Методи побудови інформаційної технології перетворень машинобудівних середовищ на основі використання еволюційних принципів

Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКА АКАДЕМІЯ ДРУКАРСТВА

УДК 004.021:67.05

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Методи побудови інформаційної технології перетворень машинобудівних середовищ на основі використання еволюційних принципів

Спеціальність 05.13.06 -- інформаційні технології

Нікулін Олександр Федорович

Львів -- 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державній науково-виробничій корпорації «Київський інститут автоматики», м. Київ.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Дурняк Богдан Васильович, Українська академія друкарства, м. Львів, ректор завідувач кафедри автоматизації та комп'ютерних технологій.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Коростіль Юрій Мирославович, Інститут проблем моделювання в енергетиці НАН України, провідний науковий співробітник; мікроелектроний приладобудівний автоматизований

доктор технічних наук, професор Сікора Любомир Степанович, Національний університет «Львівська політехніка», професор кафедри «Автоматизованих систем управління».

доктор технічних наук, професор Стасюк Олександр Іонович, Державний економіко-технологічний університет транспорту, завідувач кафедри автоматизації та комп'ютерно-інтегрованих технологій.

Захист відбудеться 21.05.2010 р. о 13:00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.101.01 в Українській академії друкарства (вул. Під Голоском, 19, м. Львів, 79020, Україна), ауд. 101.

З дисертацією можна ознайомитись в Української академії друкарства (вул. Підвальна, 17, м. Львів, 79006).

Автореферат розіслано 20.04.2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, В. Ц. Жидецький.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. З переходом на ринкові умови господарювання суттєво змінилися вимоги до способу функціонування виробництв, особливо тих, які вимагають значних початкових інвестицій. До таких виробництв належать підприємства машинобудівної галузі, що потребують досить дорогих засобів виробництва. Це зумовлено жорсткою конкуренцією між виробниками, особливо в наш час, коли на ринок машинобудівної промисловості прийшли закордонні фірми, які володіють сучасними технологічними засобами виробництва. Наступним фактором, характерним для ринкових відносин, є необхідність оперативної модифікації технологічних процесів, пов'язаних з динамічною зміною номенклатури машинобудівної продукції. Дані фактори ставлять вимоги до використання засобів управління технологічними процесами та модифікацією технологічного середовища на машинобудівному виробництві, які забезпечували б необхідну оперативність прогресивних змін технологічних процесів. Тому тема дисертаційної роботи надзвичайно актуальна.

На сьогоднішній день досить активно здійснюються роботи зі створення систем автоматизованої підготовки та розробки технологічних процесів у машинобудівному виробництві, відомих як САПР для машинобудівних підприємств. В роботі досліджується проблема створення таких інформаційних засобів, які дозволили б у автоматизованому режимі готувати вхідні дані для системи типу САПР з можливістю подальшого визначення способів модифікації виробництва, виходячи не тільки з вимог окремих замовлень на конкретну продукцію, а й тих, які забезпечували б постійно, в режимі реального часу його функціонування, проводити модифікацію технологічних процесів та всього техноло гічного середовища машинобудівного виробництва. В цьому випадку, при умові прогресивних змін у технологічному середовищі, машинобудівні підприємства будуть більшою мірою відповідати змінам та новим вимогам, що ставляться ринком відповідної продукції. Таким чином основною метою роботи є дослідження на інформаційному рівні головних чинників та рушійних механізмів еволюційних перетворень машинобудівних технологічних середовищ, створення на цій основі загальних принципів та методів впливу й керування еволюційними перетвореннями з метою підвищення адаптивності технологічних середовищ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота за вказаною тематикою проводилась згідно з Державним замовленням на наукові дослідження в рамках таких тем:

1. «Дослідження показників фінансово-економічного стану підприємств мікроелектронної, радіоелектронної та приладобудівної промисловості, розвитку кон'юнктури та попиту»;

2. «Формування та прогнозування короткострокових, середньострокових та довгострокових заходів розвитку мікроелектронної, радіоелектронної та приладобудівної промисловості»;

3. «Розробка автоматизованої системи управлінського обліку для підприємств галузі»;

4. «Розробка автоматизованої системи підтримки прийняття рішень на базі моделі управлінського обліку галузі».

За тематикою дисертаційної роботи здобувач брав безпосередню участь та здійснював наукове керівництво у цілій низці науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт, що проводились у відповідності з господарчими угодами, які виконувались Державною науково-виробничою корпорацією «Київський інститут автоматики» за договором з Мінпромполітики України.

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення єдиного підходу до вирішення науково-технічних проблем побудови інформаційної технології прогресивних перетворень машинобудівного середовища на основі еволюційних принципів, розроблення моделей систем модифікації основних компонент технологічного середовища, моделей процесів прогресивної модифікації цих компонент та технологічного середовища в цілому, спрямованих на забезпечення конкурентоздатних характеристик виробів цього середовища на ринку машинобудівної продукції.

Для досягнення мети, вирішено такі задачі:

· розроблення методів побудови математичних моделей технологічного середовища та його окремих компонент;

· створення методів формалізації опису процесів взаємозв'язку між окремими засобами виробництва в технологічному процесі;

· дослідження методів прогнозування значень параметрів, що характеризують машинобудівне технологічне середовище;

· розроблення інформаційних компонент, що розширюють аналітичні можливості формального опису технологічних середовищ;

· розроблення системи параметрів, що характеризують еволюційні процеси модифікації технологічного середовища;

· визначення основних складових процесу еволюційних перетворень окремих підсистем технологічних процесів.

