Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Информационные технологии в проектировании, производстве и эксплуатации промышленной продукции 19
1.1 Особенности информационной поддержки жизненного цикла продукции 19
1.2 Классификация проблемно-ориентированных производственных систем 27
1.3 Интеллектуальные информационные технологии конструкторско-технологической подготовки производства сложных промышленных изделий 29
1.4 Организация единого информационного пространства 32
1.5 Выводы по первой главе 45
ГЛАВА 2 Концептуальное моделирование производственных систем 47
2.1 Системное моделирование в задачах конструкторско-технологическойподготовки производства 47
2.2 Иерархическая модель системы технологического проектирования 58
2.3 Концептуальное моделирование жизненного цикла промышленной продукции 71
2.4 Синтез концептуальной модели предметной области КТП 82
2.5 Выводы по второй главе 90
ГЛАВА 3 Разработка информационного согласования систем ситуационного управления 93
3.1 Организация взаимодействия моделей сложных производств 93
3.2 Интеллектуализация выбора управления при конструкторско-технологическом проектировании СПИ 99
3.3 Информационный критерий качества проектирования 110
3.4 Ситуационное управление системой КТП СПИ 114
3.5 Выводы по третьей главе 124
ГЛАВА 4 Выработка управляющих воздействий при проектировании пластинчатых конструкций РЭС 126
4.1 Влияние внешних механических факторов на пластинчатые конструкции РЭС 126
4.2 Анализ динамики пластинчатых конструкций на основе математического моделирования 126
4.3 Сравнение результатов моделирования с тестовыми задачами 134
4.4 Разработка нормативно-методического обеспечения испытаний РЭС 144
4.5 Выводы по четвертой главе 153
Заключение 155
Список литературы 159
Приложения 169
- Особенности информационной поддержки жизненного цикла продукции
- Системное моделирование в задачах конструкторско-технологическойподготовки производства
- Организация взаимодействия моделей сложных производств
- Анализ динамики пластинчатых конструкций на основе математического моделирования
Введение к работе
Построение эффективных систем является одной из сложнейших проблем современности, поскольку создаются все более сложные системы. Для обеспечения целенаправленного решения этой проблемы создано и развивается специальное направление общей теории систем - системное проектирование. В практике это комплекс исследовательских и проектных мероприятий, в ходе которых определяются подсистемы, компоненты и способы их соединения, задаются ограничения, при которых система должна функционировать, выбирается наиболее эффективное сочетание подразделений и связей между НИМИ.
В мировой практике в последнее десятилетие в различных сферах производства и эксплуатации образцов сложных промышленных изделий (СПИ) интенсивно ведутся работы по созданию и практическому использованию прикладных CALS - технологий. В настоящей работе разрабатываются формальный подход, методы и средства создания информационных технологий (ИТ) ситуационного управления процессами конструкторско-технологической подготовки производства СПИ применительно к условиям и требованиям всех фаз жизненного цикла образцов заданного класса.
Развитие современных информационных технологий (ИТ) связано с дальнейшим расширением интеграционных процессов как в области поддержки постпроизводственных этапов жизненного цикла объектов промышленного производства, так и по интеграции самой производственной среды. Эти аспекты развития промышленных информационных технологий нашли отражение и концепции создания, поддержки и применения единой «информационной» модели на всех этапах жизненного цикла продукции - от ее проектирования до эксплуатации и утилизации - С4-технологий.
Следует выделить особенности управления процессом конструктор-ско-технологического проектирования сложных промышленных изделий, которые не обеспечены существующими программными средствами управления проектами. Это:
• сильная информационная связанность проектных работ и, как следствие» сложность составления календарного плана;
• невозможность определения в календарном плане точных сроков выполнения проектных работ при разработке новых сложных изделий;
• наличие групп работ с итеративным характером выполнения, требующих специального управления;
• сильная зависимость последующих работ от характера полученных результатов из предшествующих работ, что требует повышенной согласованности в технических и организационных сферах.
В то же время современные программные средства не универсальны. Отметим некоторые слабые места существующих программных средств:
•неприспособленность табличных и графических средств для составления плана (включая изменения последовательности и характера работ) и управления его реализацией в проектах разработки сложных изделий, поскольку они разработаны для удобства отображения информации о проекте;
•отсутствие средств описания и управления информацией, циркулирующей в ходе реализации проекта;
•неразвитость описания рекомендаций и алгоритмов принятия решений в ключевых фазах проекта.
Отсюда вытекает необходимость разработки нового программного комплекса, построенного на такой модели описания сложной системы, которая была бы удобна для управления процессом разработки систем управления производственными процессами наукоемкой продукции. Подобным условиям удовлетворяет концептуальная модель предметной области, разработке которой уделяется далее достаточное внимание.
Современные системы проектирования и производства промышленных изделий представляют собой сложные системы, включающие подсисте мы автоматизации планирования и управления, управленческие информационные системы, используемые в масштабе всего предприятия, а также интегрированные системы автоматизированного проектирования и технологической подготовки производства (САПР/AC ТИП). Анализ подобных систем, повышение эффективности их функционирования является важной народнохозяйственной задачей.
