Методологические основы построения АСТПП

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ АСТПП Д.Д. Куликов, Б.С. Падун, Е.И. Яблочников

Введение

Современный рынок промышленных товаров и услуг за последние 10 лет претерпел существенные изменения. Производимая продукция перестала носить массовый характер и стала ориентироваться на удовлетворение запросов различных групп потребителей. Производство товаров перестало быть «локальным», так как оно может быть организовано во многих точках мира. Появились новые формы кооперации в виде распределенных (виртуальных) предприятий, когда каждый этап производства выполняется в той стране и на том предприятии, где это наиболее выгодно. Эта кооперация стала возможной благодаря развитию информационных технологий в сфере проектирования, производства и реализации продукции. В этих условиях изменились сами критерии деятельности предприятия. Деятельность стала рассматриваться не с точки зрения функционирования структурных подразделений предприятия, а с точки зрения организации и протекания в нем деловых и производственных процессов. Все это дает основание определить совокупность происходящих изменений как глобальную трансформацию промышленного производства.

Особое значение приобрело отслеживание всех этапов жизненного цикла изделия (ЖЦИ). Была предложена концепция новой технологии информационной поддержки ЖЦИ, которая получила название ИПИ/СЛЬБ [1]. Согласно концептуальным положениям ИПИ/СЛЬБ, реальные бизнес-процессы отображаются на виртуальную информационную среду, в которой определение продукта представлено в виде полного электронного описания изделия, а среда его создания и среда эксплуатации - в виде систем моделирования соответствующих процессов. Все три составляющие (определение продукта, среды его создания и среды эксплуатации) не только взаимосвязаны, но и непрерывно развиваются на всем протяжении ЖЦИ.

Одним из важнейших этапов жизненного цикла изделий была и остается технологическая подготовка производства (ТПП), уровень которой во многом определяет качество производимого изделия, сроки его выхода на рынок и, в конечном счете, конкурентоспособность предприятия в целом.

В 60-80-х гг. в нашей стране были созданы научные школы по теории и практике организации ТПП и ее автоматизации [2-6]. Результаты работы этих школ были обобщены в комплексе стандартов ЕСТПП и ЕСТД. Эти стандарты закрепили достижения СССР по проблемам организации производств и автоматизации ТПП. На базе научных исследований ведущими по данной проблеме организациями были разработаны и внедрены комплексы автоматизированных систем технологического назначения. Трудности создания таких систем обусловливались слабой формализацией задач ТПП.

Очередная смена поколения ЭВМ и переход на персональные ЭВМ потребовали серьезных вложений в создание новых систем, однако смена в 90-х гг. экономической обстановки в стране и отсутствие должной государственной поддержки не дали возможности осуществить полноценный перевод подсистем ТИП на персональные ЭВМ. Не были реализованы новые идеи, накопленные на основе анализа результатов функционирования ранее созданных промышленных САПР технологического назначения. В этот период наблюдался регресс в области создания новых подсистем ТПП и замедление теоретических исследований в области автоматизации технологической подготовки производства.

На современном этапе применение информационных технологий предполагает рассмотрение проблемы автоматизации этапа ТПП в контексте общей информационной поддержки этапов ЖЦИ и соответствующих бизнес-процессов.

Исследования, проводимые Санкт-Петербургским государственным университетом информационных технологий, механики и оптики, позволили на базе общих принципов ИПИ разработать ряд положений, которые, на наш взгляд, могут быть объединены в общую методологию построения и функционирования АСТПП. Рассмотрим более подробно основные аспекты создаваемой методологии.

1. Общий подход к автоматизации ТПП

Применение ИПИ в ТПП носит двоякий характер. С одной стороны - это использование автоматизированной системы ТПП (АСТПП) для обеспечения технологического этапа ЖЦИ. Результатом работы АСТПП является комплекс технологической документации, планы проведения работ, технологическая оснастка, базы данных и знаний и т.п.

