Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 1, 2003 г.

ПРОГРАММНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС СИСТЕМ ПОДДЕРЖКИ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ГЛАВНОГО КОНСТРУКТОРА МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

 

Кизим А.В., Дворянкин А.М., Камаев В.А.

(Волгоградский государственный технический университет;
dvam@vstu.ru, cad@vstu.ru)

 

1. Актуальность и новизна работы

В условиях современного производства одной из важнейших задач является сокращение сроков создания технических систем. Производственные предприятия отвечают за последствия проектирования своей собственной экономикой. В этих условиях необходимо применение эффективных средств автоматизации проектной деятельности.

 

1.1. Определение понятия «главный конструктор».

Важнейшее место в процессе проектирования и производства новых конкурентоспособных технических систем занимает главный конструктор.

Под главным конструктором (ГК) подразумевается собирательный образ руководителя проекта разработки и сопровождения технической системы, лицо, ответственное за проект в целом, включая руководство процессом проектирования, проектирование на концептуальном уровне, формирование технической документации (технических требований, технико-экономического обоснования, технического задания, технических условий и т.д.) и сопровождение выпускаемой продукции. Главный конструктор отвечает за выбор рациональных внешних характеристик изделия и контролирует проектные процессы, осуществляемые коллективом разработчиков. Он должен в короткие сроки на всех этапах деятельности принимать эффективные проектные решения на основании большого объема информации.

Состав работ конкретного главного конструктора существенно зависит от области машиностроения и определяется должностной инструкцией. В работе исследовался обобщенный ГК. Типичным представителем является ГК наземных транспортных средств.

 

1.2. Обоснование необходимости автоматизации деятельности ГК.

Для эффективного выполнения работы главного конструктора необходимо обеспечить соответствующими средствами информационной поддержки, с помощью которых будет обеспечен более обоснованный многовариантный выбор и принятие решений, повышение производительности труда, что позволит сократить сроки принятия решений и, как следствие, сроки цикла «проектирование-производство».

Проведен анализ и классификация современных промышленных систем, автоматизирующих выполнение отдельных функций главным конструктором. В результате выявлены следующие особенности. Во-первых, система автоматизации деятельности ГК должна быть функционально и системой автоматизации проектирования (САПР/CAD) и автоматизированной системой управления (АСУ/CAM), и системой автоматизации инженерной деятельности (CAE). Во-вторых, современные системы автоматизации, применяемые в промышленности, не учитывают специфику работ главного конструктора.

Таким образом, работа является актуальной. Актуальность темы работы подтверждена финансированием Министерством образования РФ НИР «Интеллектуальная автоматизированная система поддержки деятельности главного конструктора изделий машиностроения» (рег. № 01200109535, программа «Производственные технологии», 2001-2002 гг.), в рамках которой выполнялась работа.

 

2. Исследование деятельности ГК

Для формализации процесса деятельности ГК исследованы этапы жизненного цикла (ЖЦ) изделия, состав проектно-конструкторских работ, экспертные источники [1].

 

 

Этапы ЖЦ ТС по Дворянкину:

1) Осознание и формулировка потребности в ОП

2) Разработка ТТ на ОП

3) Разработка ФС ОП

4) Поиск принципов действия

5) Поиск технического решения

6) Разработка параметрической модели, расчет и оптимизация

7) Разработка конструкции, выбор материалов, комплектующих

8) Разработка технологии изготовления объекта

9) Разработка технологической оснастки и оборудования

10) Изготовление объекта

11) Контроль и испытания объекта

12) Транспортировка и хранение объекта

13) Эксплуатация

14) Диагностика неисправностей, ремонт объекта

15) Утилизация

Работы по разработке продукции по ГОСТ 15.001:

 

 

Рис.1. Анализ этапов работы ГК

 

В результате анализа выявлен состав этапов работ ГК над типичным проектом:

1) Выявление потребности, анализ целей, принятие решения о проектировании.

2) Составление технических требований на объект проектирования (ОП).

