Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обобщенный анализ информационных систем для проектирования и производства аппаратуры координатно-временного и навигационного обеспечения 12
1.1 Анализ этапов развития информационных систем 12
1.2 Сопоставительный анализ применения технологий информационной поддержки изделия в России и за рубежом 18
1.3 Принципы построения современных информационных систем для проектирования и производства аппаратуры координатно-временного и навигационного обеспечения 24
1.4 Основные результаты и выводы 37
ГЛАВА 2 Структура информационной среды предприятия для проектирования и производства аппаратуры координатно-временного и навигационного обеспечения 39
2.1 Особенности построения информационной среды предприятия 39
2.2 Структура единой информационной среды 43
2.3 Состав программной части единой информационной среды 53
2.4 Состав аппаратной части единой информационной среды 59
2.5 Основные результаты и выводы 62
ГЛАВА 3 Разработка алгоритмов функционирования информационной среды предприятия для проектирования и производства аппаратуры координатно-временного и навигационного обеспечения 64
3.1 Алгоритм передачи данных «электрическая схема –состав изделия» 64
3.1.1 Постановка задачи разработки алгоритма 64
3.1.2 Аппаратные условия функционирования алгоритма 65
3.1.3 Общие требования к алгоритму 66
3.1.4 Структура алгоритма 69
3.2 Методы моделирования теплового поля печатной платы 71
3.3 Методика проверки базы данных Imbase и алгоритм проверки допустимости вхождения заданного элемента в группу спецификаций 79
3.3.1 Разработка методики проверки БД Imbase 79
3.3.2 Постановка задачи разработки алгоритма 82
3.3.3 Аппаратные условия работы алгоритма 82
3.3.4 Общие требования к алгоритму 83
3.3.5 Структура алгоритма 83
3.4 Основные результаты и выводы 85
ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования и испытания87
4.1 Цели и задачи экспериментальных исследований и испытаний 87
4.2 Методика испытаний и тестовые наборы данных 87
4.3 Практические результаты использования алгоритма передачи данных «электрическая схема – состав изделия» 88
4.4 Практические результаты использования алгоритма проверки допустимости вхождения заданного элемента в группу спецификаций 94
4.5 Результаты испытаний единой информационной среды предприятия 95
4.6 Основные результаты и выводы 96
Заключение 97
Список сокращений 99
Список терминов 101
Список литературы 102
- Принципы построения современных информационных систем для проектирования и производства аппаратуры координатно-временного и навигационного обеспечения
- Состав программной части единой информационной среды
- Методика проверки базы данных Imbase и алгоритм проверки допустимости вхождения заданного элемента в группу спецификаций
- Практические результаты использования алгоритма передачи данных «электрическая схема – состав изделия»
Принципы построения современных информационных систем для проектирования и производства аппаратуры координатно-временного и навигационного обеспечения
ИПИ-технологии являются сегодня наиболее перспективными. В основу большинства информационных систем (ИС) как коммерческих (т. е. разрабатываемых компаниями для продажи на рынке ИС), так и разработанных предприятиями для собственных нужд и, как правило, не поставляемых на рынок ИС, положены основные принципы концепции ИПИ.
Как описано в [64], представление об ЕИС было введено в научный обиход задолго до появления CALS (ИПИ)-технологий. Еще в 1983 г. японский ученый Н. Окино опубликовал работу [65], в которой утверждал, что производство материальных объектов и сопутствующие ему процессы проектирования, технологической подготовки и управления так сильно отличаются от других видов деятельности человека, что им должна отвечать особая архитектура программно-методического, математического и информационного обеспечения. По мнению Окино, принципиальная разница между обработкой информации в производственной системе и в других случаях применения вычислительной техники в основном сводится к двум положениям.