Об'єктом дослідження є технологічні процеси в машинобудівних виробництвах та методи автоматизації цих процесів.

Предметом дослідження є інформаційні технології для машинобудівних виробництв, що забезпечують автоматизоване управління для прогресивної модифікації технологічних процесів та технологічного середовища в цілому.

Методи дослідження. Для розв'язування задач побудови моделей процесів модифікації компонент технологічного середовища використовувались методи математичної логіки, методи математичної статистики, математичне комп'ютерне моделювання та методи аналізу і синтезу складних систем.

Наукова новизна одержаних результатів. В результаті проведених досліджень розроблено новий напрямок у актуальній галузі інформаційних технологій, який полягає у створенні інформаційної технології прогресивної модифікації технологічних процесів машинобудівної промисловості, що ґрунтується на математичних моделях основних елементів машинобудівного технологічного середовища та на запропонованих методах організації та стимуляції еволюційних процесів їх модифікації. При цьому, отримано такі нові наукові результати:

· розроблено методи побудови математичних моделей окремих компонент технологічного середовища, що дає можливість аналітичного дослідження їх характеристики в реальних технологічних процесах;

· вперше розроблено методи опису процесів взаємозв'язку між окремими компонентами технологічного процесу на основі введення понять інтерфейсів окремих засобів виробництва;

· запропоновано та обґрунтовано використання методів прогнозування значень параметрів, що характеризують процеси модифікації, завдяки чому стало можливим виявляти оптимальні умови ініціації чергових процесів модифікації технологічного середовища;

· розроблено інформаційні компоненти, що розширюють аналітичні можливості формальних описів моделей окремих компонент технологічних процесів, що дозволяє автоматизувати процеси аналізу подій, які носять якісний характер і є важливими для розв'язку задач модифікації технологічних процесів;

· розроблено систему параметрів, що описують технологічне середовище і характеризують процеси його еволюційної модифікації, що дозволяє визначити характер відповідних перетворень та ввести критерії, які визначають прогресивні зміни в технологічному середовищі;

· розроблено основні елементи організації еволюційних процесів модифікації технологічних середовищ, що забезпечують їх прогресивний розвиток.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена нова інформаційна технологія, що забезпечує прогресивний розвиток машинобудівного технологічного середовища. Це надає такі можливості:

· підвищувати рівень автоматизації як окремих технологічних процесів, так і комплексу всіх процесів, що відбуваються в технологічному середовищі;

· модифікувати технологічні процеси у відповідності з розвитком ринкових вимог до машинобудівних виробів;

· скорочувати час переналагоджування технологічних ліній при необхідності впровадження нових технологічних процесів;

· забезпечувати прогресивний розвиток технологічного процесу при проведенні модифікацій технологічного середовища.

Наукові положення і висновки дисертації успішно використано у науково-дослідницьких роботах Державної науково-виробничої корпорації «Київський інститут автоматики» з Мінпромполітики України:

1. Розроблені автором наукові засади і методичні принципи аналізу показників фінансово-економічного стану підприємств мікроелектронної, радіоелектронної та приладобудівної промисловості і впроваджена система інформаційного забезпечення моніторингу діяльності підприємств та організацій використовувались при виконанні робіт «Дослідження показників фінансово-економічного стану підприємств мікроелектронної та приладобудівної промисловості, розвитку кон'юнктури та попиту», г/д № 92926/19 від 01.08.07 р. у відповідності з довідкою про впровадження.

2. Розроблені автором наукові засади і методичні принципи розробки прогнозів та пропозицій щодо реалізації заходів, які забезпечують розвиток мікроелектронної, радіоелектронної та приладобудівної промисловості України на короткостроковий, середньостроковий та довгостроковий періоди, які використовувались при виконанні робіт «Формування та прогнозування короткострокових, середньострокових та довгострокових заходів розвитку мікроелектронної, радіоелектронної та приладобудівної промисловості», г/д № 92927/19 від 01.08.07 р у відповідності з довідкою про впровадження.

3. Розроблені автором моделі управлінського обліку та програмні засоби автоматизації прийняття рішень використовувались в роботах «Розробка автоматизованої системи підтримки прийняття рішень на базі моделі управлінського обліку галузі», г/д № 92931/49 від 01.08.07 р. у відповідності із довідкою про впровадження.

4. Розроблена автором ефективна модель системи автоматизованого управлінського обліку і запропоновані нові програмно-технічні рішення, які забезпечують ефективну допомогу у прийнятті управлінських рішень в нових умовах господарської та фінансової діяльності підприємств цілої галузі в роботах «Розробка автоматизованої системи управлінського обліку для підприємств галузі», г/д № 92830/19 від 04.10.06 р.

5. Розроблені автором нові інформаційні технології для машинобудівних виробництв, що забезпечують еволюційні прогресивні чинники у проектних та конструкторсько-технологічних процесах створення нової техніки, г/д №2351-ДПО/05 від 29.09.06 з ВАТ «Дніпроенерго».

Результати наукових досліджень, проведених в дисертаційній роботі автором, впроваджено у таких господарчих договорах (згідно з довідками про впровадження):

6. «Монтаж, налагодження обладнання, випробування та пуск в експлуатацію станції очищення стічних вод на ділянці «Промзона», г/д № 652 від 29.09.05 р.; № 1 від 15.09.06 р. -- з ВАТ «Марганецький гірничо-збагачувальний комбінат».

