Размещено на http://allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 519.8:681.518

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

МОДЕЛІ ТА МЕТОДИ ІНФОРМАЦІЙНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ АДАПТИВНОГО СИНТЕЗУ ОПТИМАЛЬНОЇ ТЕХНОЛОГІЧНОЇ СХЕМИ СКЛАДАННЯ

05.13.06 - Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології

Гамаюн Ігор Петрович

Харків - 2005

Дисертація є рукопис

Роботу виконано в Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант -доктор технічних наук, професор Годлевський Михайло Дмитрович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, завідувач кафедри автоматизованих систем управління.

Офіційні опоненти :доктор технічних наук, професор Ходаков Віктор Єгорович, Херсонський національний технічний університет, завідувач кафедри інформаційних технологій, заслужений діяч науки і техніки України;

доктор технічних наук, професор Левикін Віктор Макарович, Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри інформаційно-управляючих систем;

доктор технічних наук, професор Федорович Олег Євгенович, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського “ХАІ”, завідувач кафедри інформаційно-управляючих систем.

Провідна установа - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, м. Київ. Захист відбудеться “9” червня 2005 р. о14-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.07 у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, м. Харків-2, вул. Фрунзе 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, м. Харків-2, вул. Фрунзе 21.

Автореферат розісланий “5” травня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.Є. Голоскоков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Побудова сучасної інформаційної спільноти вимагає розробку, впровадження і використання нових інтелектуальних інформаційних технологій (ІТ), що забезпечують високий рівень підтримки прийняття ефективних рішень у різних напрямках діяльності людини.

В одному з головних для України напрямку - управлінні складними технологічними процесами, промисловими, військовими, космічними об'єктами використовуються IT типу CALS (Continuous Acquisition and Life-cycle Support), які забезпечують неперервну взаємодію і підтримку життєвого циклу виробу (ЖЦВ).

Базовими принципами CALS передбачається неперервне удосконалення процесів на стадіях ЖЦВ - розробки, виробництва, експлуатації, модернізації, утилізації, що пов'язується з необхідністю підвищення якості системних рішень, що готуються і приймаються в результаті функціонування відповідних автоматизованих систем.

Ефективність функціонування автоматизованих систем і їх функціональних підсистем суттєво визначається інтелектуальною складової IT - інформаційними ресурсами (ІР) і інструментальними засобами (ІЗ), що створюються на основі теорії системного аналізу, дослідження операцій, математичної логіки, теорії прийняття рішень, теорії адаптивних систем , в досягнення яких значний внесок зробили В. М. Глушков, В. С. Михалевич, І. В. Сергієнко, В. І. Кунцевич, М. З. Згуровський, В. І. Скуріхін, Н. М. Моісєєв, Я. З. Ципкін, М. Месарович, Дж. Клір, Дж. Ван Гіг та ін.

CALS - технологією на основі стандартизації методів представлення даних, створювання інтегрованого інформаційного середовища забезпечується електронний обмін інформацією на стадіях ЖЦВ, що дозволяє досягти високого рівня оперативності і достовірності підтримки прийняття системних рішень. Тому подальше підвищення ефективності функціонування автоматизованих систем, що використовуються CALS - технологією і розглядаються як органи управління, пов'язується з підвищенням рівня обгрунтовності підготовки і прийняття системних рішень.

До використовуємих в CALS - технології відноситься функціональна підсистема автоматизованого аналізу конструкцій виробів машинобудування, приладобудування, які є системними технічними об'єктами складання (СТОС), і відроблення їх на технологічність. Ця функціональна підсистема, що далі називається „Підсистема”, належить автоматизованій системі технологічній підготовки складального виробництва (АСТПСВ) інтегрованого виробничного комплексу (ІВК). Результати її функціонування, що отримуються шляхом реалізації укладених однієї в іншу процедур аналізу, параметричного, структурного синтезу СТОС, модернізації конструкції і корекції технічного завдання, мають системний характер, оскільки відносяться до усіх стадій життєвого циклу СТОС (ЖЦ СТОС).

Згідно сучасної парадигмі „виріб - технологія - виробництво”, функціонування „Підсистеми” забезпечується тими ІР і ІЗ (експертна система DFMA - конструювання для складання; AME - метод оцінки придатності для складання та ін.), які на основі взаємопов'язаної реалізації процедур аналізу, параметричного, структурного синтезу і модифікації конструкції дозволяють удосконалити конструкцію СТОС з урахуванням характеристик його складання.

Аналіз вказує, що подальше підвищення ефективності функціонування „Підсистеми” пов'язується з підвищенням рівня обгрунтовності рішень відносно іншої складової технологічності СТОС - технологічності структури СТОС на різних стадіях ЖЦ СТОС. Сучасний, недостатньо високий рівень визначається малою кількістю альтернатив у вигляді варіантів структур СТОС, що отримуються як результат реалізації процедури структурного синтезу лише на основі знань, досвіду і інтуїції фахівців.

По фактору „кількість альтернатив, що досліджуються в процесі вироблення рішення” найбільш високий рівень обгрунтовності рішення досягається на основі формування повної множини альтернатив. З урахуванням цього і результатів аналізу ефективності функціонування „Підсистеми”, актуальною є проблема розробки формальних засобів, які, доповнюючи існуючі ІР та ІЗ і реалізуючи процедуру структурного синтезу, дозволяють сформувати повну множину варіантів структур СТОС адаптовану до варіанту конструкції СТОС. Ця множина є основою для постановки задач структурної оптимізації по визначенню технологічних структур СТОС для кожної стадії ЖЦ СТОС.

На стадії виробництва для постановки задачі структурної оптимізації по визначенню технологічної структури СТОС використовується поняття технологічної схеми складання системного технічного об'єкту (ТСС СТО), яка показує порядок введення в складальний процес структурних елементів варіантів структури СТОС. ТСС СТО відображує реалізацію організаційних принципів побудови процесів складання (паралельність, пропорціональність та ін.), які суттєво впливають на основні на стадії виробництва показники якості - довготривалість циклу складання та витрати ресурсів на реалізацію складання по варіантам ТСС СТО.

