Научные проблемы организации промышленного производства изделий из природного камня на основе современных информационных технологий

УДК 621.7.01 Ю.А. Павлов

НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПРИРОДНОГО КАМНЯ НА ОСНОВЕ СОВРЕМЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Семинар № 23

Современный уровень камнеобрабатывающей промышленности в ведущих для данной отрасли европейских странах (Италии, Германии, Испании и др.) характеризуют следующие направления и тенденции развития:

- непрерывное возрастание номенкла-

туры, усложнение конструкции, улучшение дизайна и повышение качества выпускаемых изделий (архитектурностроительных, декоративно-художест-

венных, монументальных и т.д.);

- создание и внедрение новых эффективных производственных технологий на базе высокопроизводительного автоматизированного оборудования - автоматических переналаживаемых линий, станков с числовым программным управлением (ЧПУ), промышленных манипуляторов, средств автоматического контроля и т.д.;

- широкое использование компьютерных систем для автоматизированного проектирования сложных изделий, технологической подготовки их производства и управления технологическими и производственными процессами;

- увеличение организационной гибкости производства при использовании новых информационных и коммуникационных технологий;

- интеграция с добывающими предприятиями, с разработчиками и поставщиками технологического оборудования, оснастки и инструмента, а также с основными потребителями каменной продукции (архи-

тектурно-проектными, дизайнерскими,

строительными, реставрационными, художественными и другими организациями и фирмами).

Камнеобрабатывающие предприятия начинают приобретать свойства гибких автоматизированных и высокотехнологичных компьютерно-интегрированных

производств (КИП или CIM). Широкое распространение получила концепция организации компьютерного управления и информационной поддержки производственной системы, обеспечивающей все стадии жизненного цикла изделий (ЖЦИ). Под изделием в этом случае следует понимать любой технический, архитектурностроительный, де-коративно-

художественный, программный или другой сложный объект, удовлетворяющий долговременные потребности многих пользователей и допускающий различные варианты его эксплуатации. Конструктивно и технологически сложные изделия из камня все в большей степени соответствуют этому определению. Эти изделия становятся важными элементами градостроительных, архитектурных и дизайнерских проектов, фрагментами интерьеров и экстерьеров зданий, вставками в ювелирные и декоративно-художественные композиции, деталями сложных технических объектов.

Информационные системы, охватывающие все стадии ЖЦИ, получили название CALS (Continuous Acquisition and

Life-cycle Support - компьютерное сопровождение и поддержка ЖЦИ), а процесс функционирования КИП с таким информационным обеспечением называют CALS-технологией [2]. Основой данной информационной технологии является компьютерная модель изделия, описание функциональных и физических параметров которой выполнено на основе международных стандартов для обмена данными о промышленной продукции (STEP - ISO 10303 и других), позволяющих корпоративно использовать эту модель всеми разработчиками, производственниками и пользователями на протяжении всего ЖЦИ. Организационное обеспечение и управление качеством промышленной продукции на всех стадиях его жизненного цикла выполняется в соответствии со стандартами серии ISO 9000.

Научная теория и практика организации КИП рассматривают производственную систему в виде группы взаимосвязанных основных и вспомогательных бизнес-процессов, которые обеспечивают достижение целевых задач промышленного предприятия [4]. Основные процессы привносят дополнительное качество в производство продукции или предоставление услуг заказчику. Вспомогательные процессы формируют инфраструктуру предприятия. Примерами основных процессов могут быть разработка новых изделий и подготовка их производства, управление технологическими процессами и организация производства, включая его снабжение, вывод продукции на рынок, ее сбыт и обслуживание клиентов. Вспомогательными процессами являются, например, информационное обеспечение бизнес-процессов предприятия, подготовка квалифицированных кадров и другие.

Ориентированное на требования заказчика (клиента) производство и направленные на выполнение конкретных бизнес-процессов формы организации и управления предприятием одновременно становятся системными адаптивными регулято-

рами совершенствования применяемых технологий и повышения качества выпускаемой продукции.

Необходимость использования камнеобрабатывающей промышленностью рассмотренных тенденций развития мирового промышленного производства требует скорейшего формирования отечественной технологической школы добычи и обработки камня.