Одним из важнейших направлений работ по обеспечению высокоэффективного конструкторско-технологического проектирования (КТП) сложных промышленных изделий является обеспечение согласованного совместного использования существующих пакетов прикладных программ (ППП), каждый из которых построен в разное время, на основе разнообразных математических моделей и приемов» у которых реализована своя система информационного взаимодействия.
Все это затрудняет совместное использование ППП, необходимых на данной стадии проектирования, производства и эксплуатации изделия. Синтез системы межпрограммного взаимодействия различных ППП позволяет повысить эффективность КТП сложной наукоемкой продукции. Под эффективностью будем понимать получение экономического эффекта при сокращении сроков проектирования, технологической подготовки производства и выпуска продукции, что невозможно без рационального использования информационных, материальных и людских ресурсов при организации ситуационного управления конструкторско-технологического проектирования сложных промышленных изделий (СПИ).
Уровень КТП сегодня определяет сроки выпуска новой продукции ее качество и конкурентоспособность. Поэтому особую актуальность приобретают вопросы автоматизации КТП.
В настоящее время ресурсы отечественных предприятий (парк обору-дования, состав специалистов, организация работ, уровень автоматизации КТП) не обеспечивают в должной мере выпуска продукции, отвечающей мировым стандартам, и в сроки, определяемые темпами мирового научно-технического развития. Основные сегодняшние проблемы КТП в отечественной промышленности состоят в следующем:
• проектирование во многих случаях носит ручной характер, применяемые средства автоматизации используются для решения лишь отдельных (и далеко не всегда самых важных) задач, нет комплексного характера автоматизации;
• коммуникации между специалистами и службами КТП осуществляются в основном на бумажных носителях, что приводит к общему замедлению всех процессов КТП;
• решение задач обеспечения технологичности конструкции начинается на поздних стадиях проектирования изделия, что приводит к многочисленным изменениям в конструкторской документации;
• допускается большое число ошибок при проектировании, следствием чего являются значительные финансовые и временные затраты на проведение необходимых изменений;
• отсутствует эффективная специализация и кооперация с другими предприятиями при решении задач КТП.
Практически все ведущие предприятия видят решение большинства проблем КТП во внедрении компьютерных технологий, создании автоматизированных систем ТПП (АС ТПП), На многих из них существенно повышен уровень комплексного решения проектных задач. Информация о спроектированном изделии принимается в электронном виде и является исходными данными для развертывания процессов КТП. Компьютеризировано решение комплекса задач по проектированию и изготовлению оснастки, выполняется компьютерное моделирование технологических процессов литья из пластмасс, штамповки, обработки на станках с ЧПУ и др. Некоторые предприятия вплотную подошли к решению задачи автоматизации управления процессами не только конструкторской, но и технологической подготовкой производства.
Таким образом, наибольший ффект от интегрированных производств может быть достигнут при внедрении информационных технологий на этапах конструкторе ко-технологичес кой подготовки производства, что определяется особыми требованиями к ней.
Автоматизация технологической подготовки производства имеет следующие основные особенности [I]:
- больший объем работ;
- большая трудоемкость, определяемая высокой сложностью задач;
- низкая степень формализации проектных процедур;
- многовариантность технологических решений;
- разнообразие видов технологического проектирования;
- существенное влияние на качество СПИ.
Высокие требования, предъявляемые к системам технологического проектирования, характер решаемых задач определяет ее значение в процессе создания СПИ. Она наиболее существенно влияет на эффективность этого процесса. Увеличение возможностей технологического проектирования не только влияет на процесс создания СПИ, но и способствует повышению конкурентной способности предприятий. Это определяет широкое распространение автоматизированных систем технологической подготовки производства (АСТПП) в мировой практике.
Таким образом, актуальность работы состоит в разработке ресурсосберегающих компьютерных технологий конструкторско-технологического проектирования сложных промышленных изделий.
Проблемам системного анализа, обработки информации и управления сложными системами посвящены работы А.С. Бугаева, ЮХВермишева, Ю.Б, Зубарева, А.А. Денисова, Ю.И. Дегтярева, СВ. Емельянова, В.А. Каштанова, А.В. Кострова, Н.Н. Моисеева, А.ІХ Реутова, Н,А, Северцева, А.И. Уемова, Б.С- Флейшмана и др., а также Дж. Кантера, Дж. Клира, К, Негойце, М. Месаровича, И. Такахары, Ч. Мидоу, Д. Дж, Уайлда, П. Уинстона и др.
Концепция электронного макета не является новацией в проектно-производственных средах, где эта концепция эксплуатируется уже многие годы в виде информационных моделей в сквозных системах «проектирование -производство». За последние годы методология электронного макета получила широкое развитие в постпроизводственных фазах.
Ключевыми факторами достижения эффективной и производительной организации труда являются реорганизация схемы прохождения информационных потоков, оптимизация организационной структуры предприятий и схемы управления производственными и постпроизводственными процессами. Таким образом, формируется единое информационное пространство, в котором создается и поддерживается информационная модель изделия на протяжении его жизненного цикла.
Средства компьютерной автоматизации инженерного труда, используемые в составе интегрированных производств, разнообразны по возможностям, аппаратным платформам, по назначению. В России и за рубежом в данной предметной области сложилась различная терминология. Широкое использование зарубежных программных продуктов наряду с отечественными делает невозможным однозначное понимание назначения и возможностей конкретной системы [2].
