Взаимосвязь функционально-стоимостного анализа и автоматизированных систем информационной поддержки изделий на различных стадиях жизненного цикла

Размещено на http://allbest.ru

ГОУ ВПО «МАТИ» - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского

Взаимосвязь функционально-стоимостного анализа и автоматизированных систем информационной поддержки изделий на различных стадиях жизненного цикла

Марина Владимировна Силуянова, д.т.н., проф.,

каф. «Двигатели летательных аппаратов и теплотехника»,

Алексей Юрьевич Анисимов, аспирант,

Михаил Сергеевич Кормашов, аспирант,

Москва

Abstract

Authors consider automated information support system and application of functional cost analysis for complex technical systems; analyze the factors affecting the structure, content of processes and subsystems of automation of technological design, taking into account interrelation of design process and product life cycle management; present approaches to automating the design process and production related to the modification of products and improving production systems.

Key words: functional cost analysis, automated system, life cycle, methodological unity.

Аннотация

Рассмотрены автоматизированные системы информационной поддержки и область применения функционально-стоимостного анализа для сложных технических систем; проанализированы факторы, влияющие на структуру и содержание технологических процессов и подсистем автоматизации технологического проектирования, учитывающие взаимосвязь процесса проектирования и управления жизненным циклом изделия; представлены подходы к автоматизации процессов проектирования и производства, связанные с модификациями изделий и совершенствованием производственной системы.

Ключевые слова: функционально-стоимостной анализ, автоматизированная система, жизненный цикл, методологическое единство.

Высокие темпы научно-технического прогресса должны обеспечиваться проектированием, производством и эксплуатацией в соответствии с назначением сложных технических систем (СТС), превосходящим по своим функционально-стоимостным показателям лучшие отечественные и мировые образцы.

Эффективность создаваемых СТС предопределяется качеством проектирования. Проектируемые объекты будут превосходить по своим характеристикам лучшие образцы только тогда, когда в процессе проектирования применяются прогрессивные методы и используются результаты научных исследований, передовой опыт, изобретения и открытия.

Высокое качество проектирования должно обеспечиваться в приемлемые сроки, иначе заложенные в проекте научно-технологические идеи и технические решения морально устаревают еще до начала эксплуатации создаваемых изделий. В то же время следует учитывать, что недостаточная проработка проектов на предыдущих стадиях и этапах проектирования приводит к длительной доводке опытных образцов, связанной с дополнительными затратами времени и средств. Поэтому повышение качества проектных работ и сокращение сроков конструирования и технологического проектирования являются важнейшими факторами создания конкурентоспособных СТС.

В определении места и роли систем функционально-стоимостного анализа в жизненном цикле (ЖЦ) изделия на различных предприятиях наблюдаются существенные различия. Само понятие функционально-стоимостного анализа (ФСА) со временем меняло свое значение. Его можно определить как процесс комплексной оценки и всестороннего анализа функций и параметров изделия на всех стадиях ЖЦ. При этом процесс ФСА начинается на самой первой стадии «научные исследования» и распространяется на другие стадии в полном объеме электронного макета еще до того, как появится первый материальный образец изделия. Это позволяет все противоречия, касающиеся конструктивно-технологических, эксплуатационных и стоимостных свойств изделия, разрешить еще в информационном слое.

Главной проблемой создания полноценной системы ФСА является отсутствие методологического единства и единых форматов данных [1]. Методологическое единство основано на формализованном представлении пространства проектирования и требует применения типовых форм представления данных и знаний об объектах и процессах их создания и эксплуатации. В настоящее время компании-разработчики программно-методических средств берутся в основном за создание узкоспециализированных объектно-ориентированных систем, а так как единых стандартов на форму представления данных и знаний об изделии пока нет, то стадии ЖЦ стыкуются плохо.

Причина информационной и методологической разрозненности проблемно-ориентированных систем кроется и в инерционности их развития по сравнению с программно-аппаратными средствами. Для разработки новых поколений компьютеров требуется меньше времени, чем для создания даже узкоспециализированной системы проектирования. Для создания комплексной системы проектирования, обеспечивающей все стадии ЖЦ изделия и способной работать с различного рода ограничивающими факторами, необходим уже такой период, который не позволяет разработчику надеяться на коммерческую успешность создаваемого продукта в связи с его старением еще в процессе создания. Поэтому требуется повышать рациональность представления каждого структурного элемента комплексной системы для того, чтобы ее создание смогло завершиться хотя бы в сроки, соизмеримые со сроками смены поколений компьютеров (технического обеспечения автоматизированных систем).