1. Производство и все процессы в нем принадлежат физическому миру, а процессы, протекающие в компьютере – миру информации. Следовательно, необходимо преобразование производственных проблем в информационные, а также обратный переход из информационного мира в физический. По сути, это проблема адекватного моделирования, т. е. установления соответствия (по возможности взаимно однозначно) между физическим и информационным пространством. Согласно [65], при создании традиционного математического обеспечения для решения вычислительных задач в центр разработки ставится единственная математическая модель проблемы, которая через прикладной интерфейс адаптируется к различным областям применения (рисунок 1.2). Такой подход к решению производственных проблем практически не реализуем, поскольку ввиду их сложности и многообразия единую модель создать невозможно.
Если в добавление к изучавшимся Окино производственным проблемам включить в рассмотрение еще и проблемы поставок, эксплуатации, обслуживания и ремонта изделий, т. е. все производственные стадии ЖЦ, ситуация становится еще более сложной.
2. В связи с отмеченными выше недостатками традиционного подхода, основанного на схеме, показанной на рисунке 1.2, предлагается отбросить стратегию единственной модели и перейти к стратегии, сущность которой показана на рисунке 1.3.
Здесь роль ядра системы играет не модель, а общая (интегрированная) база данных (ОБД), к которой могут обращаться различные проблемно-ориентированные модели, реализованные в форме программных приложений. Предполагается, что в ОБД хранятся информационные объекты (ИО), адекватно отображающие в информационном мире сущности физического мира: предметы, материалы, изделия, процессы и технологии, разнообразные документы, финансовые ресурсы, персонал подразделения и оборудование предприятия-изготовителя, сервисной и ремонтной служб и т. д.
Упомянутые выше приложения обращаются в ОБД, находят в ней необходимые ИО, обрабатывают их и помещают в ОБД результаты их обработки. В какой-то мере Окино предвосхитил появление объектно-ориентированного подхода, предложив рассматривать все, что происходит в информационном мире, на основе дуализма «объект-операция».
Суть развиваемых в [65] идей состоит, в соответствии с [64], в следующем.
Любой сущности физического мира соответствует ИО, представляющий собой некоторый набор данных. Любой вид использования физической сущности, ее преобразование в другую сущность (или в ту же сущность, но с иными значениями параметров) – обработка, изготовление, измерение, проектирование и т. д. – в информационном мире отображается операцией (командой, программой и т. д.). Между объектом и операцией существует отношение вида
Это отношение означает, что объект Ob получен посредством выполнения операции Op над объектом Ob. Под символами Ob, Ob , Op могут скрываться не только единичные объекты и операции, но и наборы (множества) объектов и операций.
Дальнейшее развитие ИТ привело к появлению объектно-ориентированного подхода, который позволил адекватно перевести многие процессы, протекающие на предприятии, в виртуальное информационное пространство, что и сделало актуальной всю проблематику, связанную с использованием ИПИ-технологий. Сказанное относится, в частности, к процессам конструкторской и технологической подготовки производства, в ходе которых создается техническая документация различных видов и назначения, к процессам управления на всех уровнях, в которых по необходимости приходится иметь дело с большими объемами разнообразной информации. Сегодня эти процессы в значительной мере состоят из операций создания, преобразования, транспортировки и хранения информационных объектов в рамках ЕИС.
Состав программной части единой информационной среды
В соответствии со структурой ЕИС, показанной в главе 2, для поддержки основных этапов ЖЦ аппаратуры КВНО, элементы, входящие в состав ЕИС, должны обеспечивать поддержку работ в следующих основных направлениях:
– проектно-конструкторские работы,
– технологическая подготовка производства,
– производство,
– финансово-экономическая деятельность.
Все системы, применяемые при проектно-конструкторских работах в рамках ЕИС, обеспечивают поддержку и реализацию методологии интегрированного проектирования (рисунок 2.5). При таком подходе этапы разработки изделий более тесно интегрированы друг с другом, а в ряде случаев становятся неразделимы.
Рассмотрим ключевые программные части ЕИС.
Реализация задач, поставленных перед ЕИС, малоэффективна без реализации концепции цифрового прототипа изделия.