Анализ современного состояния и перспектив развития информационных технологий управления КТП показывает актуальную необходимость применения средств автоматизации управления подобными сложными системами. Обзор существующих программных средств (ПС) управления проектами, таких как: Microsoft Project, Time Line, Project Expert, Primavera Project, Project Scheduler, CA-SuperProject, TurboProject Professional, SureTrack Project Management и других - позволил классифицировать технологии управления и базовые функциональные возможности рассмотренных программных средств (ПС) [3].
Управление будем рассматривать как технологический процесс сбора, обработки и представления информации, необходимой для выработки управляющих воздействий. Процесс управления включает большое количество дискретных управляющих воздействий, осуществляемых на разных уровнях организации КТП и представляет собой некоторое действие из множества возможных действий, направленных на достижение определенной цели. При этом каждое действие системы управления КТП определяется состоянием его элементов и поданными на эти элементы управляющими воздействиями, т.е. каждому объекту множества сопоставима пара объектов, таких, что один из них принадлежит множеству состояний элементов КТП, а другой — множеству управляющих воздействий. Ситуационное управление предполагает необходимость в прогнозе последствий принимаемых решений. Результат такого прогнозирования может носить качественный или количественный характер.
Принятие управляющих решений должно быть оперативным, отвечать целевой функции системы, учитывать текущее состояние и прошлый опыт данной и подобных систем. При этом важнейшее значение имеют полнота и достоверность информации о текущем состоянии объекта, упорядоченное и избирательное отображение информации.
Недостатком существующих и разрабатываемых систем управления (СУ) является то, что они реализуют технологические алгоритмы, й которых задаются в основном защиты, блокировки и контуры локального автоматического регулирования. При этом формирование структуры технологического процесса (ТП) (структуры конкретного материального потока) возлагается на оперативный персонал и средства дистанционного управления отдельными исполнительными механизмами. Тем самым в АСУ ТП закладывается чрезвычайно низкий уровень автоматизации управления. При таком подходе эффективность управления процессами в целом определяется квалификацией персонала (его носителя), а информация о процессе (структуре, задействованных ресурсах, времени формирования, выполнения, результатах и т.п.) не может быть доступной вышестоящим информационным системам, какие бы глубокие и продвинутые средства не привлекались для интеграции таких систем. Фактически оперативность и точность решения задач управления структурой потоков зависит от субъективного фактора- Следствием этого являются многочисленные потери в технологии. Достоверно известно, что большинство сбоев в производственной среде обусловлены ошибками персонала.
Таким образом, создание средств автоматизации процессов конструк-торско-технологического проектирования сложных наукоемких промышленных изделий, в том числе ИТ ситуационного управления, является актуальной задачей.
Объектом исследования являются интегрированные производственные комплексы на базе САПР/АСТПП производства сложных высокотехнологичных и наукоемких промышленных изделий.
В работе сформулирована и решена научно-техническая задача разработки формального подхода, методов и средств создания ИТ ситуационного управления процессами конструкторско-технологического проектирования сложных промышленных изделий применительно к условиям и требованиям всех фаз жизненного цикла образцов заданного класса.
Целью работы является совершенствование методов и средств создания ситуационных систем управления новыми и модернизируемыми технологическими производствами как пространств с распределенными функциональными возможностями.
Для реализации этой цели автором решены следующие научные задачи:
• разработана концептуальная модель предметной области производственных комплексов создания сложных промышленных изделий на основе интеграции САПР/АСТПП;
• разработана иерархическая модель программ технологического проектирования;
• разработан иерархический критерий качества КТП;
• разработаны современные сервисные программы, усовершенствована электронная версия специализированного пакета прикладных программ, предназначенного для численного определения динамических характеристик пластинчатых конструкций радиоэлектронных средств;
• разработан алгоритм информационного согласования существующих пакетов прикладных программ, созданных в разное время разными группами разработчиков на основе разнообразных математических выражений и приемов.
В первой главе проведен системный анализ особенностей информационной поддержки жизненного цикла сложных промышленных изделий, особенностей современных информационных технологий (ИТ), находящих свое применение в задачах конструкторско-технологического проектирования сложных промышленных изделий- Проведена классификация проблемно-ориентированных производственных систем. Дан анализ интеллектуальных ИТ КТП СПИ и методов организации единого информационного пространства. Произведена постановка научной задачи исследования.
Ключевыми факторами достижения эффективной и производительной организации труда являются реорганизация схемы прохождения информационных потоков, оптимизация организационной структуры процессов принятия проектных решений по проектированию и производству. Сформировано единое информационное пространство, в котором создается и поддерживается информационная модель изделия на протяжении его жизненного цикла.
Управление рассматривается как технологический процесс сбора, обработки и представления информации, необходимой для выработки управляющих воздействий. При этом каждое действие системы информационного согласования определяется состоянием его элементов и поданными на эти элементы управляющими воздействиями, т.е. каждому объекту множества сопоставима пара объектов, таких, что один из них принадлежит множеству состояний системы проектирования и производства, а другой - множеству управляющих воздействий.
Обоснована актуальность решения задачи организации процесса проектирования, в котором проектные решения принимаются и корректируются на уровне моделей. Показано, что успех в решении проектных задач во многом определяется выбранной схемой взаимодействия моделей.
