Основы построения автоматизированных систем проектирования технологических процессов и сопровождения производства изделий в геофизическом приборостроении

29

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Основы построения автоматизированных систем проектирования технологических процессов и сопровождения производства изделий в геофизическом приборостроении

Бурдо Георгий Борисович

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

(в промышленности)

Тверь-2011

Работа выполнена в Тверском государственном техническом университете

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

ПАЛЮХ Борис Васильевич

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор

МИТРОФАНОВ Владимир Георгиевич

- доктор технических наук, профессор

КАМАЕВ Валерий Анатольевич

- доктор технических наук, профессор

Еремеев Александр Павлович

Ведущая организация - ОАО научно-производственное предприятие

«ГЕРС», г. Тверь

Защита диссертации состоится « » мая 2011г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.262.04 в Тверском государственном техническом университете по адресу:

170026, г. Тверь, наб. Афанасия Никитина, 22.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « » 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Н.Н. Филатова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы определяется имеющимися противоречиями в области проектирования технологических процессов (ТПр) и управлением выпуском изделий в геофизическом приборостроении (ГФП):

- время технологической подготовки производства (ТПП) с помощью автоматизированных систем проектирования технологических процессов (T-Flex, Вертикаль, Спрут, ТехноПРО, TEXCARD и др.) становится соизмеримым со временем изготовления деталей, не осуществляется организационно-технологическое проектирование ТПр (их разработка с учетом целевой функции заказа, способа организации производства, загрузки оборудования подразделений), актуальное для единичного и мелкосерийного производства;

- большие затраты времени на разработку и корректировку постоянно обновляемых в течение года объемных и календарных планов затрудняют точное определение объемов и сроков выполнения договоров, заставляют фирмы иметь запасы узлов и приборов, которые могут быть не востребованы потребителями и увеличивают незавершенное производство;

- способы управление ТПр изготовления приборов не отвечает условию своевременной штучной поставки приборов по большому числу контрактов;

- для организации управления производством необходимо знание времен выполнения операций, однако ТПП из-за дефицита времени выполняется весьма укрупненно;

- методология построения автоматизированных систем проектирования технологических процессов (САПР ТП), автоматизированных систем управления ТПр (АСУТП) и систем управления и планирования предприятием разного уровня (ERP (Enterprise Resourse Planning)-системы, MRP-2 (Manufacturing Requirement Planning), Scada (Supervisoru Control And Data Acquisition) и др.) направлена на обслуживание нужд серийного и крупносерийного производства (ГФП относится к единичному и мелкосерийному); ERP-системы к тому же ориентированы на североамериканский (отчасти западноевропейский) способ организации технологий;

- ERP и MRP-2 -системы позволяют разрабатывать в автоматизированном режиме объемные планы, разработка точных календарных и оперативных планов невозможна из-за отсутствия средств для расчета циклов изготовлений изделий, автоматизированная корректировка планов по результатам диспетчирования (Scada) не предусматривается;

- АСУТП позволяют отслеживать выполнение КПГ, но не имеют формальных процедур для их расчетов, и принятия решений на основе результатов диспетчирования;

- имеется информационный разрыв между САПР ТП, АСУТП и ERP-системами, не позволяющий оперативно принимать управленческие решения;

- развитие геофизического приборостроения России, находящегося на прорывных направлениях развития науки и техники и успешно конкурирующего с ведущими зарубежными фирмами, сдерживает отсутствие современных производственных систем (ПС).

Выявленные противоречия позволяют осуществить постановку проблемы, имеющей важное значение для отечественного геофизического приборостроения - повышение эффективности функционирования производственных систем ГФП путем сокращения сроков и совершенствования ТПП и планово-организационного сопровождения производства изделий. Решение проблемы приводит к сокращению времени на выпуск новых образцов техники, улучшению технико-экономических показателей предприятий, обеспечивает возможность управлять сроками изготовления изделий за счет многовариантной оценки решений.

В рамках данной проблемы актуальны постановка и решение научной проблемы - создание теоретических основ для построения автоматизированных систем проектирования технологических процессов и сопровождения процессов производства изделий (АССП) в ПС геофизического приборостроения.

Решение проблемы предлагается осуществлять на основе формализации и автоматизации проектных процедур при проведении организационно- технологического проектирования ТПр, разработке и корректировке планов технологических подразделений и диспетчировании их работы.

Область исследования -методология разработки моделей и методов для анализа и синтеза проектных решений по проектированию технологий и планированию и управлению производством в машиностроении и приборостроении.

Объект исследования - процесс автоматизированного проектирования технологических процессов и принятия решений при сопровождении производства изделий в ГФП, методы и способы осуществления проектных процедур.

Цель диссертационной работы - совершенствование существующей методологии построения САПР ТП и АССП для предприятий геофизического приборостроения на основе совокупности принципов, моделей, положений и методов, создающих предпосылки для повышения степени автоматизации и интеллектуализации проектных процедур при разработке ТПр и сопровождении производства изделий.

Для достижения цели в работе осуществлялись постановка и решение основных исследовательских задач:

1) выбор и анализ объекта проектирования, анализ существующей методологии и систем автоматизированного проектирования технологических процессов и управления предприятиями разных уровней,

2) анализ моделей процесса проектирования и моделей представления знаний в САПР ТП и АССП, разработка принципов их создания, методов и моделей процессов автоматизированного организационно-технологического проектирования в САПР ТП и принятия решений в АССП на основе распознавания ситуации в технологических подразделениях,

3) построение иерархических теоретико-множественных описаний производственной системы, САПР ТП и АССП, обеспечивающих информационную интеграцию САПР ТП, АССП и технологический подразделений, и связь с системой управления организацией,

4) систематизация и формализация эвристик, организационных и технологических закономерностей построения технологии механической обработки, иерархическое представление процесса проектирования в САПР ТП на основе информационного преобразования состояний проектируемого объекта на уровнях декомпозиции, разработка методики автоматизированного проектирования ТПр с учетом загрузки оборудования и целевой функции ПС,

5) систематизация и формализация методов разработки объемных, календарных, оперативных планов и диспетчирования, учитывающих концепцию накопления контрактов, разработка моделей и алгоритмов процесса принятия решений в АССП на основе распознавания ситуации в ТП,

6) программная реализация методологии построения САПР ТП и АССП, разработка методик автоматизированного проектирования и сопровождения производства изделий, исследование предложенных моделей и методов при решении задач в производственных условиях.

