CALS-технологии в учебном процессе Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 378.6

В. П. Быков, М. В. Овсянников CALS-ТЕХНОЛОГИИ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

Рассматривается проблема совершенствования подготовки специалистов для железнодорожного транспорта в Петербургском государственном университете путей сообщения на основе CALS-технологий.

единое информационное пространство, стандарты STEP, информационная поддержка изделий, интегрированные ресурсы, протокол применения, интегрированная логистическая поддержка.

Введение

Одна из важнейших функций университета - дать студентам опережающую подготовку по приоритетным областям науки, техники, технологии и промышленности. Среди приоритетных направлений инновационной программы развития производственного сектора России следует выделить внедрение технологии, получившей название: «Информационная интеграция и системная поддержка жизненного цикла продукции (CALS-технологии, CAD, CAM, CAE)», утвержденная Президентом Российской Федерации.

1 CALS-технологии

CALS (Continuous Acquisition and Life-Cycle Support) принята в большинстве промышленно развитых стран как концепция

информационной поддержки жизненного цикла (ЖЦ) продукции. В основе этой концепции лежит использование единого информационного пространства (ЕИП), обеспечивающего единообразные способы

информационного взаимодействия всех участников ЖЦ продукции: заказчиков, производителей, эксплуатационников и ремонтников. В России устоялась русскоязычная интерпретация термина CALS как ИПИ (информационная поддержка изделий). Этим термином пользуются, когда говорят о средствах реализации (методах, технологиях, стандартах и т.д.) концепции и стратегии CALS.

Главное назначение CALS-технологий - преодоление информационного хаоса и коммуникационных барьеров между участниками ЖЦ продукции, что приведет к улучшению взаимодействия между ними и повышению эффективности процессов ЖЦ.

О необходимости единого информационного пространства на железнодорожном транспорте говорил в своем докладе на конференции ТелеКомТранс президент ОАО РЖД Якунин В.И. (Сочи, 2006).

2 CALS-технологии в учебном процессе

В технических университетах, в том числе и в ПГУПС, специальные дисциплины затрагивают все этапы жизненного цикла изделий. Так на специальностях «Локомотивы и локомотивное хозяйство», «Вагоны и вагонное хозяйство», «Подьемно-транспортные, строительные и дорожные машины» в отдельных дисциплинах рассматривается: проектирование технических устройств, технологическая подготовка производства,

организация производства, связанная с изготовлением техники,

эксплуатация технических устройств, ремонт, утилизация. Все перечисленное входит в ЖЦ изделий. Аналогично обстоит дело и на строительных специальностях. Железнодорожный путь тоже имеет жизненный цикл: проводятся изыскания трасы, проектирование,

изготовление, эксплуатация и ремонт, утилизация.

В настоящее время все специальные дисциплины пользуются своими собственными определениями основных понятий, собственными

программными средствами, своими банками данных. Все это создает информационный хаос и коммуникационные барьеры для единой информационной среды, способной дать все необходимые данные об изделии, независимо от того на каком этапе жизненного цикла оно находится, из единого банка данных.

Возможность создания единой информационной среды создается применением стандарта STEP (Standard for the Exchange of Product data). Этот стандарт задает полную информационную модель изделия на протяжении его ЖЦ, а также способы реализации обмена данными, представленными согласно его полной модели. И полная модель изделия, и способы обмена данными предложены в компьютерном виде, не зависимом ни от программных, ни от аппаратных средств, применяемых участниками ЖЦ.

В международной практике стандарт STEP имеет обозначение ISO 10303, а в России в 2002 году были разработаны и утверждены шесть гармонизированных с международными стандарты, обозначенные ГОСТ Р ИСО 10303.

В настоящее время работа многих крупных корпораций базируется на стандартах STEP. Это же должно происходить и в учебном процессе. Все специальные дисциплины должны представлять данные о соответствующих объектах и процессах в соответствии с этим стандартом. В этом случае будет создаваться полная информационная модель соответствующего изделия на протяжении его жизненного цикла. Стандарт

организует обмен данными, представленными согласно его полной модели. Программные средства, используемые в дисциплинах, должны быть оттестированы на соответствие стандарту STEP.

Использование в процессе обучения CALS - ориентированного подхода способствуют активизации восприятия студентами разных областей знаний и одновременную их систематизацию.

Многие технические университеты уже открыли новые специальности для профессиональной подготовки в области CALS - технологий. Это необходимо, но недостаточно. В современных условиях учебный процесс на всех специальностях должен быть ориентирован на CALS. Эти технологии относятся и к научной деятельности, и к проектированию, и к эксплуатации объектов техники. Таким образом, где бы не работал выпускник технического университета ему, если не сегодня, то завтра придется встретиться с CALS - технологиями. В первую очередь это относится к специалистам механического профиля. Именно в машиностроительной, приборостроительной, судостроительной, авиационной промышленности CALS - технологии уже нашли широкое применение. Дисциплины, изучаемые студентами механического факультета ПГУПС, охватывают все этапы жизненного цикла изделий (рис. 1).