Созданная в отрасли научно-методологическая база знаний позволяет решать на современном уровне различные задачи проектирования карьеров, разработки эффективных технологических процессов добычи и обработки камня, организации и планирования камнеобрабатывающих предприятий и комплексов типа "карьер - завод", прогнозирования рынка природного камня и ряда других.

Структура связи бизнес-процессов с актуальными техническими, производственно-технологическими и организационно-экономическими задачами разработки научных методов, программноаппаратных средств, информационного обеспечения и подготовки специалистов для компьютерно-интегрированных камнеобрабатывающих производств показана на рис. 1.

Основополагающими научными принципами организационного построения компьютерно-интегрирован-ных камнеобрабатывающих и смежных с ним производств являются [3]:

- системное единство и интеграция всех структурных элементов КИП, которые должны разрабатываться как части единого целого, где функционирование каждого элемента подчинено общей цели;

- декомпозиция, т.е. разделение КИП на составляющие системы, выполненное по наиболее слабым организационным и информационным связям, с целью уменьшения сложности разработки каждой системы и облегчения условий ее эксплуатации;

Компьютерно-интегрированное камнеобрабатывающее производство

Технико-экономический анализ эффективности КИП, обоснование стратегии их создания и этапов развития

Структурно-функциональный анализ КИП, методология системного синтеза на основе модульного принципа

Методы системной интеграции КИП по различным направлениям, формирование единого информационного пространства предприятия

Методология подготовки дипломированных специалистов для КИП, система подготовки научных кадров

Задачи разработки информационных систем КИП с использованием объектно-ориентированного метода

Частные задачи конкретных производств

Рис. 1. Структура общесистемных научных проблем и частных проектных задач организации компьютерно-интегрированных камнеобрабатывающих производств

- модульность построения всех структурных и функциональных систем КИП на основе иерархии функциональных, про-

ектных и физических мер (модулей), которые являются объективно существующими, унифицированными и устойчивыми

компонентами и могут использоваться как в автономном, так и в комплексном режиме;

- совместимость организационного, информационного и программного обеспечения для всех систем КИП с целью возможности их взаимосвязанного функционирования;

- открытость КИП и ее составляющих систем для модернизации и включения в них новых структурных и функциональных элементов;

- стандартизация элементов КИП, предусматривающая использование максимального числа унифицированных, типовых и инвариантных решений с целью уменьшения затрат на их создание и повышения надежности функционирования;

- эргономичность входящих в КИП элементов, являющихся человекомашинными системами, в которых следует предусматривать удобство работы ее пользователей (правильное разделение функций, удобство и простота интерфейсов, учет психологических факторов и

др.);

- инновационный подход к созданию КИП и ее элементов, ориентирующийся на новые научно-технические достижения в области методов и средств построения интеллектуальных информационных систем дизайна, конструкторско-технологической подготовки и организации производства.

Начальная фаза развития технических бизнес-процессов предприятия связана с интеграцией систем автоматизированного проектирования (САПР - CAD) и технологической подготовки производства (АСТПП - САМ) выпускаемой продукции. Важным этапом развития компьютерно-интегрирован-ных камнеобрабатывающих производств стало включение в САПР-АСТПП автоматизированных системы концептуального проектирования, связанного с дизайном (ART) изделий.

Для достижения поставленной цели в работе [3] сформулированы и решены следующие научные и практические задачи:

- обобщение методов системного анализа технико-экономических показателей эффективности гибкого автоматизированного камнеобрабатывающего производства, построенного на принципах интеграции его информационных систем средствами компьютерных технологий;

- систематизация изделий камнеобрабатывающих производств на основе геометрических характеристик, которая включает в себя классификации исполнительных и вспомогательных поверхностей деталей промышленных изделий из камня как объектов формообразования в технологических обрабатывающих комплексах, и позволяет привести все их неограниченное множество к конечному числу конструктивных типовых модулей, обрабатываемых на идентичных (типовых) технологических операциях;

- формирование обобщенной структурно-геометрической модели сложного промышленного изделия из камня в виде совокупности конечного числа функциональных деталей разных геометрических форм, связанных между собой с помощью унифицированных модулей соединения;