Проведен анализ современного состояния развития информационных технологий производства изделий, организации единою информационного пространства, проведена классификация проблемно-ориентированных производственных систем, обоснование выбора прототипа ситуационной системы управления КТП, з также сформулированы основные требования к программной системе анализа и прогноза состояний КТП СПИ.
Во второй главе проводится разработка методов системного моделирования СПИ на основе единого алгебраического подхода к преобразованию моделей и организации системы межмодельного информационного взаимодействия, а также синтез иерархической модели системы управления технологическим проектированием. Синтезирована концептуальная модель предметной области проектирования и производства СПИ,
Для автоматического синтеза моделей всех этапов ЖЦ предложено использовать оперативную базу данных, пополнение которой осуществляется по ходу решения конкретной задачи из баз данных (БД), которые являются частью разработанных ранее (или вновь создаваемых пакетов прикладных программ (ППП)) моделирования отдельных этапов ЖЦ. Интеллектуальный интерфейс пользователя дает возможность ЛПР организовать взаимодействие данных и знаний, имеющихся на каждом уровне ЖЦ с целью повышения эффективности процесса моделирования. Предлагаемая схема организации межмодельного взаимодействия позволяет автоматизировать наиболее трудоемкие операции информационного обмена между разнообразными ППП. В случае отсутствия или неполноты моделей этапа ЖЦ экспертная система обеспечивает ЛПР возможность организации «быстрых» моделей, способных обосновывать принятие решения.
В математическом плане задача проектирования высокотехнологичных и наукоемких промышленных изделий относится к многокритериальной и сводится к построению множества (подмножества) Парето. Нахождение такого множества и ранжирование его элементов представляет собой сложную и актуальную проблему.
Модель предметной области, созданная на концептуальном уровне, позволяет глубже вникнуть в процессы, происходящие на каждом из этапов жизненного цикла, и тем самым повысить достоверность использования средств моделирования.
Осуществляется разработка рекуррентного алгоритма параметрического синтеза математической модели системы управления процессом технологического проектирования. Создается мультииерархическая модель структуры системы технологической подготовки производства (ТПП). Дается модель программного обеспечения в виде совокупности задач, дополнительной информации, вопросов начального уровня, основной информации и самой модели. Обосновывается принцип действия алгоритма работы мультииерархической структуры, а также применение теоретических положений к решению задачи автоматизации технологического проектирования. Проводится анализ технологической системы, системного подхода к ее анализу. Проектная задача рассматривается как поиск пути на графе. Определяются цели технологического управления, вводится описание процесса функционирования и структура системы принятия решений.
В третьей главе разрабатывается программный модуль информационного взаимодействия, который может автоматически определять тип головного приложения (P-CAD различных версий, Accel EDA или какая-либо другая программа САПР), при этом экспертная система программного модуля может обучаться для дальнейшей работы с этими приложениями. Поскольку для расчетов необходимы дополнительные сведения, то имеется открытая база данных (БД), которая может пополняться пользователем или обновляться, например, через Интернет- При необходимости в систему могут быть добавлены другие базы.
На кафедре КиПРА ПГУ была разработана программа «Vuplat», которая проверяла печатную плату на вибропрочность. Перед автором стояла задача связать программу VuPlat с современным программным обеспечением. В качестве современного программного обеспечения был выбран P-CAD 2001 (Accel Eda), который имеет свой интерфейс DBX для связи с внешними программами. Для этого был создан модуль на языке Borland Delphi, который использовал процедуры и функции отрытого интерфейса DBX. Также автром была разработана программа согласования P-CAD 2001 с программой Vuplat. Эта программа получала данные из P-CAD 2001 и формирует файл формата программы Vuplat, в котором находились все параметры для работы программы Vuplat,
Таким образом, за счет интеллектуализации межпрограммного интерфейса повышается эффективность процессов конструкторско-технологической подготовки производства сложных наукоемких промышленных изделий.
Введен информационный критерий качества алгоритма проектирования. Вводится термин информативность АС ТПП, предлагается методика его вычисления.
Далее предлагается система ситуационного управления КТП, синтезированная на основе проведенного концептуального анализа существующих пакетов автоматизированного управления.
Основное содержание четвертой главы состоит в практическом применении разработанных ранее моделей и программных средств по анализу динамики пластинчатых конструкций радиоэлектронных средств (РЭС)5 что дает возможность априорно, расчетными методами, оценить стойкость РЭС к воздействию механических факторов. Функциональные возможности программных средств обеспечивают простоту «общения» пользователя с компьютером, удобство и компактность представления информации, а также позволяет сократить объем натурных испытаний и удешевить сам процесс испытаний, что является показателем прямой эффективности предлагаемых пакетов программ.
Модели сложных конструкций строятся обычно в виде трехмерных дискретных структур - совокупности дискретных элементов, каждый из которых описывается геометрическими и физическими параметрами. Дискретизация может производиться различными способами, в зависимости от используемого численного метода решения задачи - метода конечных разностей (МКР), метода конечных элементов (МКЭ), вариационно-разностного метода
(ВРМ), Но в любом случае должен быть задан алгоритм формирования дискретной структуры по известному описанию объекта.
Универсальность метода конечных разностей, сравнительная простота алгоритмов делают его наиболее эффективным методом при решении сложных задач анализа вибро стойкости пластинчатых конструкций.