Научная новизна. В настоящей работе:

1. Предложены на основе теоретико-множественного подхода и системных отношений и категорий «часть-целое», «система-подсистема», «целостность-разобщенность», «подчиненность целей», «преемственность структур» способы информационной и временной интеграции САПР ТП, АССП и ТП, обеспечивающие организационно-технологическое проектирование ТПр с учетом загрузки оборудования и целевой функции, и сопровождение производства на основе распознавания ситуации в технологических подразделениях.

2. Разработано представление процесса проектирования в САПР ТП, включающее: способ иерархической организации проектных процедур, способ формирования базы знаний продукционных моделей на основе системно-технологических закономерностей, способ оценки промежуточных решений критериями, функционально выражаемых через параметры состояния проектируемого объекта (ТПр) на уровнях декомпозиции и технологических подразделений, способ представления параметров состояний ТПр.

3. Предложены иерархические модели знаний для информационного обеспечения САПР ТП на основе теоретико-множественного подхода и выявленной иерархической системы исходных положений, вытекающих из технологических, системных и организационно-экономических принципов проектирования ТПр, включающие: описание уровней процесса проектирования и проектируемого объекта, описание процедур синтеза и оценки решений, описание процедур накопления опыта.

4. На основе выявленных принципов построения САПР ТП предложена методика автоматизированного проектирования технологических процессов, новизна которой заключается в систематизации и формализации проектных процедур на уровнях синтеза укрупненных схем, маршрутной и операционной технологии, разработки управляющих программ для станков с ЧПУ, и процедур оценки решений на уровнях системами критериев, зависящими от целевой функции ПС и параметров состояния ТП; в модификации решений при изменении загрузки оборудования и целевой функции.

5. Разработаны модели знаний для АССП на основе теоретико-множественного подхода, включающие: функциональное описание уровней сопровождения, логическую схему взаимосвязи проектных процедур, иерархические системы приоритетов, способы осуществления проектных процедур и распознавания ситуации в ТП.

6. На основе выявленных принципов построения АССП разработана методика автоматизированного сопровождения процессов изготовления приборов, новизна которой заключается в систематизации и формализации процедур расчета на всех уровнях сопровождения; взаимосвязи объемного, календарного, оперативного планирования и диспетчирования; оперативном планировании и диспетчировании на основе распознавания ситуации в технологических подразделениях; автоматическом переходе от одного уровня сопровождения к другому и в режим диалога.

7. Развита концепция принятия решений на основе интеллектуальной модели знаний, включающей продукционные модели представления знаний, логические, оптимизационные и интуитивные звенья. Разработаны методы формализации процессов проектирования и накопления знаний в САПР ТП и АССП.

8. Предложена методика диспетчирования технологических процессов на основе аппарата нечетких множеств, новизна которой заключается в ее применении применительно к дискретным машиностроительным объектам, выявлении совокупности входных и выходных параметров, разработке правил нечеткого вывода.

Методы исследования. В работе используются методы теорий: множеств, графов, формальных систем, искусственного интеллекта, исследования операций, управления, а также методы математической статистики.

Работа выполнена в рамах междисциплинарной отрасли научных знаний, охватывающих методологии систем автоматизированного проектирования, построения технологических процессов в машиностроении, автоматизированных систем управления предприятием и технологическими процессами, систем, проектирования, Бережливого производства, управления качеством.

Достоверность полученных результатов подтверждается экспериментальными исследованиями и апробацией на моделях и с помощью программных средств, реализующих отдельные элементы САПР ТП и АССП, доказывающими адекватность синтезированных технологических и управленческих решений условиям их реализации, соответствие информационного и системного представления проектируемых объектов реальным объектам в производственной системе. Результаты автоматизированного синтеза технологических процессов, объемных, календарных планов, календарных планов-графиков (КПГ) и диспетчирования при промышленной эксплуатации полностью подтверждают эффективность предложенных методик, моделей и алгоритмов в САПР ТП и АССП.

Практическая ценность работы заключается в повышении эффективности человеко-машинных систем при проектировании технологических процессов механической обработки и сопровождении процессов изготовления изделий в ГФП, выражающейся в автоматизации процедур: многовариантного синтеза решений и их отбора на уровнях декомпозиции процесса проектирования (САПР ТП), разработки планов всех уровней для технологических подразделений и принятия управленческих решений на основе диспетчирования (АССП). В ходе выполнения исследований:

1. Показана необходимость системной, информационной и временной интеграции САПР ТП, АССП и ТП в рамках производственной системы, что создает возможности: реализации дополнительного уровня управления ТП за счет проектирования ТПр с учетом целевой функции ПС и текущей загрузки оборудования; осуществлять планирование и диспетчирование на основе распознавания ситуации в технологических подразделениях.

2. Доказана возможность снижения субъективизма и времени технологической подготовки производства при повышении ее качества в условиях ГФП на основе САПР ТП, сочетающих методики многоуровневого организационно-технологического проектирования единичных и унифицированных ТПр, учитывающие загрузку оборудования ТП и целевую функцию ПС.