- разработка метода оценки качества изделий из камня на ранних стадиях проектирования на основании построения, расчета и анализа пространственных размерных связей деталей, а также методики оценки качества деталей на стадии рабочего проектирования посредством построения, расчета и анализа конструкторских размерных связей модулей поверхностей деталей;

- разработка структуры типовых операционно-технологических модулей изготовления исполнительных (базирующих и рабочих) поверхностей деталей из камня при разном уровне развития системы технологического обеспечения (оборудования, инструментов и оснастки);

- образование модульных технологических операций изготовления исполнительных поверхностей из стандартных, заданных параметрами про-

граммно-технологических модулей инструментальных переходов для формообразования элементов этих поверхностей на оборудовании с ЧПУ;

- разработка метода формирования заготовок как геометрических тел, которые ограничены поверхностями, эквидистантными к модулям поверхностей деталей и отстоящих от них на величины расчетных припусков на многопроходную обработку;

- системное представление типовой структуры технологически завершенного камнеобрабатывающего производства в виде последовательности технологических маршрутов заготовительных, обрабатывающих и сборочно-монтаж-ных переделов исходного сырья в готовое изделие;

- анализ организационных форм кам-

необрабатывающих производств, ориентированных на достижение технологической гибкости и требуемого качества продукции при высоких технико-

экономических показателях;

- разработка методов достижения конкурентоспособности изделий из камня на всех стадиях дизайна, конструкторско-технологического проектирования и изготовления посредством управления качеством этих процессов, исходя из требования удовлетворения запросов потребителя;

- анализ факторов и компьютерных методов сравнительного анализа качества приобретаемых или вновь проектируемых средств технологического обеспечения для гибкого автоматизированного производства сложных промышленных изделий из природного камня;

- разработка структурной схемы построения и методологии создания компьютерной интегрированной системы дизайна, технического проектирования и технологической подготовки производства высокохудожественных изделий из камня (системы типа АЯТ-САБ-САМ);

- анализ базовых программных средств построения системы АЯТ-САБ-САМ и методов разработки программных приложений для дизайна, технического про-

ектирования и технологической подготовки производства разных видов высокохудожественных изделий из камня с помощью встроенных в базовые пакеты инструментальных средств, а также специализированных интеллектуальных систем поддержки инженерных решений (СА8Б-средств);

- разработка алгоритмов функционирования и управления прикладными программными комплексами для дизайна и конструкторско-технологического проектирования сложных видов высокохудожественных изделий из камня (подсистемы "Грань", "Мозаика", "Скуль-птура" и другие).

В отношении технической подготовки КИП остаются нерешенными част-ные задачи, связанные с реализацией разработанных научных методов в конкретных производствах, а также с информационным обеспечением системы АЯТ-САБ-САМ.

Следующей фазой становится разработка системы управления и оптимизации выполнения технических процессов (РБМ), которая непосредственно связана с расширенным представлением КИП, охватывая все стадии жизненного цикла изделий посредством использования САЬ8-технологий [2]. Такая система строится на базе технологии "клиент-сервер", т.е предполагает внедрение компьютерной сети предприятия с центральным общим сервером данных и программ совместно с клиентскими рабочими местами специалистов: дизайнеров, конструкторов, технологов, менеджеров. При этом практически нет ограничений по количеству рабочих мест, интенсивности информационного обмена, географических масштабов и особенностей структуры корпоративных предприятий.

Работа по реформированию технических бизнес-процессов, т.е. реинжинирингу конкретного предприятия, в свою очередь, распадается на следующие этапы [5]:

- обследование технических подразделений, которое выполняется по методике

структурного анализа с использованием системных моделей в виде взаимосвязанных диаграмм, представленных в стандартной форме;

- разработка стратегии управления техническими процессами согласованно с общим проектом корпоративной системы управления предприятием;

- внедрение комплекса конкретных программно-аппаратных средств для системной интеграции разработчиков технических проектов.

Специальная методология структурного анализа и моделирования - Structured Analysis and Design Technique (SADT) включает в себя концептуальный подход к построению моделей любых нечетко структурированных систем, а также набор правил и графических обозначений для их описания [2, 5]. Наиболее строгой реализацией общей методологии SADT является методика IDEF0 (Integrated DE-Function0), которая используется для построения функциональных моделей, где описание систем осуществляется с точки зрения выполняемых ими задач. Существуют также специальные методики для построения информационных моделей, описывающих потоки информации (IDEF1X), и динамических моделей, отображающих причинно-следственные связи между объектами системы (IDEF/CPN).