3) Составление технических требований на составные части ОП.

4) Составление ТЗ на составные части ОП.

5) Составление технического задания на ОП.

6) Составление эскизного проекта ОП.

7) Создание макетного образца (предварительные испытания, составление рабочего чертежа на макетный образец и испытания макетного образца).

8) Создание опытного образца (составление рабочего чертежа на опытный образец, испытания опытного образца, корректировка документации).

9) Создание улучшенного образца и эксплуатационной документации.

10) Составление ТУ и рабочих чертежей установочного образца.

11) Серийное производство. Сертификационные испытания.

12) Выпуск, сбыт, сопровождение и ремонт изделия.

13) Утилизация.

Формализация этапов проводилась с использованием модели «черного ящика», согласно которому выявлялся состав выходной, входной информации и функции этапа.

По результатам формализации проведен анализ состава этапов работ ГК в сравнении с набором работ по ГОСТ и этапов ЖЦ изделия (см. рис. 1). Главный конструктор, с одной стороны, часто на текущем этапе выполняет работу, связанную с несколькими ступенями ЖЦ изделия и, с другой стороны, набор некоторых из этапов ЖЦ изделия проходит на протяжении целого набора этапов функционирования ГК, что вносит определенную сложность при автоматизации его работы. Также необходима одновременная поддержка различных работ и работы с ОП, находящимися на разных этапах ЖЦ.

В результате обобщен состав информационных потоков ГК и функций, что позволило составить иерархию функций, выполняемых ГК [1].

Главная выполняемая функция ГК – ведение проекта. Основные функции: конструирование; планирование процесса проектирования; управление проектом; контроль выполнения подчиненными запланированных действий по проекту; принятие решений по проекту на различных этапах; работа с информацией о различных ТС, их подсистемах, стандартах и т.д.

Наибольшее внимание уделено функциям, относящимся к ранним этапам (пп.1 – 5), потому что именно они являются определяющими облик ОП, и ошибки проектирования на этих этапах наиболее существенно влияют на конкурентоспособность изделия.

Как уже отмечено, необходима одновременная поддержка различных видов работ и работы с ОП, находящимися на разных этапах ЖЦ. При использовании единой модели представления данных модели различных ОП будут представлены одинаковым образом. Благодаря этому, будет сокращено время проектирования, будет возможно параллельное проектирование различных ОП одним проектировщиком и одного ОП несколькими проектировщиками.

С целью приведения к общему виду и формализации знаний о ТС, используемых главным конструктором в процессе проектирования, разработана интегрированная структурно-функциональная параметрическая модель инвариантного представления информации об объектах проектирования, охватывающая описание ОП на протяжении всего жизненного цикла и позволяющая главному конструктору выполнять выявленные функции с использованием единых принципов описания объекта проектирования, получившая название «параметрическая функциональная структура» (ПарФС). ПарФС является моделью представления проектных данных, построенной на основе общей теории систем и системного подхода, и является дальнейшим развитием семейства методов проектирования на графах вообще и И-ИЛИ графах в частности.

В соответствии со сформулированным перечнем задач проектирования в рамках модели ПарФС, описана организация процесса проектирования главным конструктором с применением ПарФС. [1] С использованием аппарата функционального моделирования бизнес-процессов формализовано описание процесса проектирования. Посредством индуктивного вывода построена IDEF0 (SADT) диаграмма состава этапа процесса проектирования.

Процесс проектирования ГК состоит из этапов, которые, в свою очередь, состоят из инвариантных этапам проектных процедур:

1) обработка исходных данных и постановка задачи;

2) планирование;

3) синтез решений;

4) анализ решений;

5) оценка полученных решений;

6) принятие решения о завершении этапа.

При формализации процедур описаны их алгоритмы и модели различных объектов. Так, например, при формализации процедуры «постановка задачи на этап» описаны алгоритмы задания иерархического описания потребности, выявления набора входных и выходных характеристик, проведение прогноза, формирования набора целей, по­строения и усечения графа целей, принятие решения о проектировании, составление задания на проектирование и другие.