3. Сформирован иерархический комплекс системно-технологических закономерностей, базирующийся на технологических, системных, организационно-экономических принципах построения ТПр, определяющий формальное и семантическое содержание проектных процедур, и позволяющий с высокой степенью автоматичности получать описания ТПр на различных уровнях декомпозиции процесса проектирования.

4. Обоснован и сформирован комплекс интервальных критериев, позволяющий сократить пространство поиска решений на всех уровнях процесса технологического проектирования. Комплексы критериев модифицируются в зависимости от целевой функции производственной системы, и количественно определяются параметрами синтезированного технологического решения данного уровня и параметрами загрузки оборудования, необходимого для его реализации. Это избавляет от необходимости детальной проработки решений для их оценки целевой функцией в параметрах решения нижнего уровня.

5. Представлена развернутая иерархическая система формальных правил автоматизированного проектирования технологических процессов в САПР ТП, позволяющая производить разработку новой и доработку спроектированной ранее технологии, начиная со строго определенного уровня процесса проектирования. Предложен способ непосредственного перехода от известных системных характеристик детали к системным характеристикам технологического решения определенного уровня из числа спроектированных ранее.

6. Представлены и обоснованы формальные проектные процедуры в АССП, позволяющие автоматизировать: процессы принятия решений на различных этапах сопровождения выпуска приборов на основе распознавания и оценки ситуации в ТП; переход на следующие этапы и реализацию обратных связей при планировании; выработку управляющих воздействий по результатам анализа данных диспетчирования.

7. Разработаны иерархические системы (глобальный-внутренний-частный приоритет) динамичных приоритетных правил, определяющие формальные процедуры формирования календарного плана-графика прохождения деталей по операциям в технологических подразделениях. Выбор конкретной системы частных приоритетов осуществляется на основе анализа текущей ситуации в технологических подразделениях, переназначение глобальных и внутренних приоритетов при переходе в последующие интервалы оперативного планирования производится автоматически.

8. Представлена методика диспетчирования технологических процессов механической обработки на основе нечетких множеств, пригодная для реализации в подразделениях с числом рабочих мест до 30-ти, показаны входные параметры и способ определения их числовых значений, выходные переменные и их размерность, система нечетких правил вывода.

9. Разработаны и переданы в эксплуатацию методики и программные средства, защищенные свидетельством о регистрации программ для ЭВМ, обеспечивающие интеллектуализацию и автоматизацию комплексных задач разработки технологических процессов и сопровождения производства изделий в геофизическом приборостроении.

На защиту выносятся:

1. Совокупность теоретико-множественных моделей производственной системы, САПР ТП и АССП, построенных на основе системных отношений и категорий «часть-целое», «система-подсистема», «целостность-разобщенность», «внешняя среда», «подчиненность целей», позволяющая получить новые системные свойства при проектировании ТПр и сопровождении производства изделий, и определяющая функции, структуры, информационные связи и параметры решений в САПР ТП и АССП.

2. Методика представления процесса проектирования (ПП) в САПР ТП, включающая: способ декомпозиции ПП на уровни; способ организации проектных процедур; способ критериальной оценки в параметрах проектируемого объекта рассматриваемого уровня и технологических подразделений; способ представления знаний; модели технологических подразделений, реализующих ТПр, модели ТПр на уровнях декомпозиции; механизм накопления знаний.

3. Формальная система проектных функций и моделей, позволяющая преобразовывать информационное описание состояния детали, соответствующее заготовке, в описание состояния, соответствующее готовой детали. Система продукций основана на: иерархическом комплексе системно-технологических закономерностей, отражающих экономические, организационные и технологические принципы проектирования ТПр и системную интеграцию агентов в ПС; генерации множества вариантов; реализации связей с другими агентами ПС.

4. Методика автоматизированного сопровождения на основе системы формальных моделей для автоматизированного построения объемных, календарных, оперативных планов и диспетчирования, обеспечивающая эффективное сопровождение процессов изготовления деталей и отражающая иерархию процессов планирования и управления в организации. Методика основана: на анализе и распознавании текущего состояния в ПС; на анализе и выборе приоритетных схем прохождения деталей по операциям; на реализации обратных связей на всех уровнях сопровождения и связей с другими агентами ПС.

5. Методика автоматизированного формирования и выбора иерархических приоритетных схем для построения календарных планов-графиков прохождения деталей по операциям на основе соотношения «разряд-группа-вид работ» и распознавания ситуации в ТП, отражающая иерархию целей в производственной системе.

6. Методика проведения проектных работ и использования программных средств, распределение функций в рамках ПС, САПР ТП и АССП.

Связь работы с научными темами и программами. Результаты работ получены в ходе проведения хоздоговорных НИР: с ОАО «Бежецксельмаш» (г.Бежецк) по теме «Автоматизация проектирования технологических процессов» (1986-1988 гг.), с ОАО «Тверской экскаватор» (г.Тверь) по теме «Повышение эффективности проектирования технологий» (1985-1987 гг.), с администрацией области по темам «Разработка компьютерных технологий проектирования технологических процессов» (1999 г.) и «Разработка компьтерных технологий размерного анализа» (2001 г.); госбюджетных НИР Тверского государственного технического университета « Разработка проекта учебной САПР ТП для ГПС» (1995- 2003гг.), «Разработка программных средств размерного анализа конструкций» (2002-2004), «Разработка программных средств размерного анализа технологических процессов» (2005-2007), «Разработка автоматизированной системы проектирования и управления технологическими процессами» (2008-2010 гг.); НИР в рамках федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России в 2008-2013 годах».