Разработаны современные сервисные программы, усовершенствована электронная версия пакетов прикладных программ, разработаны и усовершенствованы методики пользователя специализированных пакетов прикладных программ, предназначенных для численного определения динамических характеристик пластинчатых конструкций РЭА,
Решены конструкторские задачи по определению низших резонансных частот колебаний конструкции (первой и второй) на основе использования приближенных итерационных методов, которые состоят в последовательном уточнении значений перемещений в узлах модели при резонансе - собственной формы - и соответствующей ей собственной частоты.
Проведена оценка погрешности численного расчета основной частоты колебаний пластинчатой конструкции, как одного из основных параметров вибрационной нагрузки. Вычислительный эксперимент был проведен с использованием модели реальной платы. Задача решалась для двух вариантов крепления платы.
В заключении изложены основные результаты диссертационной работы и возможные направления дальнейших разработок по исследованной проблеме.
В приложении приводится описание пакета программ «Vuplat»,
Особенности информационной поддержки жизненного цикла продукции
Процесс конструкторско-технологической подготовки производства обеспечивает формирование конструкторской и технологической документации по всем компонентам деталей и сборочных единиц (ДСЕ), Входными данными процесса являются планы конструкторско-технологической подготовки (КТП), инструментальными средствами ИТ - функциональные системы автоматизации проектирования и технологической подготовки производства. Одними из компонентов конструкторе ко-техно логической документации (КТД) являются полные спецификации ДСЕ и маршрутные процессы их производства, необходимые для управления производством.
Процесс планирования производства предусматривает формирование планов изготовления ДСЕ, контроль и корректировку хода их реализации с учётом состояния производства и конъюнктуры сбыта. Планирование - иерархическое и многофакторное, учитывающее все компоненты технологических операций. Операции планирования - дискретно-непрерывные. Частота обновления программы производства определяется видом производства. Для гибких автоматизированных систем программы могут формироваться ежесуточно и охватывать все аспекты технологических и транспортно-складских операций. Основным инструментарием ИТ-процесса планирования производства являются сетевые модели и базы данных (БД), отражающие актуализируемые информационные модели производства и прохождения заказа в форме информационных моделей материальных потоков.
На схеме (рис. 1Л) технология управления производством отражена общим блоком "производственная операционная среда1 , входом которого являются КТД и плановый заказ на готовую продукцию, а выходом - управление производственными процессами и снабжением.
Заказ является центральным компонентом БД автоматизированной системы управления производством. Семантическая конструкция (заказ) имеет структуру: заказ : = { ДСЕ маршрут ДСЕ ), т.е. представляет собой множество мощностью по числу ДСЕ, каждый компонент которого содержит имя ДСЕ с необходимыми реквизитами материально-технического обеспечения, маршрутом производства и планом выпуска ДСЕ. Заказ является заявкой на один вид комплексных работ. Маршрут содержит операции обработки и сборки с привязкой к месту производства (цех, участок, обрабатывающий центр). На основе потока заявок - заказов формируются программы производства и снабжения по всем объектам планирования. В процессе прохождения заказа его позиции в БД актуализируются. Периодическая обработка БД обеспечивает итерационное редактирование программы.
Целью применения С4І5"Технологий как инструмента организации и информационной поддержки всех участников создания, производства и пользования продуктом является повышение эффективности их деятельности за счет ускорения процессов исследования и разработки продукции, придания изделию новых свойств, сокращения издержек в процессах производства и эксплуатации продукции, повышения уровня сервиса и технического обслуживания. В современных условиях С415-технологии являются важнейшим инструментом повышения эффективности производства промышленных изделий.
Система полного электронного макетирования должна строиться па сетевой структуре управления данными и включать: совокупность утвержденных форм документов, правила доступа к ним? порядок и пути перемещения документов и обеспечивающие программно-технические средства. Фактически такие системы должны стать стандартами предприятий на документооборот в единой электронной информационной среде.
Электронный макет изделия хранится в единой базе данных разрабатываемого проекта. База данных проекта представляет собой набор связанных между собой таблиц, в основе которых лежит интегрированная спецификация сборочной единицы. Термин «интегрированная спецификация» применяется в том смысле, что помимо информации, предусмотренной ГОСТом 2.108-68, в ней должны содержатся геометрические модели, фотореалистичные изображения, аудио- и видео- информация, данные для автоматизированной технологической подготовки производства, включающие информацию для oперационных технологических процессов, нормирования, снабжения, организации производственных участков и всего производства в целом, В международном стандарте ISO 13584 определяется информация по структуре и средствам взаимодействия с подобными базами данных- Внедрение в работу предприятий системы ведения проекта является важным шагом в формировании единого информационного пространства предприятия- Подобные системы должны обеспечивать управление разработкой проекта и администрирование базы данных проекта.
Ключевыми факторами достижения эффективной и производительной организации труда являются реорганизация схемы прохождения информационных потоков, оптимизация организационной структуры предприятий и схемы управления производственными процессами. Таким образом, формируется единое информационное пространство, в котором создается и поддерживается информационная модель изделия на протяжении его жизненного цикла.
Функциональные системы (ФС) информационных технологий (ИТ) строятся в форме типовой структуры (рисЛ-2) на основе базовых средств с соблюдением стандартных архитектурных правил, определяющих внешние и внутренние интерфейсы, открытость системы для её развития и модульность построения [s].