В дисертаційній роботі вирішується проблема розробки формальних засобів, що створюють інтелектуальну основу IT адаптивного синтезу оптимальної ТСС СТО, застосування якої забезпечує підвищення ефективності процесу функціонування „Підсистеми”.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась в межах НДР, здійснюваних у 2000-2004 роках у Національному технічному університеті „Харківський політехнічний інститут” на кафедрі автоматизованих систем управління у відповідності до планів держбюджетних НДР Міністерства освіти і науки України: № ДР 0100U001670 „Розвиток прикладних аспектів методології системного підходу для автоматизованого аналізу та синтезу складних систем з використанням прогресивних інформаційних технологій”, № ДР 0103U001543 „Розробка інформаційних моделей для реалізації процедур структурного синтезу в комп'ютерно-інтегрованих системах”. Ці роботи, в яких здобувач був відповідальним виконавцем, виконувались згідно приоритетних напрямків розвитку науки і техніки України „Перспективні інформаційні технології, прилади комплексної автоматизації, системи зв'язку”, „Нові комп'ютерні засоби та технології інформатизації суспільства”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка моделей і методів, що складають інтелектуальну основу IT адаптивного синтезу оптимальних ТСС СТО, використання якої в межах IT типу CALS забезпечує реалізацію концепції підвищення ефективності функціонування „Підсистеми” за рахунок підвищення рівня обгрунтовності рішень, що приймаються при відробленні СТОС на технологічність структури.

Мета досягається рішенням наступних задач дослідження:

- розробкою адаптованої до розглядаємого варіанту конструкції математичної моделі СТОС і автоматизованої процедури її формування, що виконує функцію адаптера;

- формалізацією процедури формування поелементних послідовностей розкладання - складання СТОС з урахуванням вимог доступу та базування;

- розробкою комбінаторного методу побудови генеральної множини підсистем СТОС;

- розробкою методу формування повної множини варіантів структур СТОС і відповідних їм варіантів ТСС СТО;

- розробкою імітаційної моделі реалізації процесу створення СТОС по варіантам ТСС СТО, що дозволяє отримати кількісні оцінки варіантів по заданим локальним критеріям оптимальності - довготривалості процесу складання і витрат ресурсів на реалізацію процесу по варіантах ТСС СТО;

- розробкою методу визначення кращого варіанту ТСС СТО на множені їх альтернатив в просторі значень локальних критеріїв за обраною схемою компромісу.

Об'єктом дослідження є ефективність процесу функціонування „Підсистеми”.

Предметом дослідження є формальні засоби для адаптованого синтезу оптимальних ТСС СТО, використання яких підвищує рівень обгрунтовності рішень в „Підсистеми” при автоматизованому відробленні СТОС на технологічність структури.

Методи дослідження. Для рішення задач дослідження використовуються методи теорії системного аналізу, алгебри логіки, дослідження операції й теорії прийняття рішень. При цьому методи теорії системного аналізу і алгебри логіки використовуються в головному для рішення задач дослідження пов'язаннях з розробкою математичної моделі СТОС і комбінаторного методу побудови генеральної множини підсистем СТОС; методи дослідження операцій використовуються при формалізації процедури формування поелементних послідовностей розкладання - складання СТОС і при розробці методу формування повної множини варіантів структур СТОС і відповідних їм варіантів ТСС СТО; методи теорії прийняття рішень використовуються при розробці імітаційної моделі реалізації процесу створення СТОС по варіантам ТСС СТО, що дозволяє отримати кількісні оцінки варіантів по заданим критеріям оптимальності, порівняння яких при обраній схемі компромісу визначає ліпший варіант.

Наукова новизна роботи полягає в рішенні важливої науково-практичної проблеми розробки інтелектуальної основи IT, яка забезпечує в циклі функціонування „Підсистеми” реалізацію процедури структурної оптимізації, що підвищує ефективність функціонування „Підсистеми” за рахунок зростання рівня обґрунтованості готуємих рішень при визначенні технологічної структури СТОС на стадії виробництва.

При цьому до основних наукових результатів відносяться:

- вперше для проведення структурних досліджень розроблена адаптована до варіанту конструкції СТОС його математична модель у вигляді кортежу з множини елементів СТОС і відношень, що відображують обмежувальні зв'язки типу фіксоване та нефіксоване сполучення між елементами, які виявляються за допомогою автоматизованої процедури, що виконує функцію адаптера між складальним кресленням і моделлю, що формується;

- отримали подальший розвиток методи автоматизованого формування поелементних послідовностей розкладання - складання СТОС, що виражається у формалізації аналізу відношень між елементами СТОС в окремих координатних напрямках трьохвимірного простору і їх різних сполученнях з урахуванням конструктивно - технологічних вимог доступу та базування;

- вперше розроблено метод рішення NP - повної задачі формування генеральної множини підсистем СТОС, що включає алгебрологичні формалізовані правила (FR) створення підсистем з урахуванням обмежувальних зв'язків типу фіксоване і нефіксоване сполучення між елементами та комбінаторну процедуру породження перспективних сполучень елементів СТОС, які перевіряються на відповідність FR;

- вперше розроблено метод формування повної множини варіантів структур СТОС і відповідних їм варіантів ТСС СТО, що включає теоретично обґрунтовані правила створення з генеральної множини вибірок підсистем, розподіл яких по рівням ієрархії дозволяє отримати альтернативні варіанти структур СТОС встановленого виду, і процедуру перетворення кожного варіанту структури СТОС в альтернативні варіанти ТСС СТО;

- вперше на основі апарату сіток Петрі розроблені імітаційні моделі процесу створення СТОС по варіантам ТСС СТО, за допомогою яких здійснюється оцінка цих варіантів на основі двох головних для стадії виробництва критеріїв оптимальності - довготривалості циклу складання і витрати ресурсів;

- отримали подальший розвиток методи багатокритеріальної оптимізації, що виражається у використанні зовнішньої для задачі, що вирішується, інформації - даних о серійності виробництва, що дозволяє структурувати область можливих альтернатив у просторі значень локальних критеріїв і тому зменшити кількість дискретних альтернатив, що оцінюються при визначені найкращої.