Апробация работы. Результаты работ докладывались и обсуждались на Республиканских научно-технических конференциях «Усовершенствование технологической подготовки машиностроительных и приборостроительных предприятий с применением средств вычислительной техники» (г. Таллин, 1979), «Автоматизация проектирования и производства с применением ЭВМ и числового программного управления в машино- и приборостроении» (г. Таллин, 1984) и «Создание гибких комплексов в машиностроении на базе станков с ЧПУ и промышленных роботов» (г. Киев, 1985), научно-технической конференции «Проблемы и эксплуатация гибких производственных систем» (г. Саранск, 1986), межреспубликанской научно-технической конференции «Проблемы автоматизации технологических процессов в машиностроении» (г. Волгоград, 1989), Юбилейной научно-технической конференции (г.Тверь, 1998), на региональной научно - технической конференции «Современные проблемы развития и совершенствования учебного процесса» (г. Самара, 2000), научно- практической конференции «Актуальные проблемы развития машиностроительного комплекса тверского региона» (г. Тверь, 2001), двенадцатой национальной конференции по искусственному интеллекту с международным участием (г.Тверь, Россия, 2010).

Внедрение результатов. Результаты работ внедрены и используются при проектировании технологических процессов, сопровождении и управлении технологическими процессами в ООО «Нефтегазгеофизика» (г. Тверь), Научно-производственном филиале «Центргеофизика» ООО «Георесурс» (ОАО « Газпром», г. Кимры), ОАО Научно-производственной фирме «Геофизика» (г. Уфа), ОАО «Исток» (г.Тверь), ОАО «Тверской экскаватор» (г. Тверь).

Научные и практические результаты переданы в эксплуатацию и используются при выполнении НИР, подготовке специалистов и магистров по направлениям «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» и «Автоматизация и управления» в Тверском государственном техническом университете.

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 40 печатных научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 361 странице машинописного текста, включающих 121 рисунок, 11 таблиц, 5 приложений, список использованной литературы (251 наименование).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

автоматизированный проектирование технологический приборостроение

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, в историческом плане рассмотрены этапы научных исследований в области создания методологии проектирования технологических процессов (ТПр) и САПР ТП, управления работой технологических подразделений (ТП). Сформулированы основные теоретические положения, выносимые на защиту и определяющие научную новизну. Приводится краткое содержание работы по главам.

В первой главе осуществляется обоснование актуальности исследования в области разработки САПР ТП и АССП в геофизическом приборостроении (ГФП).

К настоящему времени доля предприятий единичного и мелкосерийного производства (к которым относилось и относится геофизическое приборостроение) в России и за рубежом увеличилась до 35-40% с 5-10% в середине 80-х годов. Значительная часть предприятий ГФП, в связи со спецификой изделий, занята выпуском своих разработок, отличающихся высокой наукоемкостью, и успешно конкурирующих с зарубежными. Предприятия ГФП, как представители единичного и мелкосерийного производства, оказались в стороне от вопросов совершенствования технологической подготовки производства (ТПП) и управления, и научных разработок, касающиеся этих вопросов. Отличительными чертами ГФП, позволяющими его выделить в единичном и мелкосерийном производстве, являются следующие: 1) высокая наукоемкость и стоимость изделий, практически вновь полностью разрабатываемых и изготавливаемых фирмой; 2) сложность и трудоемкость деталей и ТПр, определяемые специфичностью конструкторско-технологических параметров изделий и их служебным назначением (высокая температура и давление, агрессивные среды); 3) весьма ожидаемы конструктивные изменения в процессе изготовления, что влечет корректировку сроков и планов; 4) высокая технологическая сложность и разнообразие изделий приводит к выполнению части операций и ТПр на стороне; 5) цикл изготовления прерывается не только работами, выполняемыми на стороне, но и работами, выполняемыми вне ТП фирмы (метрология узлов и приборов, монтаж электроники, испытания в термобарокамере), поэтому велико влияние случайных временных факторов на длительность изготовления; 6) зависимость сроков изготовления от своевременности поставок (в т.ч. и зарубежных) по изменяемой номенклатуре; 7) необходимость реализации разнообразных, иногда повторяющихся, технологических методов на разных этапах ТПр; 8) недопустимость отступления от организационно-технологического проектирования ТПр, что приведет к увеличению стоимости, сроков изготовления и снижению конкурентоспособности изделий.

Планы предприятий в течение года постоянно накапливаются, что заставляет пересматривать календарные сроки изготовления приборов по контрактам. Контракты разнятся по целевым установкам их выполнения (с минимальной себестоимостью, в минимальные сроки и т.д.). Ситуация в ТП динамична, что заставляет менять правила разработки ТПр. Следовательно, ТПП и управление ТПр следует рассматривать, как интегрированную организационно - технологическую задачу. Рассмотрены характеристики ТП и организационно-функциональная структура ПС. Проанализирована номенклатура изделий и деталей, изготавливаемых в ПС, технология их механической обработки, ведущаяся, в основном, на оборудовании токарной, фрезерной, координатной, долбежной и шлифовальной групп.

В настоящее время рынок программных средств представлен разнообразными системами, обеспечивающих автоматизацию ТПП (CAD/CAM/CAE системы). Наиболее часто используемыми САПР ТП среднего уровня являются разработки компаний: отечественных - АСКОН (Компас), Топ Системы (T-Flex), СПРУТ - технология, Вектор-Альянс (ТехноПРО), Omega ADEM Technologies (АДЕМ), ЗАО Русская Промышленная Компания (EdgeСАМ) и др.; зарубежных - НПП ИНТЕРМЕХ (TEXCARD), SolidEdge, PowerSolutions, Consistent Software (Technology CS). Анализ показал, что системы предназначены для серийного производства, не имеют выраженной иерархии, обеспечивают невысокую степень формализации проектирования, в автоматическом режиме решаются расчетные задачи, проектирование по методу типизации и формирование документации. Практически не имеется серьезных элементов оптимизации ТПр и управляющих программ (УП) для станков с ЧПУ, не реализуются связи с системами управления. Время разработки ТПр деталей средней сложности сокращено с 20-40 до 4-8 часов, что явно недостаточно для ГФП. Системы верхнего уровня (Pro/ENGINEER, CATIA и Unigraphics) имеют мощное геометрическое ядро, средства для расчета конструкций и их элементов, позволяют несколько сократить сроки подготовки УП, однако обозначенные проблемные области при проектировании ТПр не ликвидированы.