Основу внутреннего содержания структуры функциональной системы (ФС) составляют базы данных (БД) предметных областей и процедуры обработки. Внешними атрибутами являются входные и выходные документы и пользовательские запросы, реализуемые через средства пользовательского интерфейса. Входные документы наполняют БД, выходные - синтезируются процедурами ФС.
Системное моделирование в задачах конструкторско-технологическойподготовки производства
Само по себе применение системного подхода не гарантирует новизну и положительный эффект исследования. Некорректное использование любой методологии не дает положительного результата и не служит характеристикой высокого уровня исследований.
На рисунке 2.1 приведена укрупненная схема системного анализа информационных систем. Она включает три основных группы процессов. Первая включает анализ структур системы. На основе этих процессов система разделяется на однородные по заданным признакам части.
Следующая группа процессов предназначена для создания формализованного описания найденных частей системы как целого механизма, отражающего связь между частями системы и функциональное назначение частей и системы в целом.
Еще одной группой процессов системного анализа являются процессы системного моделирования. Они разделяют параметры описания на две группы: наблюдаемые и ненаблюдаемые. Это задает характер модельного эксперимента и технологии последующих экспериментальных работ.
Процесс моделирования может видоизменяться. На его основе вырабатываются оценки качества моделирования и всего системного анализа,
Первый этап - анализ структур. На этом этапе при рассмотрении любой системы она представляет для исследователя некий «черный ящик», структура которого неизвестна. Всякая система представляет собой сложное образование, имеющее части и элементы. Поэтому первым этапом анализа является выявление структуры системы, или используя терминологию тестирования преобразование «черного ящика» в «белый ящик».
Для разбиения_системы на крупные части (подсистемы) используют метод стратификации. Этот метод применяется в системном анализе, структурном анализе, археологии. Исследование этого метода связывают с М Ме-саровичем [15]. Суть его в разбиении множества исходных данных на уровни, называемые стратами, отчего весь процесс называется стратификацией.
Образование уровней возможно в том случае, если множество характеристик, описывающих сложную систему, представимо в виде совокупности подмножеств, образующих декартово произведение. Примером такого произведения являются координаты точки в трехмерном пространстве.
Стратификация превращает систему из неоднородного множества в совокупность иерархически взаимосвязанных однородных подмножеств. Она применима для анализа как систем, так и данных.
Дальнейшая детализация структуры системы возможна с использованием метода структурных схем или метода графов.
Метод структурных схем (метод структурных схем и передаточных функций) достаточно известен в теории автоматического регулирования и широко применяется в структурном программировании. Он применим для анализа всех информационных систем, предназначенных для решения задач управления и поддержки принятия решений-Метод структурных схем позволяет представить сложную систему в виде совокупности связанных подсистем и соответственно каждой подсистеме сопоставить свою передаточную функцию.
Каждая функция в сложной системе может быть отображена своим узлом. Метод структурных схем удобен тем, что описывается с помощью операционного исчисления. Этим достигается согласование структурного и формального методов анализа.
Возможностей метода структурных схем может оказаться недостаточно, когда нсобходимо более детально исследовать процессы .прохождения сигналов (данных) через каждое звено системы. Такое представление дают сигнальные графы, разработанные С. Мезоном, Впоследствии теория графов была выделена для изучения как самостоятельная дисциплина. Основными элементами графа являются узлы и дуги. Для формализации описания графов Киргхгофом были предложены матрицы инциденций, т,е, матрицы соответствия дуг и вершин, В этих матрицах строки соответствуют вершинам, а столбцы - дугам. Если дуга входит в узел, то на пересечении соответствующей строки и столбца элемент матрицы равен 1, если она выходит - он равен -1, если дуга не касается, соответствующий элемент матрицы равен 0.
Компьютеризация общества и её различных институтов должна быть направлена не только (не столько) на пассивную (статическую) актуализацию информационных ресурсов общества, но и на создание и актуализацию новых информационных технологий, ресурсов, динамическое их переупорядочивание, а также их взаимопроникновение и взаимообогащенис в системах ида "человек-технология-знания-си стема1 .
Проблема ситуационного управления конструкторско технологическим проектированием образцов СПИ включает решение совокупности взаимосвязанных задач: оценка конъюнктуры рынков заказа, потребления и значимости заказов для предприятия с учетом намерений и возможностей конкурентов; оценка научно-технического и производственного потенциала предприятия-разработчика обеспечения заданного перечня заказов на КТП с учетом производственных ресурсов предприятия-изготовителя и удовлетворения условий и требований этапов эксплуатации образцов; целевое обоснование критичных факторов внешнего мира (среды), негативно влияющих на процессы КТП в части выявления проектных несовершенств СПИ; обоснование структуры взаимодействия и состава автономных информационных технологий поддержки процессов проектирования и непосредственно формализованных методов КТП производства СПИ; определение источников извлечения и процедур преобразования знаний и обоснование аналитического аппарата построения баз данных и знаний заданного перечня автономных информационных технологий ситуационного управления процессами КТП класса СПИ в рамках задач данной предметной области;
Организация взаимодействия моделей сложных производств
Целью данного раздела является разработка единого алгебраического подхода к преобразованию моделей и организации межмодельного взаимо-действия, а также синтез рекуррентной модели системы управления ИПК, Одним из основных факторов, определяющих эффект от внедрения информационных технологий в сфере проектирования и технологической подготовки производства, является бездефектность проектных работ. С этой точки зрения особо важную роль играет широкое применение методов и средств математического моделирования в проектных исследованиях.