Практичне значення отриманих в дисертації результатів полягає в можливості створення на їх основі IT, реалізація якої в рамках IT типу CALS через відповідний програмно - методичний комплекс дозволяє:

- підвищити ступінь автоматизації технологічної підготовки складального виробництва машинобудування і приладобудування за рахунок автоматизації процедури структурного синтезу при відробленні на технологічність структури СТОС;

- підвищити ефективність функціонування „Підсистеми” як органу управління на основі поліпшення основних характеристик функціонування - оперативності, достовірності і обгрунтовності;

- сформувати адаптовану до конструкції СТОС повну множину варіантів структур СТОС і відповідних ТСС СТО, системність якої виявляється в можливості постановки на її основі задач структурної оптимізації на усіх стадіях ЖЦВ;

- визначити варіант ТСС СТО, який є оптимальним на стадії виробництва з точки зору мінімізації узагальненого критерію, що формується на основі локальних критеріїв - довготривалості циклу складання й витрат ресурсів.

Теоретичні й практичні результати дисертаційної роботи використовуються для модернізації автоматизованої системи технологічної підготовки складального виробництва таких машинобудівних і приладобудівних підприємств як ВАТ „Харківський тракторний завод” (акт про впровадження від 07.07.2000), Харківський машинобудівний завод „ФЕД” (акт про впровадження від 23.06.2002), Державне підприємство „Харківський науково-дослідний інститут технології машинобудування” (акт про впровадження від 23.06.2002), Державне підприємство „Завод імені Малишева” (акт про впровадження від 28.06.2002), Державне науково-виробниче об'єднання „Комунар” (довідка про використання від 17.03.2003), а також в навчальному процесі на кафедрі автоматизованих систем управління Національного технічного університету „Харківський політехнічний інститут” при підготовці бакалаврів, спеціалістів і магістрів за спеціальностями 7.080401 „Інформаційно - управляючі системи і технології” і 7.080403 „Програмне забезпечення автоматизованих систем” (акт про впровадження від 8.02.2005).

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертацій, що виноситься на захист, одержані здобувачем самостійно. У роботах, написаних та опублікованих у співавторстві, здобувачу належать наступні результати: формалізовано обмежувальні зв'язки типу фіксоване та нефіксоване сполучення між елементами конструкцій складного виробу; розроблено процедуру виявлення відношень типу фіксоване сполучення, а також запропоновано способи використання для цієї процедури засобів AutoCAD 2000(2002); визначено множину лексикографічно упорядкованих сполучень індексів таблиць з відношеннями між елементами виробу, а також вибірки з цієї множини, на основі яких формується повна множина послідовностей розкладання-складання; розроблено базовий метод синтезу підсистем технічного об'єкту складання; на основі звичайних сіток Петрі і їх модифікацій розроблені імітаційні моделі процесу формування складного виробу з його структурних елементів; розроблено метод рішення задачі багатокритеріальної оптимізації на дискретній множині варіантів технологічних схем складання з урахуванням типу виробництва.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на: семінарі “Управление сложными технико-экономическими системами” Харьковской секции Научного Совета НАН Украины по проблеме “Кибернетика” (1990); 1-ой Всесоюзной научно-технической конференции “Прогнозирование создания гибких производственных систем и робототехнических комплексов в условиях интенсификации производства” (Харьков - Малый Маяк, 1990); Научной конференции “Автоматика, вычислительная техника и системы управления” (Габрово, Болгария, 1992); Международной научно-технической конференции “Функционально-ориентированные вычислительные системы” (Киев - Харьков, 1993); Международной научно-технической конференции “Компьютер: наука, техника, технология, образование, здоровье” (Харьков, 1993); 5-ти Международных научно-технических конференциях “Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье” (Харьков, 1995, 1997, 1999, 2002, 2003); 6-ой Українській конференції з автоматичного управління “АВТОМАТИКА - 99” (Харків, 1999); Міжнародній конференції з управління “АВТОМАТИКА - 2000” (Львів, 2000); Международной научно-технической конференции “Наука и социальные проблемы общества: человек, техника, технология, окружающая среда, (Харьков, 2001); 1-ой Международной конференции по информационным системам, технологиям и их приложениям “ISTA'2001” (Харьков, 2001); Международной научно-технической конференции “Интегрированные компьютерные технологии в машиностроении (ИКТМ'2001)” (Харьков, 2001).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 35 праць: 27 статей у наукових фахових виданнях, з яких 24 у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України; 4 праці конференції; 3 тези доповідей конференцій; 1 навчальний посібник з грифом Міністерства освіти і науки України.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел з 217 найменувань та 4-х додатків. Містить 75 рисунків, 20 таблиць. Загальний обсяг роботи складає 327 сторінок, рахуючи 266 сторінок основного тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано її мету і задачі, які необхідно розв'язати для досягнення мети, наведено характеристику отриманих теоретичних та практичних результатів, показано особистій внесок здобувача, вказано де відбувалась апробація роботи й загальну характеристику публікацій.

У першому розділі виконано аналіз ефективності функціонування автоматизованих систем, що включаються до складу ІВК і застосовуються CALS-технологією для підготовки і прийняття рішень на стадії виробництва. Показано, що ефективне функціонування цих систем, яке оцінюється показниками ефективності виробничої діяльності, забезпечується ІР та ІЗ CALS-технології, що створюються на основі принципів спільності, системності, інваріантності, розвитку і вдосконалення, адаптивності.