С другой стороны - это проектирование, эволюция и адаптация автоматизированной системы ТПП. В этом случае под продуктом понимается система ТПП, которую необходимо спроектировать и внедрить, или модифицировать на предприятии. Таким образом, осуществляется поддержка этапов жизненного цикла АСТПП.

Создаваемая методология должна учитывать двоякий характер применения ИПИ в ТПП, и в нее должны входить методики использования информационных технологий как на стадии реорганизации ТПП, так и при функционировании самой технологической подготовки производства

ТПП предполагает решение большого числа разнообразных задач. В ГОСТах ЕСТПП выделено четыре класса задач, содержащих: управление ТПП, анализ и унификация изделий и технологических процессов, проектирование технологических процессов, проектирование и изготовление оснащения. Автоматизация ТИП потребовала переосмыслить эту классификацию [4]. Главным положением этой классификации является разделения всех функций ТИП на два класса: целевые и собственные. Целевые функции связаны с организацией и подготовкой производства изделий, а собственные -с развитием методов и форм ТИП. Появление новых технологий производства изделий и методов организаций производства приводят к изменению состава и взаимосвязи целевых функций и задач, а развитие методов и способов организации ТПП - к изменению состава и взаимосвязи собственных функций и задач. Поэтому автоматизация производства меняет целевые функции, а автоматизация ТИП - собственные функции.

Состав функций и задач ТИП многообразен - это задачи проектирования объектов и процессов; задачи анализа и унификации объектов и процессов; задачи технико-экономического обоснования проектных решений; задачи изготовления средств технологического оснащения, задачи планирования и управления ТИП; задачи развития ТИП и адаптации АСТПП; задачи обучения технологов и сотрудников служб ТИП и т. д. Между этими задачами существуют как детерминированные связи, так и случайные связи, которые возникают в зависимости от конкретной ситуации на производстве и вне производства.

Поэтому для обеспечения эффективного функционирования ТИП основополагающими положениями являются:

• организация единого информационного пространства (ЕИП);

• применение автоматизированных систем управления ТИП для управления и контроля задач как с детерминированными связями, так и с неопределенными связями. В первом случае могут применяться РОМ-системы, а во втором случае должны быть разработаны средства оперативного (пошагового) управления;

• создание методов решения задач, позволяющих быстро адаптировать ТИП при изменении производственных условий и условий взаимодействия с другими предприятиями.

Указанные положения определяют как информационное взаимодействие между подсистемами ТПП, так и способы организации жизненного цикла изделия на технологической стадии.

2. Единое информационное пространство

Под единым информационным пространством будем понимать интегрированную информационную среду ТПП, использующую обобщенные модели изделий и интегрированные базы данных и знаний.

Как показано в работе [4], интеграцию автоматизированных систем проектирования целесообразно выполнить на основе обобщенной модели изделия, при этом создаваемые трансляторы должны быть ориентированы на использование единого тезауруса и промежуточного языка-посредника. Исследование информационной совместимости на уровне систем ТИП позволило выделить два вида совместимости: параметрическую (в свою очередь, разделяемую на идентификационную, синтаксическую и семантическую) и структурную. Для определения совместимости введен ряд метрик, позволяющих оценить степень информационной совместимости не только по отдельным параметрам, но и отдельных систем ТИП.

Идентификационная и синтаксическая совместимость параметров может быть достигнута при совместном использовании единого тезауруса, позволяющего в едином формате представлять входные и выходные параметры систем. Семантическая совместимость означает совпадение понятий, отображаемых параметрами. В случае отсутствия семантической совместимости необходимо разработать соответствующий интерфейсный слой между системами, как это имеет место в случае интеграции конструкторских и технологических САПР. Разработка транслятора для перехода от одной системы в другую может быть достаточно сложной задачей. К тому же, если не продумать информационную совместимость при интеграции систем ТПП, то возникает необходимость в разработке большого числа трансляторов.

Проведенные исследования на базе PDM SMARTEAM показали, что, при наличии семантической совместимости параметров, можно обеспечить простую передачу данных из одной системы в другую на основе использования формата XML.