Математические модели в той или иной мере отражают жизненный цикл сложных промышленных изделий. На каждом этапе жизненного цикла рассматривается некоторая модель или группа моделей, которые соответствуют определенным уровням объекта проектирования или определенным процессам (электрическим, механическим, тепловым, а также процессам производства и эксплуатации). С помощью моделей решается широкий круг задач конструкторского и технологического проектирования — задачи прогнозирования (работоспособности объекта, развития тех или иных процессов), оптимизации (параметров, режимов), управления (процессом проектирования). В процессе решения указанных задач происходит своеобразное взаимодействие моделей, при котором результаты исследования одних моделей могут изменять условия и (или) ограничения для других моделей. Каждая модель как некоторый "субъект" обладает определенной целевой функцией, управлениями, ограничениями, и в то же время все "субъекты" объединены одной целью — общей целевой функцией, определяющей качество изделия в целом. Значения этой функции зависят от результатов исследования и оптимизации всех моделей; поэтому область поиска решений для каждой модели должна корректироваться с учетом результатов решения других задач. Изменение состояния модели рассматривается как траектория в некотором многомерном пространстве. Интерактивная процедура решения проектных задач должна строиться таким образом, чтобы изменения управлений были направлены на достижение кратчайшей траектории изменения состояния моделей, т. е, кратчайшего пути достижения экстремума общей целевой функции. Фактически задача оптимального проектирования формулируется в терминах оптимального управления. Основная трудность состоит в том, что конечная точка траектории — оптимальная модель — заранее неизвестна.
Специфика процесса проектирования конструкций и технологических процессов производства СПИ заключается, главным образом, в его много плановом характере. Здесь возникают задачи исследования процессов раз личной физической природы, задачи проектирования и производства широ кого класса объектов — от многослойных структур интегральных схем до сложных нестационарных комплексов КТП СПИ. В соответствии с этим сис тема моделей должна быть представлена в виде иерархической структуры, в которой каждому уровню соответствует определенная подсистема объекта или процесса. Модели различных уровней могут отличаться физической по становкой, математическими схемами, интерпретацией результатов. Однако в любом случае система моделей должна допускать возможность детального или упрощенного (с помощью так называемых быстрых алгоритмов) иссле дования, и результаты исследований должны быть представлены в форме, удобной для "взаимодействия11 моделей. Кроме того, должна быть преду смотрена возможность комплексного исследования системы в целом, либо исследования отдельно взятых моделей. В математической постановке рассматривается система N моделей, каждая готорых определяется функционалом— переменные проектирования (управления). Выбор управлений определяется заданными возмущениями г и переменными состояниями qh В свою очередь, состояние модели (или отклик модели) зависит от возмущений и параметров модели, v Если определены множества заданных или допустимых управлений Л пере» менных состояния ( возмущений R/, то для і-й модели задача состоит в отьь екании таких значений переменных, которые доставляли бы экстремум функционалу Ф/. Однако, как уже отмечено, система моделей имеет общий функционал Ф0(Рь ..., PN), И параметры системы моделей должны доставлять экстремум функционалам Ф„ Ф0 с учетом заданных условий- В процессе решения проектных задач результаты исследования и оптимизации t-и модели может изменять условия для других моделей (например, ограничивать допусти»" значения переменных). Здесь возможны случаи, когда оптимальное решение исходной задачи для отдельной модели может оказаться предпочтительнее оптимального решения для измененной задачи. Однако во имя общей цели приходится поступиться частью «интересов» модели. В определенном смысле можно говорить об эволюции обобщенной модели, ее адаптации к среде функционировал t С позиций системного анализа жизненный цикл изделия рассматривается как некоторая система, где входные (X) и выходные (У) данные, внутренние параметры (Q) и параметры воздействия (R) связаны функциональной зависимостью вида. К входным данным можно отнести данные технического задания. Группу внутренних параметров (или переменных состояния) составляют па раметров изделия, режимы технологического процесса, условия эксплуата ции. Параметры воздействия (управления) включают в себя условия, требо вания, критерии ограничения, накладываемые на проектирование, изготовле- V ние, эксплуатацию. Данные об эксплуатации, методах средствах проектиро вания изготовлен рассматриваются как выходные. Совокупность взаимосвязанных моделей как система может быть по-ставлена в соответствие жизненному циклу изделия, т. е. можно говорить о соответствии жизненного цикла системы моделей жизненному циклу изделия. Проектные решения, принятые на уровне моделей, реализуются затем на этапах жизненного цикла изделия. Образно говоря, система математических моделей является информационным «двойником» изделия и его жизненного цикла. Процесс совершенствования системы моделей и изделия, по сути дела, неразделим и управляется изменением воздействий.
Анализ динамики пластинчатых конструкций на основе математического моделирования
Модель объекта строится в виде набора иерархий, порождаемых декомпозицией критериев функционирования по некоторому их параметру, причем каждая подсистема и компонент нижележащих уровней в свою очередь состоят из таких же трех функциональных подсистем до тех пор, «пока вариативность целей остается их свойством» [63], Отмечается, что при построении иерархических систем обычно роль организационной подсистемы некоторого уровня декомпозиции выполняет информационно-управляющая подсистема более высокого уровня, ибо именно она задает цели, критерии, ограничения для информационно-управляющих и исполнительных подсистем более низкого уровня.