Взаємодії процедур структурного синтезу - синтезу варіантів структур СТОС, модернізації конструкції, корегування технічного завдання, а також процедур аналізу і параметричного синтезу складає сутність процесу функціонування “Підсистеми”. При цьому взаємодії мають характер укладення однієї процедури у іншу.

Найбільш високий рівень обґрунтованості по фактору “кількість альтернатив” досягається на основі формування повної множини варіантів структур СТОС. Враховуючи укладення процедури синтезу структур у процедуру модифікації конструкції, повна множина варіантів структур СТОС повинна бути адаптованою до заданого варіанту конструкції. Ця множина є основою для вирішення задач структурної оптимізації по визначенню технологічних структур з урахуванням особливостей кожної стадії ЖЦ СТО.

Поставлені задачі дослідження, вирішення яких дозволяє визначити технологічну структуру СТОС на стадії виробництва. Цій структурі відповідає оптимальна ТСС СТО, що віддзеркалює реалізацію організаційних принципів побудови процесу складання, які суттєво впливають на основні для стадії виробництва показники якості - довготривалість циклу складання та витрати ресурсів на реалізацію складання по варіанту ТСС СТО.

Одержані оцінки складності задач дослідження, що пов'язуються з визначенням генеральної множини підсистем СТОС і формуванням на її основі вибірок, які дозволяють сформувати повну множину структур СТОС і відповідну множину варіантів ТСС СТО. Оцінки показують, що в залежності від можливостей формалізації задачі належать до класу задач синтезу третього рівня складності. До цього рівня належать NP-повні комбінаторні задачі, які при існуючих технічних і програмних засобах не можуть бути вирішені шляхом повного перебору за прийнятний час. Для розв'язання задач цього класу актуальна розробка методів і алгоритмів поліноміальної складності.

У другому розділі розроблено методику дослідження, що полягає у послідовній реалізації спочатку системно-структурного аспекту, а слідом системно-функціонального аспекту системного підходу.

Показано, що методика дослідження реалізується системою послідовних перетворень Ф₁ - Ф₆:

Перетворення Ф₁ дозволяє отримати математичну модель СТОС MS на основі конструкції К, що подається у вигляді складального креслення і відповідної специфікації. Модель MS подається у вигляді кортежу, в якому D - множина елементів СТОС.

Перетворення Ф₁ виконує функцію адаптера, оскільки забезпечує зв'язок з своєрідним зовнішнім середовищем для процедури структурного синтезу варіантів структур СТОС, яким є варіант конструкції К.

Перетворення Ф₂ забезпечує формування генеральної множини підсистем СТОС. Це перетворення реалізується комбінаторним методом пошуку тих сполучень елементів, для яких виконуються формалізовані правила створення підсистем, що мають властивості цілісності і складаємості.

Реалізація перетворень Ф₃ і Ф₄ дозволяє отримати повну множину адаптованих варіантів структур СТОС. Формування множини вибірок і подальший розподіл підсистем вибірок по рівнях ієрархії, що дозволяє отримати множину , робиться відповідним методом з урахуванням вимог щодо виду структур і складу вибірок.

Перетворення Ф₅ забезпечує отримання повної множини варіантів ТСС СТО з урахуванням основних конструктивно-технологічних вимог складання - базування та доступу, що визначають допустимість послідовностей уведення у складальний процес елементів структурованого зображення СТОС.

Реалізація перетворень Ф₁ - Ф₅ зводиться до виконання визначених відповідними методами правил і дій, що забезпечують зміну одних математичних об'єктів іншими. Тому формування множини варіантів ТСС СТО має алгоритмічний характер.

Для визначення оптимального варіанту ТСС СТО необхідно розробити модель, яка, по-перше, повинна адекватно віддзеркалювати суттєві особливості процесу утворення СТОС згідно варіантам і, по-друге, дозволяла б отримати оцінку по основним критеріям оптимальності - довготривалості процесу (CR₁) і затратам ресурсів на організацію та забезпечення процесу (CR₂). Цим вимогам найбільш повно відповідає імітаційна модель процесу створення СТОС згідно варіантам ТСС СТО, що позначається MTSA. Побудова моделей MTSA для кожного варіанту ТСС СТО реалізується перетворенням Ф₆,.

Можливість отримання оцінок варіантів ТСС СТО на основі локальних критеріїв CR₁, CR₂, дозволяє сформулювати задачу визначення оптимальної ТСС СТО - TSA_опт у вигляді багатокритеріальної задачі структурної оптимізації

Рішення поставленої задачі структурної оптимізації можливе шляхом автоматизації перетворень Ф₁ - Ф₆, що обумовлює розробку відповідного комплексу взаємозв'язаних моделей та методів.

В третьому розділі розроблено математичну модель СТОС, автоматизовану процедуру формування цієї моделі, а також формалізовано процес побудови поелементних послідовностей розкладання-складання.

Математичні моделі систем вдається побудувати у тих випадках, коли елементи досліджуваної системи класифіковані, а відношення між елементами експліковані.

Складання класифікатора є необхідним неформальним етапом побудови моделі. Класифікатором СТОС є перелік елементів його конструкції згідно специфікації. Кожному елементу надається відповідний індекс d_i. Такий класифікатор дозволяє визначити множину елементів СТОС D.

Експлікація відношень полягає в тому, що для кожного координатного напрямку тривимірного простору визначаються бінарні відношення на множині D, тобто , що обумовлюються відповідно універсальними обмежувальними зв'язками типу фіксованого і нефіксованого сполучення.

Класифікація елементів СТОС, результатом якої є множина елементів D, і експлікація відношень між елементами, дозволяють сформувати математичну модель СТОС у вигляді кортежу

, (1)

де .