7. «Авторский надзор за реализацией проектных решений при строительстве очистных сооружений на участке «Промзона», г/д № 0226/05 від 01.05.05 р. з ВАТ «Марганецький гірничо-збагачувальний комбінат».

8. «Виготовлення та постачання обладнання на ВАТ «Марганецький гірничо-збагачувальний комбінат», г/д №386 від 20.05.05 р. з ВАТ «Марганецький гірничо-збагачувальний комбінат».

9. «Авторский надзор при строительстве очистных сооружений на участке «Промзона», г/д № 0104/28 від 02.01.04 р. з ВАТ «Марганецький гірничо-збагачувальний комбінат».

10. «Виготовлення та постачання обладнання на ВАТ «Марганецький гірничо-збагачувальний комбінат», г/д № 395 від 09.08.04 р. з ВАТ «Марганецький гірничо-збагачувальний комбінат».

11. «Розробка АСУ ТП очисних споруд на ділянці «Промзона» ВАТ «Марганецький гірничо-збагачувальний комбінат», г/д №11/28 від 02.01.04 р.; №11/26 від 21.09.06 р. з ВАТ «Марганецький гірничо-збагачувальний комбінат».

12. Поставка и наладка системы оптимизации нагрева слябов в печах №№4 и 5 стана 3600», г/д № RT/4.2.6/27/2008 від 29.05.08 р. з «ISD Huta Czestochowa Sp.z.o.o.» Республіка Польща.

Результати досліджень використовувались у навчальному процесі НТУ України «КПІ» в курсах, що пов'язані з інформаційними технологіями в машинобудуванні.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати теоретичних та експериментальних досліджень, що складають зміст дисертаційної роботи, отримані самостійно. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належить: [5, 7, 12, 19] -- обґрунтування концепцій побудови інформаційних структур, [6, 14, 15, 20, 21, 22, 26] -- алгоритми аналізу поточного стану технологічного процесу.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні наукові результати і положення дисертаційної роботи представлялися, доповідались та обговорювались на таких конференціях та наукових семінарах: XXIV науково-технічна конференція «Моделювання» в Інституті проблем моделювання в енергетиці ім. Г. Є. Пухова (м. Київ, 2005 р.); Науково-технічна конференція молодих вчених і спеціалістів «Моделювання» в Інституті проблем моделювання в енергетиці ім. Г. Є. Пухова (м. Київ, 2006 р.); V міжнародна Промислова конференція «Ефективність реалізації наукового, ресурсного і промислового потенціалу в сучасних умовах» Міністерства промислової політики України НАН України та ін. (21-25 лютого 2005 р., п. Славсько); VII міжнародна Промислова конференція «Ефективність реалізації наукового, ресурсного і промислового потенціалу в сучасних умовах» Міністерства промислової політики України НАН України та ін. (12-16 лютого 2007 р., п. Славсько).

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи викладено у 27 наукових працях, серед яких 24 статей у фахових наукових виданнях України, 2 статті у працях наукових конференцій і отримано 1 патент України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, семи глав, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг основного тексту складає 312 сторінок. Список літератури включає 244 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та основні вирішені задачі досліджень, наукову новизну отриманих результатів. Розглянуто практичну значущість, реалізацію та впровадження результатів роботи. Наведено відомості про апробацію роботи та публікації.

У першому розділі наведено результати аналізу сучасного стану машинобудівних технологій, проведено аналіз основних технологій різання, розглянуто задачі автоматизації технологічних засобів та процесів, також окремо проаналізовано діагностичні системи та діагностичні засоби в автоматизованих процесах машинобудівних технологій.

Машинобудування є галуззю промисловості, яка потребує великих початкових затрат, але її розвиток дозволяє створювати обладнання, яке є основою економічного розвитку та передумовою для технологічної незалежності регіонів, а також самих організацій, що розвивають машинобудівну технологію.

Розглядається класифікація машинобудівних технологій, яка ґрунтується на аналізі типів фізичних та хімічних процесів, що лежать в основі відповідних технологій. До таких технологій можна віднести: технології різання (механічної обробки, переважно, металів); технології зварювання; технології термічної та хімічної обробки металів; технології плавлення та лиття деталей і т.д.

В дисертаційній роботі проводяться дослідження з побудови інформаційних технологій на прикладі технологій різання металів. Для сучасного розвитку машинобудівної промисловості недостатньо розв'язувати окремі задачі автоматизації технологічних процесів, необхідно створювати цілісні інформаційні технології, що включають обслуговування та забезпечення машинобудівних технологій. Це обумовлено такими факторами: існуванням у більшості випадків малосерійних машинобудівних процесів, що обумовлюється обсягами попиту на дану машинобудівну продукцію; необхідністю постійного розвитку та вдосконалення продукції машинобудівного виробництва; швидким розвитком та модернізацією засобів машинобудівних процесів; оперативною переорієнтацією діючих машинобудівних технологій на виробництво нових машинобудівних продуктів згідно з кон'юнктурою попиту.

За допомогою інформаційних технологій можна комплексно враховувати та аналізувати цілий ряд чинників, що характеризують машинобудівні технології та виробляти оптимальні реакції для адаптації виробництва. До таких чинників можна віднести: рівень автоматизації технологічних процесів; економічні фактори, що пов'язані з використанням та проектуванням технологічних процесів; інструментальні засоби, що реалізують технологічний процес; метрологічні аспекти, що стосуються параметрів самих виробів та можливостей інструментального парку машинобудівної технології; міра універсальності технологічних процесів, що використовуються на даний момент.

