нерегулярного размещения геометрических объектов в со-
«
ставе информационной системы управления расіфойно-заготовительньш производством. 7. Анализ эффективности предложенной технологии рационального размещения плоских геометрических объектов сложной формы, а также результаты экспериментальных исследований.
Научная новизна результатов
В результате выполнения данного исследования были разработаны методологические и теоретические основы построения автоматизированных, систем управления раскройно-заготовительным производством, реализующие ресурсосберегающие технолопш в задачах оптимального использования материала. В процессе исследований были получены следующие результаты, обладающие научной новизной:
разработана и исследована математическая модель задачи размещения геометрических объектов сложной формы в произвольных областях различными способами, обусловленными видами производства. Данная задача является оптимизационной и имеет широкую область приложений в автоматизированных системах управления раскройно-заготовительным производством;
разработан и исследован инвариантный к способу задания исходной информации метод построения областей допустимых размещений при помощи геометрических преобразований на базе операций Мшсковского;
исследованы свойства и особенности построения областей допустимого размещения, на этой основе разработаны алгоритмическая база и программное обеспечение для регулярного я нерегулярного размещения геометрических объектов;
впервые сформулирована задача воспроизведения поверхностей сложных технических объектов из плоского материала как область приложений общей задачи размещения геометрических объектов.
Таким образом, в результате проведенных исследований решена важная народно-хозяйственная проблема - созданы основы АСУ РЗП: разработан математический и алгоритмический аппарат процессов размещения геометрических объектов сложной формы в произвольных областях на базе инвариантной к способу задания исходной информации теории построения областей допустимого размещения посредством геометрических преобразований.
Практическая ценность и внедрение результатов
Практическая ценность выбранного пути решения проблемы заключается в том, что выполненные теоретические исследования и результаты проведенных вычислительных экспериментов позволили определить эффективность разработанных алгоритмов и программного обеспечения по сравнению с известными, а также внедрить в практику:
модели управления раскройно-заготовительным производственным комплексом и методы проектирования рационального раскроя;
автоматизированную систему управления раскройно-заготовительным производством, содержащую модули интерактивного, регулярного и нерегулярного размещения геометрических объектов;
комплексную методику воспроизведения поверхностей сложных технических объектов из плоского материала.
Результаты, полученные в работе, внедрены:
на Уфимском унитарном агрегатном производственном объединении «Гидравлика», г. Уфа (методы, алгоритмы и программы интерактивной раскладки плоских деталей сложной формы в произвольных областях, автоматического регулярного размещения плоских деталей сложной формы в полосе и на плоскости, автоматического нерегулярного размещения плоских деталей сложной формы на листе и в рулоне);
в Открытом акционерном обществе «Тамбовский завод «Комсомолец», г.Тамбов (комплекс алгоритмических и программных средств автоматизации представления и хранения информации о раскраиваемых заготовках; модули интерактивного размещения плоских фигурных заготовок на листовом и рулонном материале, автоматического формирования раскройных карт для раскроя полосы под штамповку на фигурные заго-
листа и рулона на фигурные заготовки, что позволило упростить процесс описания заготовок, автоматизировать управление процессом раскроя и повысить коэффициент использования материала в среднем на 3,5%);
в НИАТ, г. Москва (методика вьщеления, описания и размещения панелей теоретической поверхности летательных аппаратов и технологической оснастки, выходящей на теоистическик контур ^ позволила автоматизировать процесс проектирования оснастки: снизить трудоемкость и сроки проектировшшя, повысить точность обработки);
в Акционерном обществе «Химмаш», г. Екатеринбург (методы и алгоритмы рационального размещения геометрических объектов на плоском материале в составе программного комплекса проектирования раскроя-упаковки «Cut-CAD», что позволило автоматизировать процесс проектирования карт раскроя и увеличить коэффициент использования листового и рулонного материала);
на Куйбышевском авиационном заводе, г. Самара (методика автоматизированного проектирования плоских деталей обводообразующей оснастки; алгоритмы и программы линейной аппроксимации границ плоских деталей; методы, алгоритмы и программы решения задачи оптимизации размещения деталей на материале; способы воспроизведения плоских детален на оборудовании с 411/, что позволило сократить сроки проек-
тирования, повысить точность обработки оснастки, повысить коэффициент использования материала на 7%);
- в учебный процесс кафедры «Вычислительная математика и кибернети
ка» Уфимского государственного авиационного технического универси
тета, в виде методик, алгоритмов, программного обеспечения для авто
матизированных систем проектирования раскроя.
Система интерактивного раскроя зарегистрирована (свидетельство Ро-сАПО об официальной регистрации программ для ЭВМ № 970574 от 11 ноября 1997).