Досвід показує, що процес формування моделі MS вимагає значних витрат часу і супроводжується помилками. Для досягнення високого рівня оперативності і достовірності необхідно автоматизувати процес формування MS, що обумовлюється формалізацією процесу виявлення відношень , між елементами СТОС.

Основна проблема, яку треба вирішити при розробці автоматизованої процедури, полягає у перетворенні змісту інформації, що міститься у складальному креслені СТОС, в інформацію про зв'язки типу фіксоване і нефіксоване сполучення згідно їх визначенню. Для вирішення цієї проблеми треба мати інструментальні засоби, що забезпечують: можливість виділяти кожен елемент d_i з множини D; опис елементів, що виділяються, прямокутним паралелепіпедом з сторонами, які паралельні осям тривимірного простору; переміщення елементів d_i їх проекцій на осі та площини тривимірного простору. Вказані можливості реалізуються за допомогою засобів AUTOCAD 2000/2002 - Item method, GetBoundingBox method, AddBox method, Move method, Boolean method. Використання цих засобів в процедурі автоматизованого формування моделі MS для виявлення відношень між елементами СТОС забезпечує реальну інтеграцію задач автоматизації конструкторської і технологічної підготовки складального виробництва.

Процедура автоматизованого формування MS виконує функцію адаптера, оскільки дозволяє в конструкції СТОС, яка є зовнішнім середовищем для процедури структурного синтезу, виявити елементний склад СТОС і відношення між елементами, що застосовуються в подальших діях визначення оптимального варіанту ТСС СТО.

Формалізовано процес формування поелементних послідовностей розкладання-складання СТОС, що реалізується в межах дворівневої структури СТОС.

Послідовності подаються у вигляді ланцюжків з окремих елементів і з деяких їх сукупностей, що розподіляються відношенням передування, які задають порядок розкладання або складання. При цьому указуються координатні напрямки або їх сполучення, в яких реалізується відокремлення або установлення елементів. Наявність в послідовностях сукупностей елементів означає, що усі елементи сукупності відокремлюються або установлюються одночасно (паралельно).

Концепція формалізованого формування поелементних послідовностей розкладання основується на моделі СТОС (1) і полягає в послідовному відокремленні тих елементів, які в розглядаємому координатному напрямку або їх сполученні не мають обмежувальних зв'язків типу фіксоване сполучення з іншими елементами СТОС.

Можлива наявність у елементів зв'язків типу нефіксоване сполучення не є перешкодою для їх відокремлення, оскільки згідно з визначенням, зв'язки типу нефіксоване сполучення переборюються за допомогою зусиль, рухів й таке інше.

Кожний варіант послідовності розкладання формується шляхом аналізу відповідної послідовності таблиць з відношеннями , .

Формування послідовностей таблиць, елементами яких є не тільки окремі таблиці, але і їх сполучення, здійснюється з урахуванням вимог повноти і єдності. Вимога повноти полягає в тому, що в послідовності повинні бути усі таблиці , а вимога єдності означає те, що кожна таблиця в кожній послідовності присутня тільки один раз і в випадку, коли вона в послідовності у складі сполучення, і в випадку, коли вона в послідовності окремо.

Для отримання повної множини послідовностей розкладання (2), що задовольняють вимогам доступу, необхідно отримати відповідну множину різних послідовностей таблиць, елементами яких є окремі таблиці і їх сполучення.

Таблицям, що відображають відношення , для спрощення запису послідовностей ставляться у відповідність номери з 1 до 6. З урахуванням цього, повна множина послідовностей таблиць, що задовольняють вимогам повноти і єдності, формується у вигляді перестановок елементів вибірок, які створюються на основі множин елементів у вигляді окремих номерів і їх різних лексикографічно впорядкованих r-сполучень .

Визначені 11 видів вибірок. Перестановлення елементів цих вибірок формує ту множини послідовностей таблиць, аналіз відношень в яких дозволяє отримати повну множину послідовностей розкладання.

Послідовності складання, що задовольняють умовам доступу і базування формуються на основі послідовностей розкладання у два етапи. Спочатку формуються послідовності складання що задовольняють вимогам доступу. Ці послідовності отримують як зворотні послідовностям розкладання зі зміною координатних напрямків на протилежні. Потім реалізується перевірка виконання вимог базування, які задаються у вигляді відношень передування - елементи, які створюють комплект баз для елементу, що встановлюється, повинні встановлюватися раніше.

В четвертому розділі розроблено комбінаторний метод формування генеральної множини СТОС, який включає формалізовані правила утворення підсистем (FR) і процедуру породження перспективних сполучень елементів СТОС, що перевіряються на відповідність FR.

FR виражають специфічний закон утворення підсистем СТОС, який є практичною реалізацією одного з фундаментальних положень теорії складних систем - положення про подвійний характер підсистем. Закон зводиться до виконання наступних вимог:

- підмножина елементів СТОС у вигляді деякого сполучення з множини D є підсистемою, якщо вона є системою, що задовольняє визначеним технічним вимогам;

- до складу підсистемі повинні входити елементи, серед яких є базовий і які у своїй сукупності входять до складу підсистеми більш високого рівня або СТОС, не обмежуючи при цьому доступ до місця установки елементів , які не входять до підсистеми, при реалізації процесу складання.

Виконання першої вимоги означає, що підмножина елементів D_k має властивість цілісності, тобто є системою, тоді і тільки тоді, коли виконуються універсальні для СТОС властивості: усі елементи підмножини D_k обмежені у переміщеннях по усім координатним напрямкам; кожний елемент D_k орієнтовано відносно інших елементів; усі елементи D_k зв'язані між собою; складання конструкції з елементів множини D_k реалізуємо.

Друга вимога визначає обмеження елементного складу підмножини D_k. Вона виконується в тому випадку, коли існує принаймні одна поелементна послідовність складання СТОС, що формується з урахуванням конструктивно-технологічних умов доступу й базування, в якій уся підмножина D_k розглядається як окремий елемент.