В работах (В.А. Брюхов, А.М. Гильман, Г.К. Горанский, Н.М. Капустин, В.Г. Митрофанов, В.В. Павлов, Ю.М. Соломенцева, К.А. Тинн В.П. и др.) был решен комплекс частных задач технологического проектирования - расчета режимов резания, норм времени, припусков, оптимизации маршрута обработки поверхности, построения операций на ряде типов оборудования, проектирования маршрутов на основе типизации и т.д. Подход к разработке ТПр на основе декомпозиции впервые предложен В.Д. Цветковым, и ограничился анализом некоторых закономерностей проектирования ТПр для крупносерийного и серийного производства. Развитие методологии системного подхода к проектированию технических систем исследовано в работах Н.М. Капустина, И.П. Норенкова, В.А.Камаева, В.Д. Цветкова и др. Подход к созданию интеллектуальных САПР ТП, основанный на доказательстве теорем, был впервые предложен Н.Г. Буевичем, И.В. Бобровой и Б.Б.Челищевым. Однако его практическая реализация оказалось проблематичной. Реализация элементов искусственного интеллекта в САПР ТП показана в исследованиях В.И. Аверченкова, Г.Б. Евгенева, М.Г. Левина, А.Р. Денисова, П.В.Казакова, А.И. Кондакова, В.Г. Митрофанова и др. Предложены интеллектуальные алгоритмы выполнения ряда этапов проектирования ТПр. В работах вопросы построения САПР ТП рассмотрены применительно к условиям серийного и массового производства, проектирование ТПр рассматривается, как чисто технологическая (а не организационно-технологическая) задача, степень формализации проектных процедур недостаточна. Критерии оценки промежуточных решений при декомпозиции (или при решении частных) задач не связаны между собой, и не вытекают из целевой функции ПС, оценка выполняется в параметрах последнего уровня, а не рассматриваемого, для проектирования используются лишь технологические закономерности.

Организационно-экономические принципы управления производством и «бережливого производства» исследованы достаточно подробно (Акофф Л., О.П. Беляева, В.Н. Васильев, Т.А., Вумек Д., Джорж А., Т.А. Егорова, Н.Л. Зайцев, В.Г. Самойлович, Тейлор Ф., Файоль А. и др.). Математические аспекты разработки расписаний обработки деталей в ТП (конвейерная задача теории расписаний), исследована в работах (Конвей Р.В., М.Х. Прилуцкий, Стайглиц К., Л.И. Смоляр, В.С. Танаев и др.), практическая реализация моделей сложна и основана на упорядочении перебора. Задачи управления ТП различного уровня (управление станком, группой станков), представленными различными типами оборудования, рассмотрены в трудах (В.О. Абзель, М.Х. Блехерман, Д.А. Гаврилов, И.М. Макаров, Г.В. Орловский, Ю.М. Соломенцев, Султан-заде Н.М, Хокс Б. и др.). Отмечается возможность использования приоритетов при запуске. Не умаляя важности данных исследований, можно отметить, что в них: а) рассмотрено управление ТП при жестких объемных и календарных планах, что не характерно для ГФП; б) управление ведется без обратной связи по загрузке оборудования; в) система управления рассматривается в отрыве от проектирования ТПр; г) управление не отражает необходимости взаимосвязи всех видов планов, что крайне важно для рассматриваемых ПС. Такие промышленные системы управления ресурсами и планирования предприятием (ERP, MRP-2, Scada) разного уровня, как Галактика, IFS Applications, Омега, МfgPro, Axapta и др. направлены на обслуживание серийного и крупносерийного производства, не имеют возможностей расчета циклов, календарных планов - графиков и оперативной корректировки объемных и календарных планов (рассчитываются лишь мощности ТП и рабочих центров), что крайне важно для предприятий ГФП, работающих в условиях постоянного накопления контрактов.

Морфологический подход (Холл Дж.) к процессу проектирования (ПП) исследует его, как метод логической организации идей. В работах (Диксон Дж., Мартин Д., Дитрих Я., Гаспарский В. и др.) проектирование рассматривается, как информационная подготовка некоторого изменения, как “планирование изменений в объектах”. Отмечается необходимость системной концепции при рассмотрении ПП. В систему ПП входит то, что проектируется, и проектировщик. Отмечается, что для конкретных задач на базе общей методологии проектирования необходимо разрабатывать частные (специальные) методики, отличающиеся используемыми в них приемами решения и типами проектируемых объектов. Подчеркивается (Н.М. Капустин, В.Д. Цветков, С.Л. Оптнер и др.), что проектирование ТПр относится к случаю сложных индетерминированных задач, характеризующихся недостаточностью начальной информации. Одним из методов преодоления этих трудностей является многоуровневая декомпозиция в сочетании с итерационными алгоритмами решения задач на каждом уровне (Н.М. Капустин, Месарович М., В.Д. Цветков). Следовательно, несмотря на то, что в любом ПП есть элемент, вносимый проектировщиком, он должен опираться на научные основы, а не только на опыт.