Для информационной поддержки автоматизированными системами различного назначения стадий ЖЦ сложных технических систем на отечественных и зарубежных аэрокосмических предприятиях в настоящее время применяется широкая номенклатура инструментальных средств, позволяющих сформировать проблемно-ориентированные системы, состав которых представлен на рис. 1 во взаимосвязи со стадиями ЖЦ.

В настоящее время в большом количестве различных CAD-систем (САПР) сложилась математическая модель представления конструкции изделия.

В системах технологической подготовки производства CAM-системах (АСТПП) и системах технологического проектирования формируются модели технологических процессов и средств технологического оснащения.

Актуальными являются задачи передачи данных из CAD-систем в CAM-системы и другие системы автоматизации проектирования и производства, еще более сложными являются задачи согласования и гармонизации внутренних моделей и языков, которые успешнее всего решаются методами создания комплексных CAD/CAM-систем на основе общих баз данных.

Для автоматизации проектирования и управления на передовых предприятиях начинают создаваться следующие системы:

· SCADA - система диспетчерского управления производственными процессами;

· CAPPS - автоматизированная система управления технологическими процессами, которая включает в себя подсистемы планирования действий по управлению процессами в гибких производственных системах;

· FMS - гибкая производственная система управления производственным оборудованием для автоматизированного изготовления деталей и последующей сборки агрегатов и узлов изделий;

· CAQ - система автоматизированного контроля качества изготовления;

· CAT - автоматизированная система испытаний, реализующая этап наземной стендовой отработки агрегатов, узлов и изделий в целом, где опробуются подсистемы нового изделия при различных вариантах учета внешних факторов.

В то же время на многих предприятиях уже начинают создаваться и применяться различные организационно-плановые системы, например:

· ERP-системы для планирования ресурсов предприятия;

· PDM-системы для управления потоками работ.

Все эти средства, с учетом опыта их разработки и применения, приближают специалистов различных профессий к созданию полной «электронной модели» объекта, которая обеспечит непрерывную информационную поддержку всех стадий ЖЦ. Представляется, что если прогноз о переходе 80% предприятий на CALS-технологии к 2015 г. верен, то примеры достаточно полного информационного сопровождения некоторых объектов с высоким уровнем автоматизации должны появиться к 2012 г.

Анализ особенностей применения автоматизированных систем на производственных стадиях ЖЦ показывает, что методологическое единство, информационная совместимость и организационная взаимосвязь автоматизированных систем являются основой для создания эффективно функционирующего производства на основе современных CALS-технологий. Это актуально не только для аэрокосмических предприятий, но и любых организаций, занимающихся созданием какого-либо продукта, претендующего на статус конкурентоспособного [2].

Основными целями и связанными с ними задачами технологической подготовки производства (ТПП) является создание и освоение методов и средств производства изделия, которые существенно зависят от проектирования и изготовления средств технологического оснащения, включающего в себя оборудование, приспособления и инструмент. При решении задач технологического проектирования СТС необходимо анализировать факторы (рис. 2), учитывать взаимосвязь проектирования и управления (рис. 3), а также следующую специфику ТПП:

· большая трудоемкость и длительность цикла технологической подготовки производства;

· использование новых, наукоемких технологий, их освоение и доводка в процессе производства;

· использование новых, недостаточно освоенных в технологическом отношении материалов;

· постоянная корректировка и изменение технологических процессов в связи с модификацией изделий и освоением новых технологий;

· большой объем сборочно-монтажных и доводочных работ, методов и средств контроля и испытаний для обеспечения высокого качества изделий авиационной техники.

В процессе освоения изделия и даже его серийного производства в конструкцию изделия вносятся изменения и доработки с целью улучшения его тактико-технических данных, что приводит к изменению технологических процессов и оснащения производства.

Технологическая система производства, включающая в себя рабочие места, оснащаемые оборудованием, приспособлениями и инструментом, моделируется математическими методами и средствами, сходными с методами и средствами моделирования изделия. При этом сама технологическая система также рассматривается как СТС, состоящая из подсистем основного, вспомогательного и обслуживающего производства.