Основою для перевірки виконання вимог є математична модель (1), що перетворюється згідно з елементним складом D_k, і формалізована процедура формування поелементних послідовностей розкладання-складання.

За допомогою моделі реалізується перевірка наявності чотирьох властивостей у підмножини елементів .

Перша властивість, яка полягає у тому, що усі елементи підмножини D_k обмежені в переміщеннях по усім координатним напрямкам, перевіряється шляхом формування таблиць . Строки цієї таблиці відповідають елементам

Якщо , то перша властивість виконується.

Друга властивість, яка полягає у тому, що кожен елемент D_k орієнтовано відносно інших елементів, перевіряється шляхом формування таблиць P.

Якщо , де - множина елементів, що створює для комплект баз, то друга властивість виконується. В протилежному випадку не виконується.

Третя властивість, яка полягає у тому, що усі елементи D_k зв'язні між собою, виявляється за допомогою транзитивного замикання, визначеного для кожного елементу по зв'язках типу фіксоване і нефіксоване сполучення.

Четверта властивість, яка полягає в тому, що конструкція з елементів підмножини D_k складається, виявляється шляхом реалізації формалізованої процедури розкладання-складання. Якщо на основі реалізації цієї процедури вдається отримати принаймні одну поелементну послідовність складання, то четверта властивість виконується. В протилежному випадку не виконується.

Після підтвердження наявності чотирьох універсальних властивостей СТОС у підмножини елементів, що означає виконання першої вимоги утворення підсистеми, необхідно переходити до перевірки вимоги щодо елементного складу D_k.

Для реалізації перевірки вимоги щодо елементного складу D_k необхідно модифікувати відношення в початковій моделі СТОС. Необхідність модифікації пояснюється новим статусом D_k як цілісного елементу, який разом з іншими елементами, що не входять до D_k, утворює СТОС. Модифікація полягає в зміні індивідуальних відношень усіх елементів СТОС. Усі індивідуальні відношення кожного елементу D_k з елементами, що не входять до D_k, треба надати іншим елементам D_k, а у випадку наявності індивідуальних відношень елементу що не входить до D_k, з будь яким елементом D_k, ці відношення треба надати усім елементам D_k.

Якщо на основі моделі шляхом реалізації формалізованої процедури розкладання-складання вдається отримати принаймні одну послідовність, то друга вимога утворення підсистем СТОС виконується.

Виконання вимоги до елементного складу D_k, перевірка якої реалізована після виконання вимоги цілісності, дозволяє стверджувати, що підмножина елементів D_k є підсистемою СТОС.

Комплекс співвідношень для перевірки наявності чотирьох універсальних властивостей, для модифікації відношень, а також математичні моделі утворюють FR, які мають алгебрологічний характер.

Задача формування генеральної множини підсистем СТОС полягає в находженні на множини елементів СТОС D тих їх сполучень, що відповідають FR. Оцінка складності цієї задачі визначається кількістю сполучень, які треба перевірити на відповідність FR шляхом повного перебору. Значення оцінки 2ⁿ-2n-1 показує, що задача відноситься до NP-повних комбінаторних задач, для рішення яких актуально розробка методів, що значно зменшують кількість сполучень, що перевіряються на відповідність FR.

Вимогам утворення підсистем можуть відповідати так звані перспективні сполучення, між елементами яких існують зв'язки.

До перспективних відносяться сполучення, породження яких відбувається з урахуванням наступних вимог: принаймні між двома елементами сполучення існує зв'язок типу нефіксоване сполучення в одному з координатних напрямків; кожний елемент сполучення принаймні з одним іншим елементом повинен мати зв'язок типу фіксоване сполучення, що обумовлюється наявністю контакту між їх поверхнями в тому чи іншому координатному напрямку.

Для породження перспективних сполучень необхідно мати інформацію про відношення C та Н, які дозволяли рахувати вимоги формування перспективних сполучень

Процедура породження перспективних сполучень зображується у вигляді лісу як сукупності дерев породження, в яких позначаються вершини і ребра. Вершини позначаються двома сполученнями. Першим сполученням є набір індексів елементів породжуємого перспективного сполучення, а другим - набір індексів елементів, якими позначаються ребра дерева на шляху від кореневої вершини до вершини, що розглядається.

Підмножина розглядається як перспективне сполучення, а набір індексів його елементів є першим сполученням позначення кореневої вершини . Другим сполученням позначення тієї ж кореневої вершини буде пуста множина, оскільки ця вершина є вихідною для створення шляхів в дереві породження.

На кінцях вихідних з кореневої вершини ребер створюються вершини першого рівня дерева породження.

Перше сполучення в позначенні кожної вершини першого рівня визначається як , тобто здійснюється розширення складу перспективного сполучення елементами, з яким елемент має відношення типу фіксоване сполучення. Буде створене нове перспективне сполучення, якщо не є підмножиною . Друге сполучення позначення вершини першого рівня визначається як , оскільки на шляху від кореневої вершини до вершини що розглядається, лише одне ребро, яке позначається індексом .

Здійснюється порівняльний аналіз позначень усіх отриманих вершин даного рівня.

Якщо серед вершин є такі, у яких перше сполучення їх позначення включає індекси усіх елементів СТОС, то усі ці вершини визначаються як кінцеві, яким відповідає система, і з подальшого розгляду виключаються. Обґрунтуванням для виключення є неможливість подальшого розширення сполучень, що відповідають цим вершинам.

Якщо серед вершин даного рівня є такі, у яких співпадають обидва сполучення їх позначення, то для подальшої побудови дерева породження залишають одну з них, а інші визначають як кінцеві дублюючі і із розгляду виключають. Обґрунтуванням для виключення в цьому випадку є те, що з вершин, що мають однакові позначення, виростають ізоморфні дерева.