Важным этапом системной интеграции становится объединение технических и производственно-технологичес-ких бизнес-процессов, связанных с оперативным управлением камнеобрабатывающим производством. Оперативное управление

КИП обеспечивает регулирование материальных, энергетических и информационных потоков на технологических участках и вспомогательных средствах (транспортных, складских, обслуживающих). С его помощью осуществляются учет состава и количество сырья, заготовок, полуфабрикатов и готовых изделий, контроль режимов работы технологических установок, насосно-компрессорного оборудования

для систем охлаждения и удаления отхо-

дов, энергетических затрат станков и других потребителей, мониторинг состояния воздушной и водной среды, проверка адекватности контролируемых параметров соответствующему режиму для обеспечения требуемого качества продукции. Реализацию производственно-

технологических бизнес-процессов осуществляют производственные отделы через диспетчерские службы предприятия, главной задачей которых является автоматизированное организационно-

технологичес-кое управление производством в реальном времени (АСУТП).

Производственно-технологические бизнес-процессы включают в себя моделирование, диагностику, оптимизацию и оперативное управление в реальном времени технологическими процессами и оборудованием (компьютерные системы ЧПУ - CNC) с целью достижения наименьшей себестоимости при выполнении заданного графика выпуска и требуемого качества продукции. Как и обследование структуры технических подразделений предприятия, моделирование производственно-технологических процессов выполняется по стандартной методике SADT. В результате этой работы формируется компьютерное описание процессов, которое содержит оптимальную (эталонную) модель в соответствии с указанными целями и требованиями, а также детальный анализ имитации выполнения маршрутных и операционных технологий при переходе к эталонной модели управления соответствующими процессами.

Программное обеспечение АСУТП представлено операционными системами реального времени (ОСРВ), программами диспетчерского управления производственными процессами - Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA), драйверами и прикладными программами для промышленных контроллеров (РС) в системах компьютерного программного управления (CNC) технологическим оборудованием [2].

Дальнейшая системная интеграция промышленного предприятия предполагает целенаправленное структурное реформирование организационно-эко-

номических бизнес-процессов согласно разработанной корпоративной модели, которая охватывает все сферы производственной деятельности этого предприятия. Методологической основой моделирования автоматизированных систем управления предприятием (АСУП) является логистика - наука, занимающаяся теоретическими проблемами управления материальными и финансовыми потоками в производстве и обращении.

В состав АСУП входят функциональные подсистемы для решения общих задач менеджмента, таких как маркетинг, планирование финансовых, материальных и кадровых ресурсов, оперативное управление выполнением планов (снабжение, сбыт, ведение договоров), все виды учета и анализ административно-хозяйственной деятельности. Автоматизированная система планирования производственных ресурсов (Enterprise Resource Planning -ERP), обеспечивающая реализацию организационно-экономических бизнес-

процессов предприятия становится, таким образом, важной компонентой КИП [2, 5]. Современные ERP-системы (например, "SAP R/3") строятся на принципах модульности программных компонент, структурирования базовых и прикладных программ, открытости системной среды (прикладные программы можно инсталлировать на различные платформы), независимости по отношению к

конкретной области применения (промышленные предприятия, банки, государственные учреждения, торговые

фирмы и т.д.).

Конечной целью становится реализация концепции расширенного "виртуального" предприятия (ВП), в состав которого входит группа партнеров, непосредственно участвующих в едином производственном процессе. Для моделирования ВП используется теория агентов и сложных многоагентных систем - новое научное направление на стыке логистики и систем искусственного интеллекта [4].

Важнейшим ресурсом сетевого предприятия, способным повысить его конкурентоспособность и инвестиционную привлекательность, являются корпоративные знания. Поэтому проблема накопления формализации и управления инженерными знаниями занимает центральное место в интеллектуализации производств. В связи с этим создание комплекса АЯТ-САБ-САБ-САМ, обеспечивающего решение наиболее наукоемких задач технической подготовки производства выпускаемой продукции, становится начальной фазой компьютерной интеграции бизнес-процессов промышленных предприятий, имеющее важнейшее значение при создании КИП [2, 3].