Главная трудность при определении состава модели при таком подходе заключается в том, что разделение целостной системы на части является относительным, зависящим от целей моделирования. Поэтому важным этапом построения концептуальной модели является определение целей моделирования [64],
Тем не менее, иерархические модели достаточно просты и наглядны, обычно они хорошо отражают реальные взаимосвязи предметной области. Кроме этого, построение модели сложного объекта в виде иерархической многоуровневой системы наиболее естественно согласуется с общепринятым в настоящее время модульным принципом программирования- Использование модульности целесообразно и при интеграции уже созданных моделей элементов исследуемой предметной области. Как уже говорилось, иерархическая система лучше адаптируется к изменениям решаемой задачи и обладает большей надежностью (ошибка в какой-либо подмодели не всегда распространяется на всю систему).
Таким образом, предлагаемый подход обеспечивает компромисс между преимуществами ситуационного метода и ограничениями со стороны его практической реализуемости на стандартном аппаратном обеспечении за счет дополнения традиционного для геоинформационных систем (ГИС) набора атрибутов составных частей объекта атрибутами, поддерживающими функционирование концептуальной модели объекта, и разработки методов анализа и синтеза программного обеспечения задачи моделирования в рамках полученной формализации. При этом не рассматриваются вопросы реализации прямых и обратных связей между моделью и исследуемым объектом, поскольку специфика управления существенно дифференцирована для различных предметных областей.
Управление объектом в рассматриваемой постановке трансформируется в выбор одного из возможных вариантов структуры объекта на каждом шаге или такте моделирования. Тогда задача Анализатора текущей ситуации (рисунок L5) в предлагаемой ССМ превращается в задачу оценки предшествующего управления с целью принятия решения об изменении структуры объекта. Функция Классификатора заключается в сужении класса допустимых на текущем шаге воздействий. Для дополнительного учета предпочтений экспертов предоставляется возможность производить сопоставление вариантов с помощью вводимых пользователем весовых функций, на основе которых вычисляются приоритеты заложенных в КМПО вариантов структуры объекта, В результате отбирается один или несколько вариантов структуры объекта, чьи векторы приоритетов в некотором смысле доминируют над приоритетами других вариантов, они могут более детально изучаться в имитационном режиме работы системы.
Предложенный подход к моделированию состояния пространственных объектов позволяет естественным образом реализовывать современный сценарный метод поддержки принятия решений. Для этого с помощью встроенных в ССМ средств формируются ряды исходных данных для расчетов на будущие интервалы времени и производится моделирование состояния объекта для этих интервалов. Имеется возможность отдельно исследовать каждый из описанных в КМПО вариантов структуры объекта, помечая соответствующий ему фрагмент концептуальной модели и отключая ввод управлений, предлагаемых на основе анализа ситуации. Предусмотрена возможность отказа от любого последнего интервала времени с целью исследования альтернативной траектории объекта.
Таким образом, далее разрабатывается ситуационная система моделирования на основе концептуальной модели интегрированного производственного комплекса, ориентированная на автоматизацию всех этапов моделирования, широкое применение экспертных знаний, использование ГИС -технологии для графического представления составных частей объекта, постановки задачи и представления результатов моделирования, а также для выполнения пространственно-зависимых расчетов.
С позиций системного анализа рассмотрены жизненный цикл изделия и совокупность взаимосвязанных моделей, которая ставится в соответствие жизненному циклу изделия. Проектные решения, принятые па уровне моделей, реализуются затем на этапах жизненного цикла изделия.
Разработан единый алгебраический подход к преобразованию моделей и организации межмодельного взаимодействия. Показано, что система моделей должна быть представлена в виде иерархической структуры, в которой каждому уровню соответствует определенная подсистема объекта или процесса. Модели различных уровней могут отличаться физической постановкой, математическими схемами, интерпретацией результатов. Однако в любом случае система моделей должна допускать возможность детального или упрощенного (с помощью так называемых быстрых алгоритмов) исследования, и результаты исследований должны быть представлены в форме, удобной для "взаимодействия" моделей, Кроме того, должна быть предусмотрена возможность комплексного исследования системы в целом, либо исследования отдельно взятых моделей.
Разработан алгоритм и программа согласования P-CAD 2001 с программой VuPlat. Разработана концепция гибридной архитектуры экспертных систем информационного согласования. Суть ее заключается в функциональном объединении проектирующей подсистемы синтеза проектных решений и экспертной подсистемы, которая осуществляет их анализ и организует взаимодействие с пользователем, являясь при этом инвариантной по отношению к используемым математическим моделям и методам синтеза
Проведен анализ применимости разностной модели пластинчатой конструкции для оценки вибрационных и ударных воздействий, в частности, печатных плат с размещенными на них элементами и заданным вариантом распределения точек закрепления плат.
Разработан информационный критерий качества алгоритма проектирования, который можно вводить использовать при оптимизации затрат времени на проведение как процесса подготовки и проектирования, так и самого процесса проектирования, а также оценить материальные затраты и т.п.