Процеси автоматизації в технології машинобудування у першу чергу стосуються реалізації управління процесом роботи верстатів. Системи управління діляться на два класи: системи управління відкритого типу, при якому управляючий орган не отримує інформації про результати управляючих дій, що були здійснені на попередніх кроках управління; управління закритого типу з використанням зворотного зв'язку між управляючим елементом і об'єктом управління.

В машинобудуванні, в основному, використовується другий тип управління, або регулювання. Регулювання може бути різних видів: стабілізаційне, примусове, програмне, відносне та адаптивне.

Основною особливістю управління складними циклами праці є наявність періоду T, протягом якого здійснюються всі операції, які виконує верстат. Кожна з цих операцій залежить тільки від часу.

Методи управління, як функції часу, поділяються на такі типи: неперервне управління; дискретне управління; управління з заданим, фіксованим циклом; управління з циклом, який може мінятися.

Найпоширенішим способом управління верстатами є програмне управління. Таке управління здійснюється на основі використання мікропроцесорних систем. Прикладом реалізації такого управління можуть слугувати верстати з числовим програмним управлінням, або верстати з ЧПУ.

Автоматизація окремих засобів виробництва машинобудівних підприємств забезпечила доцільність розв'язку задач автоматизації окремих технологічних процесів в машинобудуванні, які охоплюють цілу низку засобів виробництва, що у відповідності з технологічними процесами виробництва одного типу виробу. Така автоматизація розвивалась у таких напрямках: в розширенні функціональних можливостей одного верстата шляхом розвитку системи автоматизованого управління його робочими функціями; у створенні автоматизованих ліній, які об'єднують цілий ряд різнотипних верстатів, які необхідні для виготовлення певного класу виробів; у створенні автоматизованих цехів, які об'єднують низку автоматизованих ліній, центрів та служб, що обслуговують виробничі процеси.

У ринкових умовах функціонування виробництва вибір того чи іншого напряму його розвитку потребує досить детального аналізу та дослідження цілого ряду параметрів, та й зокрема тих, що характеризують окремий напрямок розвитку рівня автоматизації. До таких параметрів віднесено: міру забезпечення гнучкості технологічного процесу або його еластичності по відношенню до зміни вимог; міру інертності технологічних процесів чи їх мобільності; рівень автоматизації окремих технологічних процесів; міру адаптивності технологічних процесів; міру універсальності технологічних процесів, що реалізуються в рамках автоматизованих ліній і автоматизованих виробництв; міру живучості технологічних процесів.

Для того, щоб можна було формалізувати більшість з наведених параметрів, введено поняття інтерфейсу верстата.

Визначення 1. Під інтерфейсом верстата m_i вважається послідовність всіх дій, які необхідно виконати перед початком виконання верстатом операцій з обробки деталі, і послідовність дій, які необхідно виконати після завершення всіх операцій верстатом над деталлю.

Формально такий інтерфейс описується:

де J_p(m_i) - інтерфейс з виходу верстата; P_p1 - окрема дія, що виконується при підготовці верстата до роботи; P_z1 - окрема дія, що виконується по закінченні верстатом m_i обробки деталі; _p і _z - функції, що описують порядок виконання дій або операції P_pi і P_zi, відповідно.

Важливою компонентою технологічного процесу машинобудівних технологій є система поточної діагностики. Основною задачею системи діагностування є виявлення виникаючих несправностей або заданих діагностичних параметрів та діагностування окремих вузлів та об'єкта в цілому. Задача діагностики складається з таких частин:

· виявлення несправностей на основі аналізу діагностичних ознак;

· розпізнавання типів несправностей і прогнозування їх можливого розвитку;

· формування процедур протидії розвитку несправностей та процедур нейтралізації їх впливу на функціонування процесу, що діагностується.

У машинобудуванні діагностичні системи розглядаються досить детально, оскільки їх функції поширюються на всі процеси, включаючи контроль за роботою ріжучих інструментів. При реалізації процесів діагностики ріжучих інструментів, необхідною є діагностика таких станів: діагностика стану різця при його повному використанні або діагностика катастрофічного стану різця; діагностика стану різця при його частковому використанні з якої можна оцінити можливості його використання після повторного загострення.

У другому розділі розглянуто теоретичні особливості розробки окремих компонент систем управління технологічними процесами. У зв'язку з цим, обґрунтовується можливість використання адекватних математичних методів опису засобів автоматизації та формуються моделі окремих складових технологічних процесів. Досліджено задачі управління технологічним процесом автоматизованих ліній та проаналізовано їх особливості. Необхідність у створенні гнучких технологічних ліній обумовлюється цілою низкою чинників, в яку входять технічні та економічні фактори: швидка зміна попиту на вироби й необхідність частого перепрофілювання засобів виробництва; зростання обсягів ринкових послуг, що призводить до скорочення циклу використання виробів; зростання конкуренції між виробниками; скорочення виробничого циклу з метою зменшення часу на реалізацію замовлень; зменшення розмірів серії випуску виробів; оптимізація матеріальних засобів з метою зниження собівартості виробленої продукції.

Гнучкість технологічних процесів забезпечується такими факторами: плануванням випуску продукції; технологічною підготовкою процесу виробництва продукції; автоматизацією виробництва; автоматизацією допоміжних процесів виробництва, що входять у склад функцій автоматизованих ліній.