Под цифровым прототипом изделия подразумевается, в соответствии с [78], «цифровой макет изделия, применяемый для исследований и испытаний его функций и формы в виртуальном пространстве («в цифре»). Цифровой прототип детализируется по мере того, как уточняются разноплановые проектные данные: концепция и дизайн изделия, его механические и электронные составляющие. Полный цифровой прототип служит виртуальным опытным образцом конечного изделия и предназначен для оценки его характеристик, заданных в исходном техническом задании, проверки работоспособности и оптимизации. Использование цифрового прототипа позволяет реализовать процесс интегрированного проектирования. Применение цифрового прототипа уменьшает потребность в изготовлении опытных образцов и натурных макетов, и повышает вероятность того, что первая опытная партия изделий не будет содержать серьезных недостатков».
Основу электронного прототипа аппаратуры КВНО, в части корпусных деталей, составляет трехмерная параметрическая модель изделия, выполненная в САПР SolidWorks, т. к. именно она содержит описание физических свойств будущего изделия (размеры, материалы, внешний вид). Использование цифрового прототипа в процессе разработки позволило:
- проверить «собираемость» изделия до изготовления опытного образца;
- провести инженерные расчеты на воздействие внешних факторов;
- обеспечить передачу данных геометрии печатных плат из электронной САПР Expedition РСВ (Mentor Graphics) в САПР SolidWorks для проработки дизайна и компоновки изделия;
- провести анализ на технологичность отдельных деталей и изделия в целом;
- получить электронную структуру изделия; - обеспечить совместно с системой электронного архива и технического документооборота Search техническую возможность реализации принципа «безбумажных технологий»;
- оформить комплект конструкторской документации в соответствии с требованиями ЕСКД, причем за счет двунаправленной ассоциативной связи «трехмерная модель - двухмерный чертеж» сократить не только сроки выпуска документации, но и уменьшить количество ошибок в ней и значительно упростить процесс отражения изменений, вносимых в конструкцию изделия;
- ускорить технологическую подготовку производства изделия за счет использования данных, содержащихся в трехмерной модели при разработке управляющих программ для станков с ЧПУ в САМ-программах CAMWorks, ToPs300, ToPs600 и создания технологических процессов в автоматизированной системе технологической подготовки производства TechCARD;
- использовать технологии быстрого прототипирования для быстрого изготовления опытной партии изделий;
- ускорить выпуск эксплуатационных документов, насыщенных графическим материалом за счет использования данных, полученных напрямую с трехмерной модели изделия.
Реализация проведения инженерных расчетов на воздействие внешних факторов, в первую очередь механических воздействий и оценки тепловых режимов работы аппаратуры, в рамках концепции цифрового прототипа и ЕИС, показанная на рисунке 2.6, позволяет получить значительный экономический эффект [79, 80] - срок окупаемости затрат на приобретение и внедрение системы инженерных расчетов ANSYS Mechanical составляет менее года при снижении процента опытных образцов, требующих доработки с имеющихся 32 % до предполагаемых 19 %, то есть разница в 13 %. На практике величина этой разницы зависит от ряда инженерно-технических и человеческих факторов [80], но все равно эффект от внедрения составляет существенную положительную величину. а)
При реализации концепции цифрового прототипа изделия в рамках ЕИС создается и обрабатывается огромный массив разнородных данных. Для эффективной работы ЕИС необходимо обеспечить управление и учет этих данных, контроль доступа к данным. Реализация этих задач в рамках ЕИС возложена на систему электронного архива и технического документооборота Search. Система Search предназначена для создания и ведения архива технической документации предприятия и управления его техническим документооборотом. Параллельно с архивом документов в Search ведется база данных изделий, выпускаемых и используемых на предприятии, включая информацию о составе и применяемости этих изделий. Модули управления проектами и маршрутизации документов позволяют организовать коллективную работу над проектами – календарное планирование работ по проекту, выдачу заданий и контроль их исполнения, автоматизацию процедур согласования и утверждения документов.
В этой же системе реализованы процедуры, вытекающие из информационных потоков, приведенных ранее в главе 2. Как пример можно привести процедуру оформления заявки на внесение/изменение покупных изделий в общий справочник, приведенный на рисунке 2.7.
