Введение к работе
Актуальность проблемы
Несмотря на быстрое развитие в 80-е годы гибкой автоматизации
производства, на пути этого направления возникли немалые трудности
главная из которых - резкое усложнение создаваемых систем в
результате перехода на принципиально новую компьютеризованную
технику, включая роботы, обрабатывающие центры с программным
управлением, локальные сети ЭВМ, системы
проектирования/изготовления типа CAD/САМ. Поскольку масштаб изменений затрагивает практически всю технологию производства, это приводит к значительному увеличению затрат на ее проектирование, разработку и внедрение.
Опыт создания робототехники и гибких производственных систем (ГПС) в нашей стране показал, что наиболее неблагоприятно на развитии будущего производства сказываются следующие проблемы:
-экономические (влияние на окупаемость новой техники быстрого роста оптовых цен);
-технологические (низкий уровень качества и надежности оборудования);
-проектно-технические (отставание от современного уровня эффективности при проектировании и разработке прогрессивных видов техники).
Важный вклад в решение всех трех проблем может дать значительное повышение эффективности проектирования и разработки гибких производственных систем.
Традиционно выполняемая проектная разработка обычно включает в свой состав значительную балластную часть - это затраты на проверку, изменение, согласование и перепроектирование многочисленных промежуточных вариантов создаваемой системы., И чем сложней разработка, тем выше доля балластной части, а, следовательно, дороже и длительней процесс создания. Косвенно балластная часть выясняется по срокам окупаемости вложений, которые для традиционно создаваемых зарубежных гибких производственных систем составляют 3-4 года (вместо планируемых обычно 1,5-2 лет), срок окупаемости традиционно создаваемых отечественных систем превышает в 2-5 раз этот показатель для зарубежных ГПС, что, в частности, оказалось совершенно неприемлемым в кризисных условиях переходной экономики и резко затормозило процесс развития перспективной отечественной производственной техники и технологии.
Совершенно очевидно, что без радикального изменения подхода к
созданию будущих гораздо более сложных комг.^ютерно-
интегрированных производств нельзя будет сдержать эту тенденцию, ведущую к недопустимо большой балластной затратной части. В идеале будущему производству должны быть свойственны не только "гибкость" и " безлюдность", но и "безбалластность" проектирования, разработки, внедрения. Поэтому особую актуальность приобретает рационалиг ция и совершенствование на базе новой информационной технологии всех этапов проектирования и создания компьютерно - интегрированных производств. При этом современные методы компьютерного анализа и моделирования имеют важнейшее значение и формируют прочный фундамент для пре бразования традиционных и развития новых подходов к проектированию сложных наукоемких технических систем.
Цель работы
Цель диссертационной работы - развитие методологии и разработка методов компьютерного анализа и моделирования задач построения и проектирования сложных производственно-технических систем, позволяющих повысить эффективность процессов проектирования в результате существенного снижения балластных затрат при создании новой техники и технологии.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи исследования:
-
Разработка на основе системных принципов методологической концепции комплексного исследования проблем создания перспективных производственных систем в приложении к классу гибких компьютерно-интегрированных производств.
-
Разработка математических моделей и методов для анализа процесса проектирования сложных технических систем в условиях неопределенности на основе аппарата теории параметрических задач принятия решений.
-
Разработка ' интеллектуальной программно-инструментальной системы, включая ее теоретические концепции, математическое, программное и аппаратное обеспечение, в качестве эффективного средства решения задач комплексного предпроектного стратегического анализа и моделирования широкого класса гибких автоматизированных производственных систем.
-
Разработка методов активного технологического трансфера передовой производственной техники и ноу-хау, способствующих эффективному внедрению в отечественную промышленность перспективных средств гибкой автоматизации с учетом экстремально неблагоприятных условий переходной экономики.
Методы исследования
В работе использованы методы теории выбора и принятия решений, системного анализа, математической теории множеств, искусственноп интеллекта, имитационного и образного моделирования, теории автоматического управления, современные методы программирования.
Научная новизна
Совокупность проведенных в диссертации теоретических и прикладных исследований позволила предложить и обосновать оригинальную концепцию комплексного анализа процессов создания современной автоматизированной производственной техники и технологии, направленную на развитие более совершенных компьютерных интеллектуальных форм проектирования сложных систем, а также разработать методы и программно-инструментальные средства для поддержки комплексного анализа и моделирования процессов проектирования, которые, расширяя рамки применяемых подходов к традиционному проектированию, способствуют возникновению новой
5 парадигмы "виртуального проектирования" как процесса максимально полной имитации проектных разработок на компьютерных моделях. При этом:
-
На основе обобщения отечественного и зарубежного опыта развития гибкой автоматизации объектов промышленного производства выделен класс задач компьютерного исследования проектных разработок в процессе создания подобных объектов и предложен общий методологический подход к решению задач анализа и моделирования проектных разработок сложных технических систем, базирующийся на использовании теории принятия решений и методов искусственного интеллекта.
-
Исследованы возможности и показаны принципиальные ограничения традиционных подходов к созданию встроенных в состав проектирования средств анализа и моделирования проектных решений, не гарантирующих оптимальности решения задач проектирования при неполных знаниях и ограниченных ресурсах.
-
Разработана комплексная модель анализа процесса проектирования в условиях неполноты и неопределенности информации и проведена ее формализация в терминах теории принятия решений в классе задач последовательного выбора и отбраковки вариантов, такая постановка дает возможность исследовать результаты выбора проектных решений в зависимости от систем предпочтений или причин, формирующих выбор.