При організації автоматизованого технологічного процесу одним з найбільш важливих факторів є модифікація тих засобів, які забезпечують можливість об'єднання їх в одну функціональну систему, що працює в повністю автоматизованому режимі. До такого типу факторів відносяться транспортуючі технологічні засоби, серед яких найбільш універсальними є промислові роботи (ПР). В контексті перспектив створення еволюційно-спрямованих технологічних середовищ машинобудівного виробництва розглядаються функціональні можливості роботів, які управляються по траєкторії, оскільки вони є з точки зору системи управління найбільш складними. Для побудови математичної моделі управління рухом роботів розглянуто їх геометричний опис. Для цього введені обмеження для його ідеального опису. Введені припущення, що сегменти робота з'єднані послідовно, а початковий сегмент завжди закріплений. Другий кінець названо виконавчим елементом (ВЕ). Простір можливих конфігурацій ВЕ може описуватися деякою точкою з області U, що визначена на площині. Орієнтація ВЕ описана вектором v з V, де V S_i, якщо ВЕ прикріплено до кінця сегменту плоским шарніром. Множину C = UXV визначено як конфігураційний простір ВЕ. Введено для кожного шарнірного з'єднання власну систему координат x_i, y_i. Виникає задача зв'язку координати x_i+1, y_i+1 деякої точки з її ж координатами x_i, y_i. Для визначеності розглянуто плоский маніпулятор, в якого (x₁, y₁) є глобальні координати, (x₂, y₂), (x₃, y₃) - координати кінців сегментів l₁, l₂ і l₃. Тоді можна записати, що:

,

оскільки початок системи координат (x₂, y₂) знаходиться в з'єднанні l₁. В повній формі це співвідношення записується:

Якщо прийняти, що , і якщо на і накладені обмеження, що описуються співвідношенням: , то можна прийти до висновку, що всі можливі способи помістити ВЕ в точку описуються такою поліноміальною системою:

Щоб розв'язати цю систему, необхідно знайти базис, використовуючи lex-упорядкування: . Тоді отримаємо:

Отримані вирази являють собою базис, що породжений відповідними поліномами. Розглянутий підхід до побудови математичної моделі геометрії руху робота дозволяє здійснювати побудову траєкторії переміщення таким чином, щоб всі з'єднання у кінематичних парах не потрапляли в заборонені точки.

Функціонування металообробного виробництва в ринкових умовах повинно організовуватися таким чином, щоб засоби виробництва можна було оперативно модифікувати. Основною технологією такої модифікації є використання методів еволюційного розвитку виробництва, особливостями якої є:

· наявність системи, що забезпечує реалізацію еволюційних принципів;

· у рамках відповідної модифікації, на відміну від традиційної модифікації виробництва, можуть проводитися дослідження для обґрунтування проведення змін, які могли б виходити за рамки раніше встановлених обмежень на всіх рівнях організації та управління виробництва;

· модифікації, що проводяться в рамках технології реалізації принципів еволюційного розвитку, яку будемо називати еволюційною технологією (ТЕ), повинні дозволяти, в разі необхідності, оперативне повернення попередніх технологічних можливостей;

· еволюційна технологія повинна ґрунтуватися на модифікації виробництва з використанням не тільки існуючих засобів, а й нових засобів, які забезпечували б якісно новий рівень технологічних можливостей;

· у рамках ТЕ повинні проводитись такі зміни, які забезпечували б можливість перспективних модифікацій, що їх можна було б реалізувати на наступних етапах проведення еволюційних змін.

В ідеальному випадку технологічний процес функціонує у відповідності з графіком роботи технологічної лінії.

Під технологічною лінією прийнято вважати сукупність технологічних засобів виробництва, що пов'язані між собою єдиною послідовністю операцій над виробом . Формально таку лінію описано у вигляді:

де - верстат i; - операція, що виконується на верстаті ; - параметр, який характеризує операцію P_j, що виконується на верстаті S_i; F - функція, яка описує взаємозв'язок між верстатами S_i і S_j.

Управління технологічним процесом, що реалізується в рамках окремої технологічної лінії L_i, має свої особливості, оскільки система такого управління повинна пов'язувати між собою всі моделі управління окремими агрегатами лінії. Один із способів формального опису такого зв'язку ґрунтується на використанні поняття інтерфейсу. Вхідні та вихідні інтерфейси системи W відповідно позначені символами та . Для більш конструктивного опису інтерфейсів розглянуто взаємодію двох інтерфейсів , де W_і і W_j - дві підсистеми, що взаємодіють між собою. В такому випадку можуть мати місце наступні співвідношення, що відображають особливості взаємної передачі даних між підсистемами:

де - деякі дані підсистеми , які необхідні в якості вхідних даних для ; - означає, що дані повинні входити в склад частини вихідних даних, що не використовуються як вхідні дані в підсистемі .

Очевидно, що може мати місце співвідношення типу:

Крім технологічної структури , технологічна лінія має геометричну структуру , де геометричний опис агрегату , що відрізняється від опису агрегату тим, що агрегат описується заданими геометричними параметрами, які визначаються конструктивними даними окремих сегментів підсистеми. Очевидно, що структура технологічна: зв'язана з структурою геометричною , що можна записати у вигляді співвідношення:

На основі використання цього співвідношення сформульовані наступні визначення:

Визначення 2. Якщо формується технологічно в рамках однієї функції , то відбувається адаптація технологічної лінії .