В различных исследованиях по автоматизации конструирования и технологического проектирования установлено, что основой для разработки средств обеспечения автоматизированных систем является математическое обеспечение. Математическое обеспечение включает в себя методы, математические модели и алгоритмы. Математические модели - это формализованное описание предметной области, к которой относятся модели исходных объектов, модели порождающей среды, модели объектов проектирования. Алгоритмы - это формализованное описание действий с математическими моделями, которые приводят к формированию проектных решений. Большинство исследователей отмечали сложность, а в некоторых случаях и невозможность формализации опыта конструирования, а особенно, технологического проектирования, который не всегда представлен в форме строгих зависимостей и закономерностей. В то же время основные усилия направлялись на поиск и формирование таких моделей, которые все-таки позволяли отразить как можно больше закономерностей.

При этом возникали следующие проблемы: специалисты по автоматизации проектирования знаний, «полученных» от специалистов по конструкции и технологии, прежде чем в той или иной форме поместить эти знания в математическую модель, самостоятельно или с привлечением экспертов пытались в каждом конкретном случае разобраться, насколько закономерности адекватны и точны, какова область адекватности, насколько близкие по области адекватности закономерности непротиворечивы, а потом, анализируя выделенные знания, пытались разработать такую форму представления, которая была бы универсальной и экономичной как при записи данных и знаний, так и при их использовании в процессах проектирования и при адаптации моделей и алгоритмов, необходимость в которой всегда возникала из-за изменений в предметной области, связанных с модификациями изделий и совершенствованием производственной системы.

Все эти проблемы с трудом удавалось разрешить очень квалифицированным исследователям, но процесс разработки и отладки моделей и алгоритмов требовал кропотливого труда в течение большого периода времени и почти не распараллеливался, что не позволяло увеличивать количество разработчиков, а в силу этого модели становились сугубо авторскими, и их не только адаптировать, но и успешно применять чаще всего могли лишь авторы разработок. ФСА не позволяет сузить предметную область до отдельных видов работ, поэтому прежние подходы к разработке моделей и алгоритмов неотвратимо приведут к противоречиям с формулировкой целей и задач исследования и постановкой задач.

Требуется сформировать подход, позволяющий накапливать, хранить, распознавать, извлекать и использовать в процессах ФСА как формализованные, так и не формализованные знания, в автоматизированной, человеко-машинной системе.

В настоящее время широко известны различные подходы к автоматизации проектирования и производства:

· традиционный подход, при котором для решения четко поставленных задач, с учетом определенных технических ограничений, создаются специальные средства, представляющие собой как пакеты программ, так и сложные (объектно-ориентированные) системы;

· современный подход, при котором предусматривается возможное развитие создаваемых средств в направлениях телекоммуникации и интеллектуализации.

Современные системы обязательно должны иметь в своем составе средства связи. Только это открывает возможности интеграции проектирования и производства. Для организации эффективной телекоммуникационной связи необходимо обеспечить синтаксическую и семантическую совместимость, которая, в свою очередь, невозможна без стандартизации.

В ближайшее время основные проблемы интеграции будут связаны с обеспечением одновременной параллельной работы систем различного назначения с динамической взаимосвязью, выполняемой независимо от пользователей средствами телекоммуникаций. У средств телекоммуникаций в настоящее время есть существенные ограничения - они передают структурированную информацию (с отсечениями), что мешает адекватной оценке реальной ситуации.

Для создания и развития систем автоматизации необходимо иметь адекватное представление об объекте автоматизации. При этом для ФСА на производственных стадиях ЖЦ необходимо наиболее полно представлять назначение, структуру и свойства всей производственной системы. Системный анализ объектов и процессов автоматизации позволит с большей достоверностью определить основные требования к создаваемым средствам системы автоматизации.

Современные производственные системы не могут быть созданы без автоматизированных систем проектирования и не могут эффективно функционировать без современных систем управления. Создание и развитие систем автоматизации также сдерживается и из-за недостаточной квалификации кадров, эксплуатирующих эти системы, что в автоматизации производства отчасти может компенсироваться применением интеллектуализированного оборудования. Современное оборудование с программным управлением нацелено на автоматическое, стабильное обеспечение качества при правильной организации многостаночного обслуживания. Перевод проблем обеспечения качества и производительности на интеллектуальный (информационный) уровень, в свою очередь, требует развития инновационных наукоемких технологий.