Единое информационное пространство позволяет реализовать принцип неизменности нахождения информационного объекта. Документ любого вида находится в интегрированной базе на всех стадиях его создания и согласования, что дает возможность быстрого и авторизованного доступа к документу. Возможность распараллеливания выполняемых над документом работ является важным достоинством интегрированной базы, позволяющим сокращать сроки ТИП изделий. Например, просмотр документа может выполняться одновременно всеми подразделениями ТПП, которые должны его утвердить. Следовательно, любой документ, сформированный при решении технологической задачи, должен быть занесен в интегрированную базу независимо от уровня автоматизации решения этой задачи

В автоматизированной ТПП циркулируют модели разного типа (графические, текстовые, табличные, бинарные и т. д.). Эти модели в процессе ТИП изделий проходят цикл создания и взаимного преобразования. Кроме того, в процессе ТИП между ними образуются сложные и динамические связи. Поэтому для разработки информационного обеспечения необходимо иметь современную методику анализа информационных потоков ТПП. Такая методика может быть разработана на основе стандартов IDEF0 или на основе методологии, ориентированной на использование унифицированного языка моделирования (UML). Анализ информационных потоков ТИП завершается созданием концептуальной модели предметной области ТИП.

Для перехода от концептуальной к логической модели предметной среды ТПП целесообразно применить объектно-ориентированный подход (ООП), дающий возможность выполнить разработку классов данных и выявить связи между ними. Для каждого класса определяются его свойства и методы, позволяющие для объектов класса задать идентификационные и поисковые параметры, параметры, относящиеся к жизненному циклу и состоянию объекта, а также ссылки на файлы с моделями объекта. Классы объектов, объединенные ассоциациями типа «целое - часть», «имеет - принадлежит», образуют логическую модель предметной среды ТПП. Реальное функционирование информационных потоков в ТПП может быть выражено как функционирование информационных объектов, порожденных спроектированными классами. Под информационным объектом (ПО) будем понимать комплекс, состоящий из объекта, порожденного одним из разработанных классов, и множества моделей, закрепленных за этим объектом.

Информационные объекты объединяются в обобщенную модель изделия (Generalized Model of Product - GMP), представляющую собой систему связанных между собой информационных объектов, принадлежащих изделию на текущий момент его жизненного цикла. Связи между информационными объектами могут быть выражены в виде направленного графа, вершинами которого являются информационные объекты, а дуги отображают отношение «имеет - принадлежит».

В первом приближении будем считать указанный граф графом типа «дерево». Корневой вершиной дерева является информационный объект класса «Изделие». Эта вершина связана с вершинами для информационных объектов класса «Сборочные единицы», которые, в свою очередь, могут быть связаны с вершинами объектов этого же класса, но следующего уровня детализации, и (или) с вершинами объектов класса «Деталь». Вершины «Деталь» связаны с вершинами «Процесс», и т. д.

Логическая модель данных фиксируется с помощью системы управления данными о продукте/изделии (PDM-системы), что позволяет обобщенную модель изделия визуально выражать в виде дерева проекта PDM-системы, в котором для каждого информационного объекта регистрируется учетная карточка (паспорт объекта). В этом случае жизненный цикл изделия на стадии ТПП отслеживается с помощью инструментальных средств PDM-системы. Эти средства позволяют редактировать или удалять ИО из дерева проекта, регистрировать новый ИО и его модели в дереве проекта.

Исследования, проведенные на базе PDM SMARTEAM, показали, что может быть разработана типовая логическая модель предметной среды ТПП, основанная на стандартах ЕСТПП и учитывающая возможности современных информационных технологий [7]. Такая логическая модель может рассматриваться как некоторый шаблон, который при внедрении АСТПП дорабатывается с учетом специфики конкретного машиностроительного предприятия.