Большие возможности открывает использование элементов искусственного интеллекта (ИИ) при разработке решающих систем. Основы подхода заложены работами Заде Л., Нильсона Н., Э.В. Попова, Д.А. Поспелова, Слэйгла Дж., Г.Р. Фирдмана, Фогеля Л., Эндрю А. и др. Показаны основные подходы к проблеме создания ИИ. Введены понятия о предметной области, знания о которой включают описание объектов, явлений и фактов, а также отношений между ними. В области производства (Д.П. Ким, В.М. Назаретов) выделены основные сферы использования систем ИИ: проектирование и управление производством. Рассматриваются вопросы (Бесакер Р., Мендельсон Э., Э.В. Попов, Г.Р. Фирдман) представления задач в пространстве состояний. Такое представление может быть применено к иерархическому представлению технологических и управленческих задач. В работах (В.Н. Вагин, А.П. Еремеев, М.Г. Матвеев, Г.В. Рыбина и др.) исследованы способы представления знаний в интеллектуальных системах. Отмечается широкое использование (более 80%) продукционных моделей, что объясняется их наглядностью, простотой логического вывода и внесения изменений. Интересными представляются способы управления объектами на основе нечеткого управления (Заде Л. и др.).

Задача повышения конкурентоспособности изделий ГФП связана с интеграцией процессов проектирования, производства, исследования рынка. Этому посвящены работы (И.П. Норенков, М.Ф. Овсянников и др.) по реализации принципов CALS-технологий. Введено понятие автоматизированной системы сопровождения производства изделий (АССП), информационно интегрированной с САПР ТП и системой управления организации, и выполняющей функции разработки и корректировки объемной и временной структур планов, КПГ и диспетчирования ТПр. Дана постановка цели и задач исследования.

Во второй главе исследованы системные характеристики, структура и база знаний производственной системы (ПС) на основе методологии системного подхода (А.А. Денисов, Месарович М., С.А. Саркисян и др.). В ПС размер партии изделий обычно не превышает 5-6 шт., технологическое оборудования установлено по группам, запуск изделий в производство позаказный. Управление заказами, распределение операций по оборудованию производится мастерами на основе собственного опыта в соответствии с директивами руководителя ПС. Планирование и диспетчирование на основании неточных норм времени осуществляется далеко не оптимальным способом, поэтому нередки случаи приостановки выполнения одних заказов и запуск других. Обосновыван состав элементов и функции ПС. Соблюден принцип целостности, предполагающий рассмотрение ПС частично обособленной от внешней системы, т.к. она имеет свои специфические закономерности функционирования и свою структуру. Определена цель функционирования ПС - осуществление ТПП и выполнение ТПр изготовления изделий в директивные сроки в соответствии с критериями системы управления организацией (СУО). В соответствии с принципом соответствия структуры системы целям определен состав элементов ПС. В составе ПС ГФП должны быть: проектные подразделения, выполняющие ТПП; контролирующие подразделения, определяющие степень соответствия изделий требованиям чертежа; управляющие подразделений, осуществляющие координацию работ по времени, объемное и календарное планирование, оперативное управление, подготовку отчетов. ТП, выпускающие изделий, являются управляемыми. Выявлены и проанализированы связи подразделений в рамках ПС, и с внешними, по отношению к ПС, структурами организации. Анализ, выполненный исходя из системных свойств целостности и разобщенности, подтвердил справедливость предложенной структуры ПС. ПС обладает целостным характером функционирования, ее свойства не сводятся к сумме свойств ее элементов. ПС обладает новыми функциями и свойствами, связанными с модификацией решающих правил в проектирующей и управляющей системах в зависимости от состояния в ТП, координацией правил ТПП и запуска изделий. Определены функции элементов ПС, дано их формальное описание. По функциональному признаку проектирующее подразделение можно охарактеризовать как САПР ТП, управляющие подразделения можно трактовать, как АССП. Такая уточненная формулировка функций элементов в свете переработки информационных потоков позволяет перейти к подробному выявлению и анализу их связей.

При системном исследовании связей ПС использовался макро-и микроподход. Это позволило: оценить место ПС в общей иерархии организации и отследить связи, выделив из них существенные; исследовать информационные связи и последовательность реализации функций элементами ПС. Задачей было вывесит часть подразделений из понятия ”внешняя среда” в силу слабости связей с ПС. Наряду с макро-и микроподходом, выполнялся анализ ПС как части организации более высокого уровня с одной стороны, а с другой - как интегрального целого ее подсистем (двойственность систем). Исходя из этого, ПС представлена системами, реализующими отдельные операции. Каждая подсистема должна выполнять определенную составляющую операции, выход подсистемы будет являться либо входом в другую подсистему, либо выходом системы в целом. В системном аспекте ПС включает в качестве составляющих такие понятия, как структура, отношение, состояние, связь, элемент, функция и т.д. Их учет позволил комплексно подойти к изучению того, как ПС устроена, в каких отношениях и связях находятся ее части, какова функция объекта в целом и его частей, каков характер взаимодействия с внешней средой.

Рассмотрены связи (информационные, временные и материальные) ПС, как части системы более высокого уровня, с 10-ю типами подразделений в различные этапы ее работы (все виды связей, при подготовке запуска, в процессе сопровождения выпуска). Наличие связей с внешней средой обуславливается функциональной целостностью и обособленностью ПС. Моделью, отражающей множественные связи ПС с подразделениями внешней среды, является мультиграф Н(Q,V). Множеству его вершин соответствует ПС и взаимодействующие с ней системы внешней среды , а множеству дуг V - связи и отношения между ними. В различные этапы работы ПС часть связей отбрасывается, как не имеющая отношения непосредственно к проектированию ТПр и сопровождению изготовления изделий. Связи заменялись соответствующей входной информацией. Это позволило представить ПС, как систему, определяемую пятеркой своих характеристик:

, (1)

где - связи ПС со внешней средой; - набор выполняемых системой функций; - структура системы; - совокупность функциональных и структурных свойств ПС, определяемых составом ее элементов; - история функционирования и развития системы. Выполнен анализ связей элементов ПС в процессе сопровождения выпуска. Осуществлен переход от понятия элементов к понятию подсистем и их иерархии. САПР ТП имеет высший уровень при сопровождении, т.к. решения САПР ТП содержат маршрутные ТПр, т.е. порядок следования операций, а АССП детализирует их, определяя последовательность прохождения во времени. Показано, что такая подчиненность соответствует иерархии принятия решений при сопровождении, учитывает комбинацию методов макро- и микроуправления, помогает осуществлять обратную связь по качеству деталей. Связи с системой управления организации (СУО) важны для формирования планов, но не затрагивают вопросы правил преобразования информации, что подчеркивает необходимость рассмотрения САПР ТП и АССП в рамках ПС, как ее подсистем.