Визначення 3. Якщо реалізується шляхом використання , де , то має місце модифікація , що здійснюється на основі використання еволюційних принципів, що записано у вигляді: , де - функція еволюційних перетворень технологічної лінії .

У третьому розділі досліджено складові моделі еволюційних перетворень технологічних процесів, однією з яких є складова, в рамках якої розв'язуються задачі прогнозування необхідності модифікації технологічних процесів. Розглянуто моделі прогнозування, що можуть використовуватися відносно різних компонент технологічного середовища. Досліджуються методи формування моделей складових еволюційного процесу та основні складові цих моделей. Важливою функцією процесу еволюційних перетворень є можливість прогнозування модифікації технологічного процесу . Важливість включення моделей прогнозування в склад загальної моделі еволюційних перетворень обумовлює врахування факторів:

· процес еволюційних перетворень необхідно планувати та проектувати до моменту початку його проведення;

· методи розв'язку окремих задач еволюційних перетворень повинні бути відокремленими від самого процесу проведення еволюційних перетворень;

· процес еволюційних перетворень повинен бути оптимальним з точки зору ефективності технологічного процесу щодо цільової функції останнього;

· процес еволюційних перетворень технологічних ліній повинен бути адаптивним до умов та обмежень, що можуть виникнути внаслідок його реалізації;

· процеси еволюційних перетворень повинні орієнтуватися на забезпечення виробництва певного продукту з заданими характеристиками.

Необхідно виділити всі складові компоненти, на які може діяти процес еволюційних перетворень в цілому. До них слід віднести:

· номенклатуру виробів, що виробляються в рамках даного процесу (V);

· верстатний парк, з якого можна формувати необхідні механообробні лінії (S);

· технологічні процеси, що можуть реалізовуватись на відповідному верстатному парку (P);

· клас виробів, що можуть виготовлятися на технологічних лініях (K);

· засоби адаптації технологічного процесу до умов та обмежень, що виникають на різних етапах формування технологічного процесу (A);

· засоби управління технологічним процесом (U);

· засоби еволюційного розвитку технологічного процесу за визначені періоди часу функціонування (E).

Введено наступне визначення.

Визначення 4. Еволюційний процес являє собою процес неперервного розвитку складної технічної системи, яка реалізується на тлі її неперервного функціонування.

Складною системою в дисертаційній роботі прийнято називати таку систему, яка складається не менше ніж з , при , підсистем, в кожній з яких використовуються окремі групи складових елементів, між якими не можуть бути встановлені функціональні залежності. Формально це описано наступним чином. Нехай - складна система, - параметри, якими вона описуються, - підсистема i, - параметр j підсистеми . Приймемо, що . Тоді можна записати:

,

де - означає адитивну функцію.

Методи прогнозування з точки зору їх використання при створенні ТЕ можна розділити на наступні загальні групи: статистичні методи, причинно-залежні методи, комбіновані методи. Одним з класів описання моделей прогнозування є їх запис у векторній формі.

Інший широкий клас моделей прогнозу складають моделі, що представлені за допомогою поліномів, прикладом яких може слугувати модель авторегресії. В цій моделі поточне значення процесу визначається як скінчена лінійна сукупність попередніх значень процесу і незалежної величини , яка є реалізацією випадкової величини із заданим розподілом, найчастіше, нормальним розподілом з нульовою середньою дисперсією :

;

µ - параметр, що визначає тренд процесу, - невідомі параметри, - являють собою відхилення значень від µ. Для того, щоб із значень параметрів, які були визначені за допомогою прогнозуючих моделей, можна було визначити інші параметри компонент, кожна компонента повинна описуватися деякою власною моделлю. Тому розглянуто можливі способи формування моделей для кожної компоненти системи W. Наприклад, номенклатура виробів , що виготовляються системою W на момент характеризується такими параметрами:

· кількістю типів виробів або ;

· кожний тип виробів характеризується об'ємом випуску виробів в одиницю часу (місяць, квартал чи рік) , або - загальною кількістю виробів даного типу;

· параметром, що визначає тип серійності (одиничні вироби, дрібносерійні чи крупносерійні), або - це кількість виробів, що визначають серію;

· мірою залежності від попередніх стадій виготовлення, які не включаються в технологічні процеси, що підлягають перетворенням, або ;

· вартістю виробу або ;

· кількістю операцій, які необхідно виконати для виготовлення даного виробу або ;

· мірою завантаження даною деталлю або даним виробом одиниці обладнання в даному технологічному процесі або .

Між параметром і існує очевидна залежність, яку описано співвідношенням:

,

де - загальна кількість виготовлених деталей. Технологічні процеси, що можуть реалізовуватися на відповідному верстатному парку S, характеризуються такими параметрами:

· мірою автоматизації технологічного процесу P_a;

· мірою операційного забезпечення номенклатури деталей, що повинні виготовлятися на лінії L, P_L;

· співвідношенням між кількістю функціонального обладнання та кількістю допоміжного обладнання, яке названо параметром підтримки технологічного процесу P_p;

· структурованістю технологічної лінії P_s;

· мобільністю технологічного процесу P_µ.