Такие формализованные процедуры являются техническим воплощением требований, изложенных в регламентирующих документах (стандартах предприятия, инструкциях) и описаниях информационных потоков. За счет однозначности определения взаимосвязей между этапами работ, требований к передаваемой информации, ответственности достигается лучшая управляемость процессов и появляется возможность по оптимизации информационных потоков на основе большого массива статистической информации.
Программный комплекс Expedition PCB фирмы Mentor Graphics применяется для разработки и оформления электрических схем и разработки печатных плат с использованием единой базы данных компонентов.
Среди комплекса ПО по проектированию СБИС необходимо выделить ряд ключевых элементов, влияние которых на качество конечного изделия и скорость работ по проектированию очень велико. К таким элементам следует отнести системы разработки, анализа и верификации архитектуры СБИС на системном уровне (в контексте представленной в главе 2 ЕИС – это системы Mentor Graphics Vista Architect и Agilent ADS) и систему программно-аппаратной верификации (в контексте представленной в главе 2 ЕИС – это система Mentor Graphics Questa Codelink Turbo).
Моделирование СБИС на системном уровне позволяет проанализировать проект с точки зрения производительности, энергопотребления, определить «узкие» места и принять соответствующее решение по их устранению на самом раннем этапе проектирования, т. е. затраты на внесение корректировок минимальны. Отработанные на системном уровне модели в дальнейшем могут быть использованы в качестве эталона на последующих этапах проектирования (при моделировании на уровне RTL).
Методика проверки базы данных Imbase и алгоритм проверки допустимости вхождения заданного элемента в группу спецификаций
Важной составляющей эффективности проводимых работ по обеспечению всего ЖЦ аппаратуры КВНО в рамках ЕИС является качество наполнения и количество данных, хранимых в справочно-информационных БД. В таких БД могут храниться НТД, типовые элементы, используемые при разработке/конструировании/производстве аппаратуры КВНО, сведения об используемых ЭРЭ, материалах и т. п. Следует отметить, что, как правило, элементы таких БД имеют ссылку друг на друга. Например, трехмерная модель ЭРЭ может ссылаться на:
- НТД, в соответствии с которой разрабатывалась трехмерная модель;
- модель, используемую при разработке схем электрических принципиальных и конструировании ПП в САПР Expedition РСВ;
- запись в БД, которая будет использована при формировании текстовой табличной КД (ПЭ, СП, ВП и т. д.). Такие БД, как правило, поставляются в составе САПР или систем электронного архива, или же доступны как отдельные продукты. Наполнение информацией и поддержание в актуальном состоянии таких БД целиком и полностью находится в ведении специализированных подразделений/сотрудников предприятия, т. к. наполнение таких БД универсально и не отражает специфику деятельности конкретного предприятия. В ОАО «РИРВ» такие задачи выполняют сотрудники бюро нормативно-справочных систем и сектора САПР. Отчасти, исключением можно считать БД НТД (в ОАО «РИРВ» используется система «Технорматив»), за содержание и актуальность хранимой информации в которой отвечает фирма-поставщик, а сотрудники предприятия только заказывают необходимые НТД.
Пополнение справочно-информационных БД во всех случаях ведется на основании заявок разрабатывающих подразделений.
Информация, хранящаяся в справочно-информационных БД, доступна всем пользователям ЕИС только для чтения.
Поскольку такого рода БД являются центральными, в том смысле, что в них хранится основополагающая информация об элементах (типы и посадочные места ЭРЭ, трехмерные модели ЭРЭ, марки материалов, НТД и т. п.) и хранимая информация применяется на всех стадиях ЖЦ аппаратуры КВНО, следует уделять особое внимание корректности и безошибочности хранимых там данных.
В ЕИС, создаваемой на предприятии, одной из таких центральных справочно-информационных БД является БД Imbase. В ней хранится информация о полном типономинале элемента (т. е. то, что вносится в ПЭ, СП, ВП), ссылки на соответствующий элемент БД САПР Expedition PCB и трехмерную модель элемента (если применимо), НТД на элемент и ряд других данных.