При формализации процедуры «планирование» описана модель календарного плана работ и алгоритм его составления.

При формализации процедуры «синтез решений» составлены алгоритмы формирования допустимых деревьев вершин, определения характеристик вершин и оценки допустимости решения, формирования набора реализаций, определения значений характеристик реализаций и допустимости решения и формирования подграфа реализаций.

При формализации процедур «анализ решений», «оценка полученных решений» и «принятие решения о завершении этапа» описан типовой процесс принятия решения, и его операции. Формализована модель задачи принятия решений. Приведены алгоритмы и примеры.

На каждом этапе ГК принимает решение о переходе к последующему этапу или изменении постановки задачи и повторении проектирования на этапе. Описаны методы поддержки процесса принятия решения.

Отдельное внимание уделено формализации аспектов вопроса получения оптимального качества решений. Формализовано описание задачи оптимизации обобщенного показателя качества реализации для синтеза оптимальной реализации объекта проектирования. Описаны различные методы оценки уровня качества ОП.

Специфика выполнения процедур на конкретных стадиях заключается в описании, которым оперирует ГК и алгоритмах методов процедур. Приведены примеры выполнения процедур. В рамках описания проектных процедур подготовлен набор методических рекомендаций по использованию.

 

3. Описание КСПД ГК

В процессе работы рассмотрены различные аспекты разработки программно-информационного комплекса систем поддержки деятельности главного конструктора (КСПД ГК) машиностроительного предприятия и реализация КСПД.

Назначение программно-информационного комплекса систем поддержки деятельности ГК технических систем – обеспечение помощи главному конструктору за счет автоматизации выполняемых им этапов проектирования и проектных процедур.

Выявлены основные требования к КСПД ГК [1].

Для использования существующих информационных массивов, в частности физических данных, разработаны конвертеры автоматизированного преобразования данных, позволяющие организовать интерфейс с уже существующими системами автоматизации.

Функциональная структура КСПД ГК приведена на (рис.2). Основные функции комплекса [1, 2]:

1) автоматизация проектирования;

2) автоматизация планирования;

3) информационная поддержка деятельности ГК;

4) автоматизация контроля и управления;

5) автоматизация принятия решений.

 

 

Рис.2. Функциональная структура КСПД ГК

 

Проанализированы различные варианты реализации КСПД ГК [1, 4]. Разработана архитектура системы (рис.3). Центральной частью (или ядром) архитектуры КСПД является база знаний, реализующая хранение и обработку проектной информации согласно модели ОП. В ядре системы хранится информация о структуре ОП, моделях, описывающих ее работу, преобразованиях объектов во времени и их различных реализациях.

 

 

Рис.3. Архитектура КСПД ГК

 

Система управления базами знаний первого уровня реализует интерфейс ядра КСПД, позволяя решать задачи работы с атомарными компонентами модели ОП.

Ядро предоставляет иерархический набор слоев унифицированного интерфейса для работы с информацией с целью повышения эффективности функционирования и минимизации затрат на проектирование и реализацию систем комплекса. Доступ к информации об ОП осуществляется с помощью программного интерфейса ядра.

Реализовано несколько вариантов интерфейса с ядром системы [1,3,4]: утилиты работы с базой знаний, оболочка с пользовательским интерфейсом, динамически подключаемая библиотека с экспортируемыми функциями, встраиваемый OLE-/ ActiveX-компонент, набор хранимых в базе данных процедур и др. Разработана структура БЗ и функциональный набор операций с элементами описания в БЗ, соответствующие ПарФС. Приведено описание разработанных видов обеспечения [1].

В зависимости от варианта реализации доступа к данным об ОП, используются соответствующие технологические механизмы программирования с вариантами программных модулей слоя взаимодействия с пользователем (от визуально программируемых клиентских приложений по стадиям проектирования ОП до интернет-браузеров, позволяющих использовать комплекс систем на разных компьютерных платформах на основе интернет-технологий доступа к информации с помощью серверов данных). Для обмена информационными моделями с внешними системами предусмотрен экспорт/импорт объектов КСПД.