Базовими параметрами, стосовно яких проводиться прогнозування для даної компоненти об'єкту, є операційне забезпечення номенклатури деталей P_m та міра автоматизації технологічного процесу P_a. Міра величини операційного забезпечення змінюється в наступному діапазоні:

Міра автоматизації для даного верстата визначається з співвідношення:

Рівень автоматизації всього технологічного процесу описується співвідношенням:

де - кількість верстатів в технологічному процесі . Величина параметру обчислюється за співвідношенням:

Параметр структурованості технологічної лінії оцінюється за співвідношенням:

де - різниця в рівнях автоматизації при послідовній реалізації двох технологічних процесів і на одній технологічній лінії . Ця різниця визначається таким чином:

В рамках даного підходу прийнято визначення.

Визначення 5. Сукупність технологічно взаємопов'язаних верстатів буде являти собою технологічну лінію , якщо в рамках цієї сукупності верстатів може бути реалізовано рівень автоматизації , структурованість технологічної лінії та мобільність технологічного процесу , де , і c задані константи.

Важливою складовою еволюційних процесів у технологічних середовищах є система управління його технологічними процесами. Оскільки механообробні процеси за своєю природою можуть бути лише послідовними в часі, то існує проблема формування розкладу виконання операцій. Формально цей розклад можна представити у вигляді такого співвідношення:

де _ij(S_i)- операція _j на верстаті S_i; t(S_i) - інтервал часу, відведеного для виконання операцій на верстаті S_i. Важливою компонентою системи управління U_t є система діагностики L(S_i). Порушення розкладу E(S_i) сприймається системою діагностики D(S_i) як факт виникнення несправності. Факт виникнення несправності системою D(S_i) перевіряється і, якщо він не підтверджується, система D(S_i) вважає, що мало місце втручання у L_і(S_i).

Систему управління U_t можна формально описати системою співвідношень:

,

,

,

де ; - час із співвідношення для .

У четвертому розділі розроблено та досліджено основи методів побудови моделей інформаційних засобів, що обслуговують процеси реалізації еволюційних перетворень. Розглянуто методи опису визначальних інформаційних компонент та методи їх заповнення даними про предметну область. Досліджено методи аналізу інформаційних компонент та проаналізовано методи побудови засобів прийняття рішень в системі еволюційних перетворень. Модель еволюційних перетворень побудовано на основі моделей основних компонент V, S, P, K, A, U, E, що описують технологічні процеси. Тому необхідно розглянути функціональні взаємозалежності між компонентами, які використовуються при реалізації процесу еволюційних перетворень і які представлено на рис. 1.

На рисунку прийняті такі позначення: P - компонента, що описує технологічний процес; V - компонента, що описує номенклатуру виробів, які виготовляються за цим технологічним процесом P на поточний момент часу; S - верстатний парк, що використовується для реалізації технологічного процесу; K - клас виробів, що можуть виготовлятися на технологічних лініях в рамках технологічного процесу P в період між модифікаціями; U - система управління технологічним процесом, що функціонує в поточний момент часу; A - система адаптації технологічного процесу при локальних модифікаціях окремих фрагментів технологічного процесу; E - система формування передумов еволюційного розвитку технологічного процесу; R - еволюційна система, що реалізує періодичні модифікації технологічного процесу. Система, що реалізує процес еволюційних перетворень R, отримує інформацію від системи формування передумов еволюційного розвитку E і на основі аналізу параметрів , ф, , , , , x, що описують відповідні передумови, ініціалізує процеси еволюційного розвитку технологічного процесу.

Рис. 1. Функціональна схема взаємозв'язків між компонентами технологічного процесу

На рис. 2 наведена функціональна схема взаємозв'язку системи параметрів еволюційних перетворень R.

На рисунку прийняті такі позначення: P - вихідні дані для компоненти, що описує технологічний процес; U_R - блок управління системою еволюційних перетворень; BD - база даних; E - вхідні дані з системи формування передумов еволюційного розвитку технологічного процесу; - міра гнучкості технологічного процесу; - рівень автоматизації; ф - міра інертності; - міра мобільності технологічного процесу; - міра адаптивності технології; - міра універсальності технологічного процесу; PR - блок прийняття рішень про проведення модифікації технологічного процесу в рамках змін передбачених еволюційними перетвореннями; x - міра живучості технологічного процесу. На основі наведеної функціональної схеми побудовано співвідношення R(W), яке визначається по суті блоком PR та параметрами, що входять у модель. В цьому випадку BD будемо інтерпретувати як вихідні дані для одержання значень решти параметрів. Записано окремі залежності між параметрами, що відображені на рис. 2:

,

де d - вихідні дані, що передаються з бази даних BD.

Рис. 2. Функціональна схема взаємозв'язку системи
параметрів еволюційних перетворень

Для блоку PR, котрий можна представити, як кінцевий блок роботи системи R(W), можна записати таке співвідношення:

Очевидно, що окремі параметри у співвідношення R(W) входять не безпосередньо, а через залежності = f(ф,) і = f(). Якщо існують послідовності операцій, переходи між якими не можуть бути автоматизованими, то загальна кількість переходів між всіма можливими операціями буде визначатися як сума переходів, що автоматизуються, P_j(h_i, h_j, a_i), або для власного рівня автоматизації _b можна записати:

Оскільки крім власних операцій, кожний верстат характеризується зовнішніми операціями, то співвідношення для m можна записати у такому вигляді:

Якщо серед всіх операцій власних і запозичених існують операції, що можуть реалізовуватися в автоматичному режимі, то їх позначимо m_a. В цьому випадку для визначення можна написати:

Для підготовки технологічного процесу виготовлення деталей доцільні автоматизовані системи, у яких використовується формальний опис деталей та формальний опис технологічних операцій. В цьому випадку еволюційні процеси використовуються для необхідної модифікації відповідної системи за допомогою об'єктно-орієнтованих форм, або мови. У цьому випадку символьний запис структури технологічного процесу може бути представлений такою загальною формулою:

.