Интегрированная база данных включает в себя базы данных технологического назначения (технологическое оснащение, припуски, режимы резания и т. д.), графические библиотеки с технологической оснасткой, государственные и отраслевые стандарты, применяемые в ТПП и т.п. Для интегрированной базы данных разрабатывается комплекс классов данных, устанавливается их иерархия, определяются правила поиска объектов. При ведении проектов на объекты интегрированной базы данных устанавливаются логические ссылки, после чего объекты становятся информационными объектами GMP. Интегрированная база данных может быть распределенной и для работы с такой базой необходимо использовать коммуникационные технологии.

3. Инструментальные средства проектирования

Совершенствование ТПП - это сложный и продолжительный во времени процесс. Поэтому необходимо иметь эффективную методику и инструментальные средства для

разработки автоматизированных систем ТПП. Следовательно, имеет смысл говорить о некоторой метасистеме, с помощью которой выполняется проектирование самой АСТПП. Такую метасистему назовем «Системой проектирования технологической подготовки производства» (СП ТИП). Эта система является неотъемлемой частью автоматизированной ТПП. Необходимость и возможность такого подхода показана в работе [4]. СП ТИП строится таким образом, чтобы реализовать конкретный подход к автоматизации решения задач ТПП. Она должна, как и все подсистемы ТПП, функционировать в едином информационном пространстве и использовать концепции ИЛИ.

С помощью СП ТИП реализуется заданная стратегия развития ТИП и ее автоматизированных систем. Стратегия развития АСТПП направлена на определение способов организации жизненного цикла подсистем ТИП. От выбранной стратегии во многом зависит эффективность функционирования подсистем ТИП. В настоящее время при разработке сложных программных систем наибольшее применение получают подходы, основанные на объектно-ориентированном анализе и проектировании программных комплексов. Эти подходы пришли взамен каскадных и спиральных моделей проектирования программных систем. Одной из наиболее перспективных в настоящее время считается методология, в основе которой лежит «унифицированный процесс» (Unified Process - UP), под которым понимается формализованная технология разработки сложных программных систем, использующая универсальный язык моделирования UML [8]. Наиболее законченный вид эта методология нашла в унифицированном процессе компании Rational Software Corporation (Rational Unified Process - RUP), важной особенностью которого является, помимо большого набора справочных пособий и шаблонов для основных артефактов, наличие инструментария (Rational Suite) для эффективного проектирования сложных программных систем.

На наш взгляд, стратегия, основанная на UP, в наибольшей степени соответствует предлагаемой концепции создания АСТПП, так как позволяет достаточно быстро проектировать работоспособные варианты подсистем ТПП и запускать их в эксплуатацию.

Разработанный на базе UP комплекс диаграмм (прецедентов, взаимодействий, видов деятельности и т.д.) дает возможность с необходимой проектанту полнотой описать процесс технологической подготовки изделий на конкретном предприятии. Результаты анализа ТИП используются при формировании архитектуры будущей автоматизированной ТИП. Однако разнообразие существующих программных продуктов, возможность различной очередности ликвидации «узких» мест, уровень квалификации разработчиков собственных программных модулей и финансовые ресурсы, которыми располагает предприятие, приводят к существенному разнообразию вариантов начальной архитектуры подсистем ТИП. Следовательно, необходимо определить метрики, на основе которых можно было бы выполнять хотя бы приближенную оценку возможных вариантов автоматизации ТИП, выделять опасные риски и в процессе итераций последовательно их пересматривать и минимизировать.

4. Технология «workflow»

Отслеживание жизненного цикла изделия на этапе его технологической подготовки является одной из важнейших управляющих функций ТИП. Наличие PDM-системы позволяет эффективно выполнять анализ состояния изделия и дает возможность в любой момент определить, на какой стадии разработки (проектирования, согласования или утверждения) находятся информационные объекты ТИП и кто участвует в их разработке. Такой контроль дает возможность своевременно выполнить необходимые корректирующие воздействия на процесс технологической подготовки изделия.