Основания для выполнения работы
Работа явилась обобщением результатов исследований автора в период с 1982 года по настоящее время и выполнена на кафедре «Вычислительная математика и кибернетика» Уфимского государственного авиационного техни-
%yf*f*Jrf\rr\ vuwHPnPXfTfaTwj нсШїтшчїа' г»тапта-а тггтчт^ттгчтэотттлт* глглтта лт^о-г^гто r» v*tt-
ivWoui >f iiu,3»wvui«il«i law JWluuM/а WJw^iui llvw.IV^Ui/4U^Kl b/XUVlV* V/ J. WUJ1VVUU AJ iVtiil
дкдатской диссертации, выполненной в Московском авиационном институте и защищенной в 1989 году. Работа связана с выполнением хоздоговорных научно-исследовательских работ (НИР) с НИАТ, г. Москва, производственным объединением «Гидравлика» по темам Jfe ИФ-ВК 16-91-ОГ и ИФ-ВК 01-97- ХГ (1991-1999 г.г.), по теме № ИФ-ВК 01-92 ОГ (1992 -1993 г.г.) с АО «Буммаш» (г. Ижевск), а также НИР, финансируемых по единому заказ-
rynna-m, \Лтжчппяъпъг,1пха РґЛ Vn UTJ_T;TT-4'>.Ofi,rY3 /I QOA^IOOQ ч г \
Работа поддержана:
государственными грантами по фундаментальным исследованиям в области технических наук (направление «Информационные технологии в проектировании изделий и технологических процессов их изготовления», раздел «Проблемы управления и контроля технологических процессов изготовления деталей и изделий авиакосмической техники», конкурсный центр МАШ) по темам «Разработка концепции информационного обеспечения и прикладной системы поискового конструирования типовых деталей маппшостроительных конструкций с применением АРМ на базе рабочих станций типа SPARCstation» №НГ-БЦ-05-94-ГР 1994-1995 г.г. и «Информационные технологии раскроя-упаковки одно-и двумерных объектов» №ИФ-ВК-04-98-ГУ 1998-1999 г.г.;
федеральной целевой программой «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 г.г.» - проект «Развитие научно-производственного комплекса по фундаментальным проблемам математики н теории управления» (УГАТУ, ВЦ УНЦ РАН), контракт № 21-76;
федеральной целевой программой «Информационные технологии в образовании и науке» № НЧ-БЦ-01-97-ПГ (1997 г.).
Апробация работы и публикации
Основные положения, представленные в диссертации, начиная с 1982 года, регулярно докладьшались и обсуждались на научных мероприятиях различного уровня. В том числе на:
Всесоюзном научно-методическом семинаре «Кибернетика графики», Москва, 1985-1988;
Международной научно-технической конференции «Проблемы графической технологии», Севастополь,1991;
Межвузовской научно-методической конференции «Перспективные информационные технологии в высшей школе», Самара, 1993;
Международном семинаре Нанкинского авиационного института - Уфимского государственного авиационного технического университета «Актуальные проблемы авиадвиготелестроения», Уфа - Нанкин, 1994;
Всероссийской научно-технической конференции «Управление и контроль технологических процессов изготовления деталей авиакосмической техники», Уфа, 1994;
The 4th International Conference of Computer Graphic and Visualisation, Niz-hny Novgorod, 1994;
Международной конференции-выставке «Информационные технологии в непрерывном образовании», Петрозаводск, 1995;
Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные информационные технологии в высшей школе», Тамбов, 1995;
Международной научно-методической конференции «Новые информационные технологии в университетском образовании», Новосибирск, 1996;
Second International Conference on Distance Education in Russia "Open and International Learning as a Development Strategy", Moscow, 1996;
Всероссийской научной конференции «Роль геометрик в искусственном интеллекте и системах автоматизированного гфОФктщювания»; Улан-Удэ, 1996 г.;
International Congress "Mechanical Engineering Technologies'97", Bulgaria, Sofia, 1997;
ХХШ-XXV International Conferences and discussion scientific club "New in-
ness", Ukraine, Yalta-Gurzuff, 1996-1998;
The 16th European Conference on Operational Research, Brussels, Belgium, 1998;
Международной конференции по тренсфер-технологиям, проведенной в рамках программы EUINCO Copernicus AMETMAS-NOE, Уфа, 1999.
Созданная и зарегистрированная в РосАПО система автоматизированного размещения и отдельные ее модули демонстрировалась и были отмечены в составе экспозиции УГАТУ в приказах по Минобразования РФ на:
Second International Conference on Distance Education in Russia "Open and International Learning as a Development Strategy", Moscow, 1996;
Международной выставке-ярмарке «Информатика. Оргтехника. Связь», Уфа, 1994-1997 г.г.
Результаты диссертационной работы непосредственно отражены в 53 публикациях, в том числе в монографии (13,5 п.л.), двух учебных пособиях (5,6 п.л. и 4,5 п.л.), 22 статьях, 24 трудах конференций (14 докладов и 10 тезисов), 1 свидетельстве на регистрацию программ в РосАПО, 3 депонированных научно-технических отчетах по госбюджетным и хоздоговорным темам, выполненным по теме диссертации при непосредственном участии и руководстве автора.
Структура и объем работы
Похожие диссертации на Автоматизированная система управления процессом раскроя геометрических объектов сложной формы