Ошибки, допущенные при формировании такой БД, негативно сказываются на качестве НАП. Для предотвращения появления ошибок в БД Imbase на предприятии проводится многоступенчатая проверка данных. Общая методика проведения работ по внесению/изменению записи в БД Imbase приведена на рисунке 3.6. Рисунок 3.6 – Общая методика проведения работ по внесению/изменению записи в БД Imbase 3.3.2 Постановка задачи разработки алгоритма
Одним из наиболее трудоемких этапов в указанной методике является создание СП специального вида с именами «Пополнение БД Imbase »
(«Пополнение БД Imbase 01», «Пополнение БД Imbase 02» и т. п.), в которые вносятся все элементы, вносимые в БД Imbase в раздел «БД РИРВ». Поскольку на сегодняшний день в БД Imbase в разделе «БД РИРВ» содержится порядка 24 000 записей, то только на проверку правильности составления СП «Пополнение БД Imbase _» тратилось много времени.
Соответственно, разрабатываемый алгоритм должен исключить ручные операции по проверке правильности составления СП «Пополнение БД Imbase ». Для этой цели в алгоритме должны быть реализованы следующие действия:
- проверка того, все ли элементы БД Imbase раздела «БД РИРВ» занесены в СП «Пополнение БД Imbase _»;
- проверка количества вхождений каждого элемента БД Imbase раздела «БД РИРВ» в СП «Пополнение БД Imbase _». Каждый элемент БД Imbase раздела «БД РИРВ» должен входить в СП «Пополнение БД Imbase _» только один раз;
- вывод оператору списков элементов, которые:
внесены в БД Imbase раздела «БД РИРВ», но ни разу не применялись в системе Search;
входят в несколько СП «Пополнение БД Imbase _»;
входят в одну СП «Пополнение БД Imbase _».
БД Imbase в ОАО «РИРВ» работает на базе СУБД Microsoft SQL Server 2005, а т. к. алгоритм реализован на встроенном в СУБД языке программирования Transact-SQL (T-SQL) и не использует дополнительных компонент, то требования к аппаратному обеспечению такие же, что и у клиентской части СУБД Microsoft SQL Server 2005 и приведены в таблице 3.5
Практические результаты использования алгоритма передачи данных «электрическая схема – состав изделия»
Если рассматривать процесс формирования КД на ПП в контексте единой ЕИС, обобщенная схема которой приведена на рисунке 4.1, то работы, показанные на рисунке 3.2 в п. 1, 2б, 3б, 5 выполняются на этапе разработки электрических схем (1), а формирование СП, ВП и других перечней – на этапе разработки конструкций ПП (2).
В результате такого подхода мы имеем структуру изделия (ПП) в электронном архиве (рисунки 4.2 и 4.3), полностью адекватную схеме электрической принципиальной и составу конструкции ПП, а также комплект документов, выполненных в соответствии с требованиями ЕСКД (рисунок 4.4).Следует отметить, что автоматизация разработки текстовой КД, один из вариантов которой рассмотрен в работе, позволяет обеспечить непрерывность передачи данных в рамках ЕИС.
Численно эффект от применения алгоритма выражается в снижении трудоемкости разработки текстовой КД. В соответствии с [93] нормативная трудоемкость разработки текстовой КД (7 ) определяется по формуле: TT=tTn, (4.1) где tT - нормативная трудоемкость разработки листа формата А4; п - число листов текстовой КД формата А4. tT составляет 0,15 ч на одну позицию в спецификации, и 0,30 часа на одну позицию в ведомости покупных изделий [93]. Используя средства, рассмотренные в [94], можно значительно сократить значение параметра tT - -min. На практике такое сокращение может составлять 10-50 % от нормативного значения.