Выполнение контроля в АСТПП основано на автоматизации документооборота с помощью встроенной в PDM-систему технологии «workflow». Для этого создается мо-

дель деловых процессов (бизнес-процессов), существующих в ТПП предприятия. В настоящее время имеется ряд методик и инструментальных средств для разработки и анализа моделей бизнес-процессов. Эффективными, на наш взгляд, являются средства, основанные на использовании UML. На базе диаграмм UML выполняется анализ моделей существующих бизнес-процессов и их доработка применительно к автоматизированной ТИП [9]. В результате образуется сеть, состоящая из деловых операций и дуг, которые связывают операции в единый деловой процесс. В то же время перспективным является освоение и применение для построения и моделирования бизнес-процессов методик и средств ARIS, нашедших наибольшее применение в настоящее время при разработке и внедрении проектов управления предприятиями.

Планирование ТПП изделия целесообразно вести на базе существующих инструментальных средств, например, MS Project. План-графики составляются с учетом разработанных бизнес-процессов. Анализ критических путей позволяет минимизировать время ТПП изделий. PDM SMARTEAM интегрирована с MS Project, и это открывает перспективу их совместного эффективного использования при планировании и управлении ТПП.

Функционирование моделей бизнес-процессов ТПП начинается после того, как они с помощью соответствующих инструментальных средств PDM-системы введены в базу данных. Модели деловых процессов ТПП составляются отдельно для каждого изделия и далее синхронизируются между собой с учетом разработанных план-графиков для этих изделий.

Необходимо отметить, что модели бизнес-процессов ТПП могут быть составлены с любой требуемой степенью подробности и, в целом, образуют многоуровневый комплекс деловых процессов, который в процессе ТПП изделия корректируется и уточняется.

Возможность автоматизации наблюдения и контроля процесса ТПП является важной особенностью технология «workflow». Исполнители имеют свои почтовые ящики, которые обслуживаются специальной компонентой PDM-системы. Кроме того, исполнители закреплены за задачами, наблюдение за процессом выполнения которых поручено отдельным деловым операциям. После активизации деловой операции исполнителю на его почтовый ящик автоматически отправляется распоряжение на выполнение задачи, закрепленной за этой операцией. Деловая операция остается активной до тех пор, пока не придет сообщение о завершении данной задачи. В зависимости от результатов выполнения задачи осуществляется либо переход и активизация следующей деловой операции, либо возврат на предшествующую операцию. Если задача не решена вовремя, то посылается сообщение исполнителю о нарушении сроков выполнения задачи. Такая технология контроля, с одной стороны, позволяет в любой момент получить информацию о состоянии ТПП компоненты любого изделия, а с другой стороны, автоматически зафиксировать отклонения от графика выполнения задач, необходимых для ТПП конкретного изделия. Таким образом, технология «workflow» является важной составной частью современной системы управления ТПП.

5. Виртуализация ТПП

Виртуализация ТПП является важной формой ее совершенствования, так как позволяет сложные задачи ТПП передать организациям, специализирующихся в их решении, тем самым повысив качество решений и сократив сроки. Эффективность виртуализации во многом зависит от форм использования современных информационных технологий [10].

Целесообразно различать два вида виртуализации: виртуальные рабочие места и виртуальные предприятия, решающие отдельные задачи ТПП. Первый вид необходим

для использования опытных технологов, острая потребность в которых ощущается в последние годы на промышленных предприятиях и рабочие места которых являются удаленными. Компоненты PDM-системы, использующие коммуникационные технологии, обеспечивают доступ к дереву проекта из удаленного рабочего места и выборку из дерева проекта любого информационного объекта, к которому разрешен доступ. Информационные объекты, созданные на виртуальном рабочем месте, регистрируются и заносятся в дерево проекта. Виртуальные рабочие места также могут быть охвачены технологией «workflow».

Второй вид виртуализации необходим для использования предприятий, специализирующихся на решении отдельных задач ТПП, и используется как одно из важнейших направлений совершенствования ТПП, обеспечивающих высокую организационную гибкость. Например, существуют небольшие фирмы, проектирующие и изготавливающие сложные конструкции технологической оснастки.