Методологической основой разработки информационных систем КИП в последнее время становится объектноориентированная декомпозиция предметной области, которая заключается в ее представлении в виде совокупности классов и объектов.

Рис. 2. Цикл разработки информационной системы с использованием объектно-ориентированного подхода

При этом иерархический характер системы отражается в виде иерархии классов, а ее функционирование рассматривается как взаимодействие объектов. При таком подходе сложная система описывается наиболее естественным образом в виде группы взаимосвязанных процессов, обеспечивающих достижение заданных целей. Цикл разработки объектно-

ориентированной системы содержит несколько этапов, но в отличие от структурного подхода в нем нет строгой последовательности их выполнения. Процесс носит принципиально итеративный характер, что в наибольшей мере отвечает потребностям разработки (рис. 2).

Преимущества объектно-ориентиро-

ванного подхода по сравнению с функционально-структурным методом анализа и синтеза сложных систем состоят в следующем:

- появляется возможность распараллеливания работ;

- упрощается внесение изменений в модель предметной области;

- обеспечивается гибкость архитектуры создаваемой системы;

- облегчается повторное использование уже разработанных элементов (использование типовых решений).

Однако объектно-ориентированный

подход в наибольшей степени ориентирован на программистов, а не на других специалистов в данной предметной области, участвующих в проекте КИП. Поэтому в последнее время получают развитие инструментальные средства САЬ8-технологий, содержащие дополнительные возможности имитационного моделирования работы создаваемой сложной системы (например, АСУТП в составе КИП) и возможность представлять в информационных моделях плохо формализуемые знания о предметной области [2, 5].

Использование объектно-ориентиро-

ванной системной методологии анализа и синтеза КИП совместно с существующими научными принципами техноло-гии добычи и обработки камня, а также методами планирования и организации гибкого производства разнообразных изделий, позволяет в значительной степени поднять эффективность отечественных камнеобрабатывающих предприятий, увеличить

конкурентоспособность продукции, а также способствует общему развитию технологической школы камнеобработки.

Интенсивное развитие камнеобрабатывающих предприятий возможно только при наличии квалифицированных специалистов различных профессий, способных решать поставленные сложные производственные задачи. При разработке основной образовательной программы по направлению подготовки дипломированных специалистов в области технологии художественной обработки материалов (ООП-121200) большое внимание было уделено

1. Морозов В.И., Павлов Ю.А. Состояние и перспективы кадрового обеспечения высоких технологий в камнеобрабатывающих, гранильных и ювелирных производствах России. // Драгоценные металлы. Драгоценные камни, 2004, №5(125). С. 126-136.

2. Норенков И.П., Кузьмик П.К. Информационная поддержка наукоемких изделий: САЬ8-технологии. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2002. - 320 с.

3. Павлов Ю.А. Методологические принципы организации технологической подготовки произ-

современным компьютерным технологиям, которые являются базовым средством модернизации промышленных предприятий. Освоение компьютерных технологий в процессе обучения инженеров-

технологов данного направ-ления базируется на тех же принципах, которые используются при создании и практическом применении программных продуктов КИП. Основными принципами здесь являются: комплексность, системность, модульность и доступность [1].

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

водства сложных изделий из камня: Дисс. на со-иск. ученой степени докт. техн. наук. - М.: МГГУ, 2005. - 321 с.

4. Тарасов В.Г. Агенты, многоагентные системы, виртуальные сообщества: Стратегическое направление в информатике и искусственном интеллекте. // Новости искусственного интеллекта, 1998, № 2. С. 5-63.

5. А.-В. Шеер. Бизнес-процессы: Основные понятия, теория и методы / Пер. с англ., 2-е изд. - М.: Весть-Метатехнология, 1999. - 152 с.

— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------

Павлов Ю.А. - кандидат технических наук, профессор, кафедра «Технология художественной обработки материалов», Московский государственный горный университет.

------------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ХУСАИНОВ Вячеслав Геннадьевич Обоснование и расчет эргономических показателей карьерных гусеничных экскаваторов производства ОАО «Уралмаш» 05.05.06 к.т.н.