Выполнено исследование цикла работы ПС на протяжении выполнения одного запуска в изготовление, и нескольких запусков, необходимое для определения временных связей между этапами конструирования, ТПП, запуска и изготовления изделий. Проведен анализ структуры и классификация временных затрат, необходимых для выполнения всех видов работ по ТПП и изготовлению изделий запуска в ТП. Это позволило выявить временные связи САПР ТП и АССП при ТПП, планировании и управлении работой ТП.

С целью создания базы знаний исследована структура временных затрат при осуществлении ТПр, выполнен ряд экспериментальных исследований. Показаны организационные способы сокращения общих циклов изготовления изделий и циклов механической обработки. Анализ позволил сформировать и ряд правил запуска деталей в ТП. Выявлены принципы построения ТП, позволившие уточнить способы определения структуры станочного парка исходя из необходимости постепенного уменьшения очередей на выполнение операций.

Разработана теоретико-множественная модель ПС. Управляемые ТП представляемая подсистемами . Подсистема U0 обозначает календарные планы выпуска изделий (т.е. сроки прохождения изделий по технологическим операциям); U1 - оборудование, на котором выполняются технологические операции; U2 - рабочих, выполняющих технологические операции на оборудовании; U3 - загрузку оборудования во времени; U4 - качество изготавливаемых изделий (рис.1). Часть операторов ПС являются агентами, ими выполняется до 4-х функций. Оператор R0 предназначен для управления календарными планами-графиками. Оператор R1 служит для управления состоянием парка оборудования.

Назначение оператора R2 -определение несоответствия между фактической и расчётной численностью рабочих. Оператор (агент) R3 обеспечивает пропорциональную загрузку по типам и группам оборудования. Оператор R4 управляет качеством выпускаемой продукции. Оператор С0 выполняет функции: определение значений параметров качества продукции, отражённых в технической документации на изделия; осуществление синтеза информации о структуре и параметрах ТПр изготовления изделий. Функции оператора С1: синтез всех видов планов; определение плановой загрузки оборудования; определение множества сроков осуществления технологической подготовки для различных видов изделий.

Рис.1. Теоретико-множественная модель ПС

Подсистема верхнего уровня (оператор D0) осуществляет: определение параметров численности работающих, оптимальных для выполнения плана; передачу систематизированных сведений в систему высшего уровня о состоянии в ПС, и предпринимаемых действиях. Обоснована общая иерархия ПС (четырехуровневая, операторы D, ,, {Ri}), и при сопровождении работы ТП (трехуровневая, ,,{Ri}). Отметим, что управление осуществляется путём интегрированного воздействия на состояние в ТП со стороны САПР ТП и АСCП, что позволяет создавать благоприятные для управления условия (пропорциональность загрузки оборудования) уже на этапе разработки ТПр. Установлено, что САПР ТП и АСCП во многих случаях используют в своих информационных преобразованиях одни и те же источники входов, а также активно обмениваются информацией. Дано формальное теоретико-множественное описание функций операторов, оговорен способ проектирования каждым из них (автоматический, автоматизированный). Обосновано распределение функций между агентами ПС (-САПР ТП, - АССП) и субъектами (работники ОТК- R4, линейные мастера- Rо- R3 , с участием управленческого персонала ПС-). Обратная связь осуществляется мастерами.

В третьей главе выполнено теоретическое исследование закономерностей принятия решений в подсистемах САПР ТП и АССП с элементами искусственного интеллекта (ИИ). Рассмотрены методологические основы (А.А. Денисов, Месарович М. и др.) системного подхода в решающих системах (РС). Выявлено, что рациональность процессов переработки информации определяется оптимальностью многоуровневой декомпозиции проектирующих систем, т.к. правила обмена информации напрямую вытекают из структуры РС. Предложено при декомпозиции РС исходить из того, что процесс проектирования должен структурно соответствовать (сохранять преемственность) проектируемой технической системе (ТПр и формам его организации, т.е. двум аспектам описания). Условимся называть имеющий свою иерархию процесс переработки информации в РС процессом проектирования (ПП). ТПр механической обработки имеет свою иерархию: укрупненная схема, маршрут обработки детали, технологическая операция, технологический переход и его структура (В.С. Корсаков, А.А. Маталин, Ю.М. Соломенцев и др.). Организационная форма осуществления ТПр предусматривает иерархию: объемное планирование (исходя из мощностей ТП), календарное планирование (временная структура объемного плана), оперативное планирование (календарные планы-графики прохождения деталей по оборудованию), диспетчирование (отслеживание и исключение отклонений от графиков). Обосновано, что при несоответствии иерархии РС иерархии технической, становятся неэффективными процедуры поиска решений.