Після виключення з розгляду кінцевих вершин, визначених як “система” або “дублююча”, процес побудови дерева продовжується - проводяться ребра, що виходять з залишених вершин першого рівня. Нехай одна з них є кінцевою вершиною ребра . Ребрам, що виходять з цієї вершини надають окремі індекси, які належать множені, що визначається як різниця першого і другого сполучень позначення вершини.

Другим сполученням позначення вершини другого рівня що породжується, є {j_r, j_m}, оскільки на шляху від кореневої вершини до вершини що розглядається є 2 ребра, що позначається відповідними індексами та .

Аналогічно породжується і решта вершин другого рівня. Після породження здійснюється порівняльний аналіз позначень вершин другого рівня. Результатом аналізу є визначення кінцевих вершин як “система” і як “дублююча”. Після цього вони виключаються з подальшого розгляду. Процес побудови лісу як сукупності дерев породження продовжується до тих пір, поки усі кінцеві вершини кожного дерева не будуть визначені як “система” або “дублююча”.

На основі аналізу складу перших сполучень позначень внутрішніх вершин к-го дерева породження формується список різних перспективних сполучень Sp_k, а потім на основі списків - список різних перспективних сполучень лісу, який і є списком перспективних сполучень. Ці сполучення і повинні перевірятися на відповідність FR з метою формування генеральної множини підсистем СТОС.

Досвідна експлуатація розробленої процедури породження перспективних сполучень дозволяє стверджувати, що вона має поліноміальну складність на відміну від процедури повного перебору, яка має експоненціальну складність.

У п'ятому розділі розроблено метод формування множини варіантів структур СТОС і варіантів ТСС СТО, що включає: алгоритм отримання варіантів структур СТОС на основі вибірок підсистем з їх генеральної множини; автоматизовану процедуру визначення базових елементів в підсистемах структури СТОС; автоматизовану процедуру перетворення множини варіантів структур СТОС в множину ТСС СТО з базовим елементом; теоретично обґрунтовані положення, що визначають склад вибірок, сукупність яких не є надмірною й дозволяє сформувати повну множину варіантів структур СТОС і відповідних варіантів ТСС СТО.

Набір підсистем, що розподіляються з першого до передостаннього рівнів, задається вибіркою з індексів їх генеральної множини S₀.

Вибірками підсистем з їх генеральної множини S₀ є к-сполучення (k>0) з множини , що доповнюються системою S. Множина вибірок, що отримується на основі S₀, перетворюється в множину відповідних структур СТОС за допомогою алгоритму Adb, тобто.

Концепція алгоритму Adb основується на аналізі значень потужності підсистем вибірок, що розглядаються як підмножини елементів з множини D, і на перевірці вимоги входження підсистем однієї до іншої. Така концепція дозволяє послідовно формувати рівні структури СТОС, починаючи з першого рівня, на якому розташуються підсистеми з одноступеневим розподілом. Структура СТОС є такою, що побудована, як тільки система S (СТОС) розташується на самому верхньому рівні.

Структури СТОС є основою синтезу варіантів ТСС СТО з базовим елементом. В цьому виді ТСС виділяються вітки загального і вузлового складання, кожна з яких починається з відповідних базових елементів - базового елементу СТОС і базових елементів підсистем СТОС. Початок процесу складання з базових елементів і його продовження згідно схеми базування кожного структурного елементу забезпечує необхідну точність установки елементів і зменшує витрати на реалізацію процесу складання.

Автоматизоване визначення базових елементів можливе на основі формалізації правил визначення базових елементів системи S та її підсистем в межах структури СТОС.

Виходячи з вказаної передумови, в якості базового елементу підсистеми деякого рівня ієрархії , де J₁ - кількість підсистем на l-рівні, вибирається елемент, який має зв'язки фіксоване або нефіксоване сполучення в усіх координатних напрямках з елементами підсистем більш високого рівня , що безпосередньо включає підсистему згідно структурі СТОС і тому включає усі елементи , тобто .

Структури СТОС, що отримуються за допомогою Adb, необхідні для формування на їх основі відповідних варіантів ТСС СТО з базовим елементом, які відображують порядок утворення СТОС з урахуванням конструктивно-технологічних вимог доступу й базування.

Перетворенням Ф₅ передбачається: розкладання кожного варіанту структури СТОС St_r на множину дворівневих структур, на верхніх рівнях яких розташовуються система і підсистеми , а на нижніх рівнях розташовуються структурні елементи, що безпосередньо їх утворюють згідно структуріSt_r; формування на основі дворівневих структур варіантів послідовностей уведення в складальний процес структурних елементів нижніх рівнів, що створюють вітки загального і вузлового складання, які у сукупності визначають варіанти ТСС СТО .

Дворівневі структури, що виділяються в структурі СТОС, пов'язуються між собою у точках з'єднання, якими є вершини, що відображують підсистеми СТОС.

Наявність точок з'єднання дозволяє визначати структуру СТОС як таку, що розділяється, або сепарабельну.

Формування на основі дворівневих структур послідовностей уведення в складальних процес структурних елементів нижніх рівнів реалізується поетапно.

На першому етапі за допомогою автоматизованої процедури формування поелементних послідовностей розкладання-складання AD визначаються послідовності розкладання системи S в межах її дворівневої структури, на нижньому рівні якої розташовуються структурні елементи множини .

Наступні етапи пов'язуються з отриманням послідовностей розкладання-складання підсистем в межах їх представлення у вигляді відповідних дворівневих структур, на нижніх рівнях яких розташовані структурні елементи множин.

Зв'язок варіантів віток загального і вузлового складання при утворенні варіанту ТСС СТО реалізується в точках з'єднання, які відповідають точкам з'єднання дворівневих структур в структурі СТОС.

Формування варіантів пов'язується з визначенням відношень між структурними елементами декомпозиційних множин ,.Процедура визначення цих відношень основана на наступному твердженні.