-
Разработаны методы компьютерного _ моделирования задачи проектирования с обобщением и развитив'м подходов к анализу параметрических задач принятия решений, позволяющих учитывать при моделировании возмущающие воздействия и регламент проектирования.
-
Разработана программно-инструментальная экспертно-моделирующая система с интеллектуальной обработкой знаний в обпасти гибкой автоматизации производства, позволяющая логически отображать в модельном эксперименте процесс формирования предпочтений и выбора прооктных решений на всех этапах создания производственной системы, начиная от стратегических предпроектных исследований и завершая финальными стадиями проектной разработки, обеспечивающими конечный продукт в виде документации, программных средств, опытных образцов и т.п. Благодаря программно-инструментальной оболочке на каждом из этапов сохраняется общая логика обработки информации, а изменениям подвергаются лишь соответствующие выбранным этапам базы данных-и базы знаний.
-
Возможности программно-инструментальной системы реализованы на примере порождения в рамках инструментальной оболочки прикладной гибридной экспертной системы для анализа и моделирования стратегий развития гибкой автоматизации на предпроектных стадиях и этапах внешнего проектирования, что позволяет проводить автоматизированный анализ и выбор стратегий развития гиького производства на основе сочетания' формальной классификации фактографических данных и обработки знаний специалистов-экспертов.
-
В процессе аппаратно-программной реализации инструментальной моделирующей систьмы решены задачи автоматизации ввода в ЭВМ
больших объемов текстовой и графической информации, разработаны методы восприятия и анализа образной информации, интерактивного образного моделирования и программирования, предложена автоматизированная технология аппаратного расширения и специализации возможностей применяемых для построения моделирующей системы персональных ЭВМ и рабочих станций, й результате чего существенно усилен интеллектуальный потенциал компьютерного моделирования проектных разработок и повышена его эффективность, что было практически недостижимо раньше при использовании более традиционных методов и техники моделирования.
8. Для кризисных условий переходной экономики России предложены и обоснованы новые в применении к отечественной практике методы активного технологического трансфера, способствующие обновлению производства на базе современной автоматизации, повышению конкурентоспособности выпускаемой продукции, росту производственных возможностей при одновременном сни)'энии до минимального уровня потребностей в прямых инвестициях и связанных с ними высоких инвестиционных рисков. Развитии методов активного технологического трансфера проведено с использованием разработанных е диссертации принципов и подходов к компьютерному анализу и моделированию процессов создания новой техники и технологии.
Практическая ценность
Разработанные в диссертации теоретические положения, методы, программные средства и система моделирования проектных разработок формируют базовую программно-инструментальную среду для проведения предпроектного анализа задач, решаемых при создании систем гибкой автоматизации промышленного производства. Важное практическое значение имеет ориентация предложенного инструментария на существенное уменьшение материально-зависимых затрат труда при проектировании и разработке производств нового типа благодаря более эффетивному использованию противозатратных форм интеллектуального труда на предпроектных этапах. Такой подход способствует реализации перспективных направлений в современном компьютерном проектировании, которые дают возможность детально исследовать на компьютерных моделях характеристики и образ будущей сложной технической системы до начала ее реального проектирования, сохраняя при этом вьоокую степень адекватности компьютерной имитации реальному процессу проектных разработок.
Реализация результатов работы
Теоретические исследования и результаты диссертационной работы использованы :
при формировании и реализации общегосударственных и общеакадемических программ по развитию робототехники і гибких автоматизированных производств, по ряду заданий которых автор руководил работами, проводимыми ИСА РАН ( ранее ВНИИСИ ) в качестве головной организации;
при создании и проектировании конкретных гибких автоматизированных производств в машиностроении, приборостроении, электронной промышленности, автомобилестроении;
в международном исследовательском проекте "Компьютерно-интегрированные производства" программы "Технология-Экономика-Общество" Международного института прикладного системного анализа (Лаксенбург, Австрия); в международной программе исследований РАН -CNRS (Франция) по перспективной робототехнике;
для подготовки инженерных кадров в системе высшего образования по направлениям автоматическое управление, робототехнические системы, гибкие автоматизированные производства.
Апробация работы
Основные положения работы и ее результаты докладывались на
Всесоюзной конференции "Проблемы и методы принятия решений в
организационных системах управления" (1981,1984 г.г.), Всесоюзном
совещании по робототехническим системам (1981,1984,1987,1990 г.г.),
Всесоюзной конференции "Современные вопросы математики и
механики и приложения" (1983,1984,1986 г.г.), Всесоюзной конференции
"Теория адаптивных систем и ее применения" (1983 г.), Всесоюзной
межвузовской конференции "Роботы и робототехнические системы"
(1983 г.), Всесоюзном совещании по проблемам управления (1986 г.),
Всесоюзной школе-совещании "Проблемы проектирования экспертных
систем" (1988 г.), Международном симпозиуме ИФАК/ИФИП по
искусственному интеллекту (1983 г.). Международном симпозиуме
ИФАК/ИФИП/ИМАКС/ИФОРС по информационным проблемам
управления производством (1986 г.), Международном семинаре проекта "Компьютерно-интегрированные производства" ИИАСА (1987,1988,1989 г.г.), Международной конференции по гибким производственным системам МНИИПУ (1987,1989 г.г.), Международной конференции ИИАСА по компьютерно-интегрированным производствам (1990г.), Международной конференции по . роботам и автоматизации Международного Института инженеров в области электроники и электротехники ( 1992г.).
Всего по результатам диссертационных исследований опубликовано 80 работ, включая 12 монографий и учебных пособий.
Структура и объем работы