В связи с увеличивающимся дефицитом квалифицированной рабочей силы это направление становится все более актуальным при серийном производстве. Средства имитационного моделирования и далее будут приобретать все большее значение при использовании модифицированных модулей для систем проектирования и для формирования программ работы автоматизированного оборудования. Качество проектирования, кроме того, в значительной степени зависит от корректности моделей порождающей среды и от точности проектных процедур, обеспечивающих «выводимость» решений.

В настоящее время к самым приоритетным направлениям развития информационных технологий относятся исследования в области следующих методов и систем: искусственного интеллекта, робототехники и нейрокомпьютеров. Системы искусственного интеллекта основаны на использовании моделей предметной области, правилах вывода и принятия решений, организованных в виде баз данных и знаний с соответствующим человеко-машинным диалогом и интерфейсом. Самой перспективной схемой «полной автоматизации» считается «виртуальный компьютер + экспертная система + нейронная сеть + робототехнические устройства».

В ближайшей перспективе возможно создание систем искусственного интеллекта в форме специализированных экспертных систем, в которых за специалистами будут оставаться функции обучения и настройки в период создания и адаптации, а также определения целей и планов их достижения в период эксплуатации для принятия решений. Уже в настоящее время основным ограничивающими факторами для создания таких экспертных систем являются не вычислительные ресурсы, а методы и техника искусственного интеллекта и сложности его реализации.

В результате проведенного анализа современных средств автоматизации проектирования, производства и управления следует отметить следующее.

1. Системы автоматизированного проектирования и управления, как правило, представляют собой специализированные редакторы, позволяющие формировать техническую и технологическую документацию с применением библиотек конструктивных элементов, инструментов, оборудования, оснастки, а также библиотек типовых технологических процессов, операций и переходов. Достоинством таких систем является их универсальность, а основным недостатком - низкая степень автоматизации самого процесса проектирования. Фактически весь процесс проектирования осуществляется проектировщиками вручную, автоматизированная система используется лишь как инструмент для формирования документов.

2. CAD-составляющие систем ТПП используют геометрические модели. Проектируемые элементы конструкции, деталь или изделие в целом представляются в таких моделях как совокупность точек, прямых, окружностей, поверхностей, твердых тел и т.п. Вершина геометрического моделирования - трехмерные твердотельные модели, которые представляют собой модель идеальной геометрической формы. Такое описание объекта производства совершенно непригодно для задач проектирования технологических процессов. Модели должны включать в себя технические требования к отклонениям размеров и формы элементов конструкции, к изменению места расположения этих элементов, данные о шероховатости их поверхностей и характеристиках материала деталей (твердость, покрытия и т.п.), а также информацию о смысловой и целевой нагрузке, которую несет каждый элемент конструкции. Единственная технологическая задача, для которой может использоваться геометрическая модель изделия, - это подготовка управляющих программ для станков с ЧПУ.

3. Общим недостатком существующих конструкторских и технологических систем являются сложности при их интеграции в единую систему подготовки производства. Существующие системы создавались как самостоятельные программные продукты, поэтому их интеграция с другими, столь же самостоятельными продуктами требует доработок как одних, так и других. технологический автоматизированный проектирование

Заключение

Таким образом, показано, что автоматизированные системы управления, реализующие комплексы задач на основе единого организационного, технического, программного, информационного и математического обеспечения, для достижения поставленных целей должны формироваться в виде интегрированных автоматизированных информационных систем управления и обладать высоким уровнем автоматизации и гибкостью, что отличает их от других систем автоматизированного управления.

Литература

1. Силуянова М.В. Методические аспекты функционально-стоимостного анализа сложных технических систем // Тр. 3-й всероссийской научн.-практ. конф. «Применение ИПИ-технологий в производстве». М.: Изд-во МАТИ. 2005.

2. Силуянова М.В. Комплексная оценка проектных решений для сложных технических систем // Полет. 2007. № 5. С. 56 - 60.

Размещено на Allbest.ru