С учетом того, что на практике сокращение сроков разработки текстовой табличной КД имеет большой разброс от 10 до 50 %, т. к. зависит от многих факторов (наличия готовых элементов в БД, типа КД, степени подготовки инженера-конструктора) для оценки общей эффективности возьмем усредненную величину - 20 %. Также будем считать, что количество сборочных единиц, для которых применим алгоритм, составляет 30 % от общей численности и количество позиций в спецификации 12 шт. на страницу формата А4. Таким образом, нормативная трудоемкость страницы спецификации составляет 3 часа. Усредненная стоимость нормо-часа по данным [95] составляет (среднемесячная заработная плата - 52 134 руб., среднее количество рабочих дней/часов в месяце 22,4/179,2) - 291 руб. Итоговые показатели сокращения трудоемкости разработки текстовой табличной КД по выбранным изделиям КВНО приведены в таблице 4.2.
Практические результаты от использования алгоритма проверки допустимости вхождения заданного элемента в группу спецификаций выражаются в увеличении вероятности PСП безошибочного выполнения операций формирования СП «Пополнения БД Imbase __», уменьшения интенсивности СП допущенных при выполнении этих операций ошибок, сокращения времени, затраченного на проверку разработанной СП.
В соответствии с [96] вероятность Pi безошибочного выполнения операций i-го вида и интенсивность Xi допущенных при выполнении этих операций ошибок определяются на основе статистических данных по следующим выражениям: где Ni – общее число выполняемых операций i-го вида, Ci – допущенное при этом число ошибок, Ti – среднее время выполнения операции i-го вида. Предполагая, что интенсивность Xt - постоянная величина, можно определить вероятность безошибочного выполнения всей операции в целом:
Основной эффект от внедрения ЕИС заключается в снижении временных затрат при выполнении следующих работ. Количественные показатели сокращения сроков проверки КД приведены на рисунке 4.5.
В ходе проведенных работ получены следующие результаты:
1. Разработана методика испытаний и проведены испытания алгоритма передачи данных «электрическая схема - состав изделия». Испытания показали, что применение алгоритма сокращает время, затраченное на передачу данных «электрическая схема - состав изделия» на 25 %.
2. Разработана методика испытаний и проведены испытания алгоритма проверки допустимости вхождения заданного элемента в группу спецификаций. Испытания показали, что применение алгоритма позволяет исключить ошибки при формировании СП «Пополнение БД Imbase _».
3. Разработана методика испытаний и проведены испытания ЕИС. Испытания показали, что работа в рамках ЕИС позволяет:
- свести к 0 долю ручного труда по формированию электронной структуры изделия;
- организовать электронный документооборот КД;
- сократить затраты времени на формирование ВП на 95 %;
- сократить затраты времени на получение КД на 25 %.
В качестве выводов следует отметить следующее:
1. Наибольший эффект дает применение всего комплекса средств ЕИС.
2. Проведение работ в рамках ЕИС позволяет повысить качество разрабатываемых НАП.
Путь от осознания необходимости применения ИПИ-технологий до полноценного внедрения ЕИС, как показывает опыт зарубежных стран [97], достаточно длителен, часто занимает порядка пяти лет. Но как показывает практика, не начав этот процесс, невозможно разрабатывать и производить конкурентоспособную аппаратуру КВНО в современных жестких и быстро меняющихся условиях.
В результате выполнения диссертационной работы предложено решение задач, имеющих существенное значение для проектирования, конструирования, технологии производства и испытаний аппаратуры КВНО, а именно:
1. Сформирована единая информационная среда проектирования и производства аппаратуры координатно-временного и навигационного обеспечения, позволяющая обеспечить вертикальную интеграцию этапов работ и минимизировать количество преобразований информации.
2. Снижена трудоемкость на 25 % одного из этапов проектирования аппаратуры координатно-временного и навигационного обеспечения за счет разработки и реализации алгоритма передачи данных «электрическая схема – состав изделия».
3. Снижено количество ошибок в интегрированной базе данных за счет разработки методики и алгоритма контроля пополнения интегрированной базы данных Imbase в среднем на 5–7 %.
4. Разработан метод, основанный на применении теории многомерных сплайнов, позволяющий расширить возможности ПО BetaSoft-Board при моделировании тепловых режимов печатных плат аппаратуры КВНО в части определения значений температуры в произвольной точке печатной платы.