Выполнено исследование ПП в двух аспектах: как элемента системы более высокого порядка (ПС), и как обособленную систему, имеющую свою иерархию (целостность-разобщенность). Во втором случае внимание концентрировалось на связях внутри уровней ПП, и учитывались связи уровней ПП в САПР ТП или в АССП с внешней средой. Разобщенность характеризует качественную специфику частей системы, а целостность-выполнение ими общей задачи. Целостность характеризует большую силу и существенность внутренних связей по сравнению с внешней средой, это позволило обосновать выделение САПР ТП и АССП в ПС. Сформулированы основные системные принципы, которые нужно реализовать при формализации ПП в САПР ТП и АССП (преемственность структуры, целостность и разобщенность, взаимосвязь и взаимообусловленность, учет связей с внешней средой). Это позволило описать способы представления информации в САПР ТП и АССП в виде следующих структур: а) иерархической, характеризующей декомпозицию ПП по уровням; б) внешней, в которой ПП представлен в каноническом виде и все связи с внешней средой осуществляются посредством входов и выходов; в) внутренней, показывающей состав элементов ПП и связи между ними; г) структурной жизненного цикла.

Исследованы системные характеристики ПП и проектируемых объектов в РС. Т.к. САПР ТП и АССП относятся к категории системных объектов, то системные характеристики (см. форм. 1) имеются и в ПП, осуществляемых ими. В ПП можно выделить функциональные и временные связи, унаследованные от проектируемых объектов. Функциональная структура ПП (для синтеза ТПр, например) определяет частично упорядоченную последовательность информационных преобразований из состояния исходной заготовки в деталь , и будет характеризоваться графом (А,С), где С- вершины графа, характеризующиеся информационным описанием проектируемого объекта; А = {цi} -процедуры (функции), с помощью которых достигаются состояния Сi. Временная структура ПП характеризуется графом = (А, W). Множеству вершин графа А={ цi } будут соответствовать информационные преобразования, а дугам W ={ щi } - отношения, отражающие временные соотношения между процедурами А. Количество структур следует рационально ограничивать исходя из типов решаемых задач. Функция F каждой из рассмотренной подсистемах заключается в преобразовании информации в соответствие с целями их работы, связи H рассмотрены в главе 2. Установлено, что структура S ПП должна характеризовать и информационные, логические и функциональные связи проектных операций. Иерархическая структура отражает подчиненность задач, способ декомпозиции, последовательность нахождения решения. Способ декомпозиции (R) решающей системы Q характеризуется множеством её компонент и их количественной характеристикой, описываемой набором параметров. Выбор способа декомпозиции должен определяться функциональным признаком, т.е. типом решаемых задач. Информационная структура отражает информационные взаимоотношения между задачами, определяет условия обмена информацией между подсистемами и результатами решения. Логико-функциональная структура описывают правила применения проектных функций к решаемым задачам, способ осуществления процедур обучения, модернизации правил принятия решений и накопления знаний - алгоритмы ПП на различных уровнях декомпозиции. Указанные три способа представления РС выполняют триединую задачу: представление всего ПП как подзадач, определяют правила обмена информацией между задачами и правила выполнения проектной процедуры для каждой задачи.

Общая модель ПП в РС, может быть определена двумя типами соотношений. Один из них описывает состав системных характеристик и описание ПП, как системы, и виды его системных характеристик на различных уровнях декомпозиции. Второй тип описания сводится к заданию структур и (или) параметров- синтезируемых элементов проектируемого объекта (ПО) на уровнях декомпозиции. Степень детализации представления ПО определяется уровнем декомпозиции. Атрибуты - связь с внешней средой, функция и история жизненного цикла для ПО не задается, так как относятся к РС. Решения низшего уровня получаются в виде параметров. Компонентами этой структуры являются подсистемы (подсистемы 1-го,..,k-го и т.д. уровней), непосредственно образующие систему.

Чем ниже уровень представления ПП, тем более подробно должны быть представлены структуры и (или) параметры проектируемого объекта и свойства компонент ПП. Для решения задач в САПР ТП и АССП не всегда требуется описание всего набора системных характеристик. Важнейшим является то, в моделях ПП должно присутствовать описание проектируемого объекта, как пространства поиска решений для РС.

Выявлены способы представления знаний, условий решаемой задачи и методы синтеза решений в САПР ТП и АССП. При модельном уровне представления знаний классифицируются логические и эвристические модели. В основе логических моделей (дедуктивных, индуктивных, псевдофизических логик) лежит понятие формальной системы (теории). В связи со сложностью практической реализации модели не находят широкого практического применения. Для интеллектуальных систем наибольшее практическое использование находят эвристические модели знаний (продукционные модели, фреймы и семантические сети). Продукционная модель обладает наглядностью, гибкостью, простотой логического вывода и внесением изменений, что делает ее привлекательной для практического применения в рамках данной диссертации.

Выявлены основные методов и этапы решения задач в САПР ТП и АССП с элементами ИИ. Определено, что задачи, решаемые в САПР ТП и АССП, отличаются различным уровнем иерархичности, на разных уровнях ПП используются различные способы описания проектируемых объектов (структурный, параметрический, оба метода), что вызывает необходимость использования различных типов представления знаний в рамках одной РС. Сделан вывод, что способ представления знаний в РС в рамках определённой предметной области должен отвечать типу, структуре и функциям проектируемого объекта. В САПР ТП и АССП помимо продукционных моделей, знания могут быть представлены в виде аналитических, логических зависимостей, интуитивных знаний проектировщика, а также с помощью табличных, сетевых и перестановочных моделей . Решения задачи в значительной степени определяется формой её формального описания (представления). Наиболее пригодными для формализации задач в подсистемах САПР ТП и АССП являются представление в пространстве состояний, и представление путем сведения задачи к подзадачам. Представление задачи в пространстве состояний определяется четвёркой , где Со - множество начальных состояний; Сф- множество текущих состояний; О - множество операторов отображающих одно состояние в другое; Ск - множество конечных (целевых) состояний. Описание задачи и операторы решения могут удобно представляются графом (деревом), т.к. состояния информационных описаний дискретны в связи с дискретностью ПО, а два одинаковых состояния недостижимы из разных промежуточных вершин.