При организации виртуальных предприятий используется термин «межорганизационный потенциал отношений», который определяется как сеть ресурсов, образованная организационными единицами (ОЕ). Под ОЕ понимается любое юридическое лицо, которое может принимать участие в выполнении заказа, ориентированного на решение задач ТПП. Организационные единицы объединяются в сеть ресурсов с помощью информационных и функциональных связей.

Под функциональной связью понимаются материальные потоки, отражающие последовательность выполнения заказа организационными единицами, например, передача полуфабрикатов, заготовок, деталей и сборочных единиц с одного на другое предприятие. Информационная связь заключается в передаче какой-либо информации об изделии и технологии его изготовления. Например, технологическое бюро, в котором проектируются управляющие программы для обработки сложных формообразующих деталей пресс-формы, функционально и информационно связано с предприятием, на котором будут изготавливаться эти детали.

Для выполнения заказа необходимо о каждой ОЕ знать выполняемые ею задачи и ресурсы, реализующие эти задачи. В сети ресурсов могут быть ОЕ, которые могут выполнять одинаковые задачи. В этом случае ОЕ вступают в конкурентную борьбу за получение задания на выполнение этой задачи. Таким образом, сеть ресурсов является динамической сетью, в которой меняется состав вершин, их функции и ресурсы, а также связи между вершинами.

Результаты выполнения заданий каждой ОЕ фиксируются в дереве проекта с помощью стандартных средств PDM-системы. Для контроля процесса выполнения заданий ОЕ в модель ТПП включаются деловые операции, связанные с деятельностью рабочей сети ресурсов. Отсюда следует, что использование PDM-системы и технологии «workflow» являются, на наш взгляд, важным условием эффективной виртуализации ТПП и повышения организационной гибкости ТПП.

Заключение

Рассмотренная методология автоматизации ТПП в настоящее время применяется для проектирования подсистем АСТПП и является результатом исследований, выполняемых на кафедре технологии приборостроения СПбГУ ИТМО. Авторы считают, что предложенные подходы открывают путь к созданию АСТПП нового поколения. Однако требуется проведение большого объема дальнейших исследований по использованию современных информационных технологий в ТПП.

Литература

1. Норенков И.П., Кузьмик П.К. Информационная поддержка наукоемких изделий. СЛЬБ-технологии. М.: Изд-во МВТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 320 с.

2. Митрофанов С.П. Научная организация машиностроительного производства. Л.: Машиностроение, 1976. 712 е., с ил.

3. Митрофанов С.П. Групповая технология машиностроительного производства. В 2-х томах, 3-е изд., перераб. доп. Л.: Машиностроение, 1983. 404 е., с ил.

4. Технологическая подготовка гибких производственных систем / С.П. Митрофанов, Д. Д. Куликов, О.Н. Миляев, Б.С. Падун. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1987.

5. Автоматизированные системы технологической подготовки производства в машиностроении / Г.К. Горанский, В.А. Кочуров, Р.П. Франковская и др.; Под ред. чл.-кор. АНБССР Г.К. Горанского. М.: Машиностроение, 1976. 240 е., с ил.

6. Цветков В.Д. Системно-структурное моделирование и автоматизация проектирования технологических процессов. Минск: Наука и техника, 1980. 264 е., с ил.

7. Яблочников Е.И. Организация единого информационного пространства технической подготовки производства с использованием РБМ БшагТеаш. // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2001. № 3. С. 22-29.

8. Буч Г., Рамбо Дж., Джекобсон А. Язык ЦМЬ. Руководство пользователя. Пер. с англ. М.: ДМК, 2000. 432 с.

9. Яблочников Е.И. Построение функциональных моделей процессов технологической подготовки производства с применением диаграмм ЦМЪ // Инновации в науке, образовании и производстве; Труды СПбГПУ, № 488. СПб: Изд-во СПбГПУ, 2004. С.221-227.

10. Зильбербург Л.И., Молочник В.И., Яблочников Е.И. Реинжиниринг и автоматизация технологической подготовки производства в машиностроении. СПб: Компью-тербург, 2003. 152 с.