В рамках моделі еволюційних перетворень розв'язують наступні задачі: прогнозування асортименту продукції; еволюційний розвиток технологічних систем випуску машинобудівних виробів; автоматизоване проектування технологічних процесів; модифікація засобів реалізації технологічних процесів та модифікація самих технологічних процесів; розв'язок задач забезпечення допустимості модифікації технологічних процесів і, в першу чергу, допустимості модифікації обладнання.

Блок-схема структури розширеної моделі еволюційних перетворень наведена на рис. 3.

На рисунку прийняті такі позначення:

ACFTP - автоматизована система формування технологічного процесу;

PPI - прогноз перспективних виробів;

TP - діючий технологічний процес;

MTP - блок модифікації технологічного процесу;

MO - модифікація обладнання;

ER - модуль еволюційного розвитку технологічного процесу;

PI3 - прогнозування розвитку ріжучих інструментів;

PMTP - модуль визначення допустимості модифікації технологічного процесу;

3P - замовлена продукція;

BP - виготовлена продукція.

Рис. 3. Розширена функціональна схема організації процесу еволюційних перетворень

Важливою компонентою еволюційної системи розвитку технологічного середовища є система прийняття рішень (СPR). Доцільність використання такого модуля обумовлюється такими факторами: якщо існує можливість виникнення подій, які не можна передбачити в часі; якщо існує можливість виникнення передбачуваних у часі подій, але таких, які можуть створити в об'єкті управління непередбачувану ситуацію з точки зору недопустимих змін значень параметрів, що описують систему; у випадках, коли існують в рамках системи задачі, які не можуть бути розв'язані відомими методами, але при умові, що ці задачі не є базовими в системі, не визначають систему з точки зору її функціонального призначення; у випадку, коли в системі складається ситуація, при якій не можуть бути використані відомі способи аналізу, через відсутність необхідних вихідних даних, хоча методи розв'язку проблем, що виникли в системі, є відомими. Одним з найбільш відомих підходів до створення CPR є підхід, що ґрунтується на уявленнях про експертні системи (ЕС). Основними компонентами ЕС є: модуль виводу MV; база знань BZ; база даних BD; інтерфейс користувача IP.

На рис. 4 наведено функціональну схему CPR у вигляді експертної системи.

Рис. 4. Функціональна схема CPR у вигляді ЕC

На рис. 4 використовуються такі позначення: BD - база даних; BZ - база знань; MV - модуль виводу; RK - модуль інтерпретації задач розв'язку конфліктів; FP - модуль інтерпретації задач формування розкладу роботи верстатів, при реалізації технологічного процесу виробництва; IK - інтерфейс користувача; KI - модуль формування коментарів запропонованих рішень, які сформовано в MV; OD - видача інформації з ЕC; ID - ввід інформації в ЕC.

В п'ятому розділі розглянуто методи організації інформаційних технологій та розглядаються задачі інформаційного забезпечення процесів еволюційних перетворень. Досліджуються правила семантичних перетворень інформаційних компонент та методи перетворень елементів технологічних процесів. В основу правил семантичних перетворень покладені поняття про граматичні схеми, тому необхідно формально описати параметри, що використовуються у відповідних перетвореннях.

Першим параметром є величина ваги окремого слова та координати його розміщення в тексті j(x_i), що позначається як P_m(_i) = x_i(_i, _i), де _i - величина ваги слова, а _i - порядковий номер слова в рядку тексту j(x_i). Другий параметр являє собою дискретне відображення _i в координатах абсолютних величин ваги слова та координатах номера слова в j(x_i), що формально записано таким чином:

де _i(_i) - величина ваги слова _i в одиницях масштабу, що визначається величиною ^m. Наступний параметр відображає рівномірність зміни величини ваги слів вздовж речення тексту інтерпретаційного розширення. По суті, цей параметр відображає значення похідних в кожній точці функції (x_i) розширення j(x_i). Оскільки всі параметри представляються в дискретному вигляді, то, відповідно, параметр P_G() запишемо таким чином:

де ^m - величина масштабу зміни значення похідної від функції (x_i); k_i - коефіцієнт величини зміни значення похідної в точці _i. З метою забезпечення можливості чисельного визначення величини відповідного параметра приймемо наступні способи їх обчислень: у випадку параметра максимальна величина значення параметра визначається безпосередньо із співвідношення у випадку параметра P_w будемо обчислювати абсолютну величину значення цього параметра для всього речення у відповідності із співвідношення та середнє значення цього параметра P_wс для цілого речення інтерпретаційного розширення у випадку параметра P_G(_i) величини значень цього параметра будемо обчислювати аналогічно з обчисленням величин значень параметра P_w у відповідності з наступними співвідношеннями:

Міра семантичної узгодженості G[j(x_i)] складається, або характеризується наступними ознаками: мірою індивідуального зв'язку _i; мірою зовнішнього зв'язку _i; мірою коректності текстового образу j(x_i).

Оскільки ці ознаки визначаються як міри, то необхідно привести їх визначення та спосіб вимірювань. Розглянемо такі визначення.

Визначення 6. Міра індивідуального зв'язку _i визначається фрагментом апроксимуючої лінії, що зв'язує величини значимості двох суміжних слів _ij і _ij+1 в j(x_i).

...