Теорема 1. Підсистеми декомпозиційних множин , є підмножинами елементів з множини D, що не перетинаються, об'єднання яких утворює множину елементів, що складають відповідно систему S і підсистеми S_jl.

Проблема зниження трудомісткості комбінаторних розрахунків виникає при перетворенні однієї множини альтернатив в іншу, на якій далі реалізується пошук найкращих варіантів. Концепцією вирішення цієї проблеми є розподіл альтернатив на перспективні і неперспективні. Виключення з розгляду неперспективних альтернатив дозволяє знизити трудомісткість комбінаторних розрахунків. При цьому перспективна альтернатива є представником або домінантою деяких неперспективних альтернатив, коли їх множина перетворюється в іншу множину альтернатив

Лема 1. Якщо на деякому рівні ієрархії l>0 структури СТОС St_r розташовується більше однієї підсистеми вибірки, на основі якої синтезована St_r, то їх попарне перетинання є пустою множиною.

Лема 2. Якщо усі L-1 різні підсистеми вибірки містять базовий елемент СТОС, то усі вони розташовуються на різних рівнях ієрархії структури Str. При цьому на рівні l=0 розташовуються елементи СТОС, а на рівні l=L розташовується система S.

Теорема 2. Структура СТОС, що синтезується на основі вибірки з однією системою , є представником (домінантою) структур що синтезуються на основі вибірок виду , усі підсистеми яких містять базовий елемент СТОС, при перетворенні цих структур у відповідні ТСС СТО.

Теорема 3. Структура, що синтезується на основі вибірки Ch_r, в якій усі підсистеми мають індивідуальні базові елементи відмінні від базового елементу СТОС, є представником (домінантою) структур, що синтезуються на основі вибірок, які відрізняються від Ch_r тим, що мають додаткові підсистеми з тими ж базовими елементами, що і підсистеми Ch_r або СТОС.

У шостому розділі вирішується проблема розробки імітаційних моделей процесу утворення СТОС на основі сіток Петрі і їх модифікацій; пропонується автоматизована процедура побудови імітаційної моделі; розробляється метод рішення дискретної, багатокритеріальної задачі структурної оптимізації - на множини варіантів ТСС СТО, що формується алгоритмічно, визначається компромісний варіант, який мінімізує узагальнений критерій; наводиться схема взаємодії розроблених моделей та методів як основних ІР і ІЗ IT адаптивного синтезу оптимальної ТСС СТО, що реалізується у процесі функціонування “Підсистеми” при відробленні СТОС на технологічність структури на стадії виробництва.

Структурні елементи сітки Петрі і зв'язки між ними дозволяють адекватно відобразити подвійний характер варіантів ТСС СТО. Цей характер полягає в тому, що будь який варіант відображує з одного боку структуру СТОС, а з другого боку, відображує процес складання, що визначається відношеннями передування між елементами структури СТОС.

Якщо модель є результатом перетворення вибірки підсистем , то це означає, що в мається віток складання, де - потужність множини підсистем вибірки .

Початковим маркіруванням, яке задається вектором , передбачається розставлення фішок в усіх позиціях нульового рівня, що означає виконання вимоги “мається елемент СТОС ”.

Досвід побудови імітаційних моделей з урахуванням кількості варіантів ТСС СТО, а також достатньо великої розмірності кожного варіанту вказує на високу трудомісткість побудови множини моделей для оцінки усіх варіантів ТСС СТО. В зв'язку з цим актуальною є автоматизація цього процесу, що передбачає формалізацію перетворення за допомогою процедури, послідовна реалізація дій якої дозволяє поставити у відповідність кожному варіанту ТСС СТО його модель у вигляді сітки Петрі. Концепція процедури базується на поняттях дозволеного і реалізованого сполучення.

З урахуванням деяких передумов і припущень значення показників структурних властивостей моделей а також значення показників, які отримуються шляхом виконання моделей, пропонується використовувати як оцінки довготривалості процесу складання Cr₁() й витрат ресурсів на реалізацію цього процесу згідно варіантам схем складання Cr₂().

Припущення про можливість переходу з одного рівня на інший ієрархічної моделі за один такт часу дозволяє використовувати кількість рівнів моделі в якості оцінки .

Оцінкою витрат ресурсів на реалізацію процесу складання по варіантам пропонується визнавати суму, кількість доданків якої визначається кількістю віток складання, а значення кожного доданку визначається максимальною кількістю структурних елементів, що одночасно сполучаються в межах відповідної вітки.

Пропонується зв'язок між типом виробництва і ступенем распаралеленості урахувати на основі співвідношеннями між значеннями . Згідно цієї пропозиції, координатний кут, в якому розподілені альтернативи , розділяється на 5 частин по кількості основних типів виробництва. Альтернативи, що належать частинам координатного кута, утворюють відповідні підмножини і визначаються як допустимі для масового, крупносерійного, середньосерійного, дрібносерійного, одиничного типів виробництва.

Завдання об'єму виробництва (програми виробництва) дозволяє обрати тип виробництва. Вибір типу виробництва з точки зору рішення задачі обумовлює вибір підмножини , кількість альтернатив в якій значно менше кількості альтернатив в усьому координатному куті, що скорочує перебір альтернатив при реалізації пошуку компромісної. При цьому спрощується визначення компонент вагового вектору узагальненого критерію.

У додатках наведено матеріали , що підтверджують практичне використання і впровадження результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі вирішена важлива науково-практична проблема підвищення ефективності функціонування „Підсистеми”, що входить до складу АСТП СВ ІВК. Підвищення ефективності досягається за допомогою нових ІР і ІЗ ІТ адаптивного синтезу оптимальних ТСС СТО. Ця ІТ, в межах ІТ типу CALS, забезпечує значне підвищення рівня обґрунтованості рішень, що готуються в „Підсистемі” на різних стадіях життєвого циклу виробів машинобудування й приладобудування, які є об'єктами складального процесу.

...