В качестве средств работы со знаниями в виде структурированных характеристик используются интерпретаторы [1]. С помощью динамических подключаемых библиотек реализованы интерпретаторы базовых ЯЗХ: чисел, строк, интервалов, списков, функциональных характеристик (DGH, наименований), аппарата И-ИЛИ графов (формул, точек входа, точек выхода, взаимосвязей, списка формул, входных/ выходных переменных входных/выходных интервалов). Возможно масштабирование интерпретаторов с целью разработки интерпретаторов более сложных ЯЗХ на основе интерпретаторов простых.

Спроектированы и реализованы следующие системы:

1) СУБЗ КСПД ГК;

2) рабочий стол ГК;

3) планирование процесса проектирования;

4) автоматизация синтеза технических решений;

5) автоматизация поддержки принятия решений;

6) прогнозирование показателей качества ОП;

7) оценка качества и технического уровня машины;

8) ведение каталогов деталей машин и стандартов;

9) генерация технической документации;

10) моделирование информационных потоков;

11) планирование продвижения ОП на рынок;

12) система обучения и контроля;

13) выбор метода проектирования и творчества;

14) интерпретаторы основных ЯЗХ;

15) интерпретаторы программ на комплексных ЯЗХ;

16) интерфейсы работы с физическими знаниями;

17) конвертации данных из/в БЗ КСПД ГК;

18) обучение процессу работы ГК.

В работе [1] изложены принципы построения, особенности реализации, алгоритмы и методические рекомендации для основных систем комплекса.

Методы, используемые в проектных процедурах процесса проектирования, реализуются подключаемыми к соответствующим автоматизированным системам программными модулями, что позволяет повысить степень унификации КСПД и избежать зависимости от конкретных методов. В качестве входных параметров и выходных результатов методов используются формальные компоненты модели ПарФС.

Благодаря гибким решениям, основанным на представленной архитектуре, КСПД ГК может быть функционально развит. Новые системы работают с ядром комплекса и БЗ через единые интерфейсы. Для использования знаний со структурой, отличной от существующих, необходима разработка новых интерпретаторов, которые могут быть получены масштабированием существующих.

КСПД ГК использовался для решения практических задач на предприятиях ОАО «ВГТЗ», ЗАО «ВЗТМ» (г.Волгоград), а также применяются в учебном процессе ВолгГТУ (г.Волгоград), Волжского строительного института Волгоградской архитектурно-строительной академии (г.Волжский).

 

Заключение

Программно-информационный комплекс систем поддержки деятельности главного конструктора машиностроительного предприятия, строящийся на базе инвариантной интегрированной структурно-функциональной параметрической модели ПарФС, охватывающей описание ОП на протяжении всего жизненного цикла и позволяющей главному конструктору выполнять выявленные функции с использованием единых принципов описания объектов, в силу положенных в его основу принципов, может применяться для поддержки деятельности других специалистов-проектировщиков и проектных бюро.

 

Список литературы

 

1.        Кизим А.В. Модели объекта проектирования для автоматизации работы главного конструктора машиностроительного предприятия. Диссерт. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. – Волгоград, 2002.

2.        Dvoryankin A.M., Kamaev V.A., Kizim A.V. The Intelligent Automatic Support System of Machine Building Products Principal Designer. Proc. IEEE Int. Conf. on Artificial Intelligence Systems. Divnomorskoe, 2002, pp. 177-179.

3.        Кизим А.В., Дворянкин А.М., Сычев О.А. Аппарат универсального представления технической системы / Мат. межд. науч.-практ. конф. – Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2001, Ч.1, с.32-34.

4.        Кизим А. В., Дворянкин А. М., Шевчук В.П. Создание автоматизированного рабочего места главного конструктора изделий машиностроения. / Мат. IV Межд. науч.-мет. конф. НИТРИО. – Астрахань, 2001, с.279-282.

Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 1, 2003 г.