Проектирование

Ч___

Производство

ЕИП

Дисциплины учебного план

а

Экспл уатация

Теория машин и механиз мов

Техничес

кие

основы

создания

машин

Основы

автомат

изирова

нного

проекти

рования

Технолог

ическая

подготов

ка

производ

ства

Организа

ция

производ

ства

Констру Эксплуа Ремонт

кция тация машин

машин машин

Рис. 1. Этапы жизненного цикла изделий в дисциплинах учебного процесса

Переход на CALS - ориентированное обучение требует существенного изменения учебного процесса. В нем необходимо предусмотреть изучение STEP стандартов. Для организации

информационного обмена в учебный процесс необходимо включить:

• системы автоматизированного проектирования (CAD - Computer-Aided Design);

• системы автоматизированной подготовки производства (CAM -Computer-Aided Manufacturing);

• системы автоматизированного инженерного анализа (CAE -Computer-Aided Engineering);

• системы управления данными об изделии (PDM - Product Data Management);

• системы управления ресурсами предприятия (ERP - Enterprise Resource Planning);

другие STEP- совместимые системы и приложения.

Помимо этого в дисциплинах, связанных с эксплуатацией техники должна быть отражена интегрированная логистическая поддержка. В учебный процесс необходимо включить и освоение языка EXPRESS.

В ПГУПСе, имеющем кафедру «Автоматизированное проектирование», концепция и стратегия CALS - технологий должна отражаться в её дисциплинах. Сюда следует отнести изучение стандарта STEP, включая:

• методы описания для представления структуры данных об изделии;

• методы реализации для организации обмена информацией;

• методологию тестирования на соответствие программных средств стандарту STEP;

• интегрированные ресурсы, задающие базовое представление информации об изделии, независимо от предметной области.

Кроме этого студентам необходимо дать знания вышеперечисленных систем (CAD, CAM, CAE, PDM, ERP) и языка EXPRESS. Для всего этого необходимо дополнительное учебное время, отводимое кафедре.

В дисциплинах, относящихся к специальным кафедрам, должны найти отражение протоколы применения, определяющие специфичное для конкретной предметной области представление информации об изделии, как основу для обмена данными, построенную на базе интегрированных ресурсов STEP. В дисциплины, связанные с эксплуатацией и ремонтом техники, необходимо включить интегрированную логистическую поддержку изделий.

Для примера рассмотрим начальную стадию проектирования -техническое задание (ТЗ), рассматриваемую в дисциплине «Технические основы создания машин».

Подготовка ТЗ на изделие является частью жизненного цикла изделия и включает процедуры [2]: определения потребности проектирования, выбора целей проектирования, определения признаков объекта проектирования. Выполнение этих процедур может осуществляться традиционно «ручным» способом или с применением программно-

методического комплекса [3], который в терминологии CIMdata является частью PLM.

Представим обе части проектирования на стадии ТЗ на конкретном примере. Для этого воспользуемся работой кафедры подъемнотранспортных, путевых и строительных машин Петербургского государственного университета путей сообщения, выполнявшей по заказу ООО «ВС-Трейн» тему: «Разработка современного привода вагонного генератора мощностью 32 кВт для отечественных вагонов с кондиционированием воздуха». Одним из разделов темы было устранение недостатков карданного вала подвагонного привода.

Карданный вал КВ-380, установленный в приводе генератора пассажирских вагонов с кондиционированием воздуха, несмотря на мероприятия увеличения его ресурса, не обеспечил предъявленные к нему требования. Основные его недостатки заключаются в малой величине компенсации длины, в выдавливании смазки шлицевого соединения и, как следствие, в залипании шлицов. Указанные недостатки приводят к преждевременным отказам редуктора и генератора.

Учитывая большое количество вагонов, оборудованных карданными валами КВ-380, цели их модернизации охватывали интересы всего ОАО РЖД.

Карданные валы широко используются в автомобильной, сельскохозяйственной, специальной технике отечественного и зарубежного производства, однако карданного вала, лишённого указанных недостатков, найти не удалось.

Решение проблемы повышения долговечности привода генератора могло лежать на пути изменения его структурной схемы, исключающего карданный вал, но, учитывая большой парк вагонов, использующих существующую структурную схему провода, ставилась задача модернизации карданного вала.

Создание карданного вала, лишенного указанных недостатков, обещало принести несомненный экономический эффект. На рис. 2 представлено окно программного модуля для поддержки процедуры определения потребности проектирования.

При вводе данных в программный модуль степень уверенности отражала нечёткость знаний, использованных для ответа на поставленные вопросы. В частности, оставалось некоторое сомнение в полноте не принесшего положительных результатов поиска карданного вала, лишённого указанных недостатков, за пределами нашей страны. Не было полной уверенности и в том, что при наличии зарубежного образца оказалось бы возможным его приобретение. В этих условиях правомерно использовании нечетких математических моделей (нечётких множеств, нечетких отношений). На нечётких математических моделях построен Программо-методический комплекс (ПМК), созданный на кафедре

«Подъемно-транспортные, путевые и строительные машины» для ранних стадий проектирования.

В создавшихся условиях после применения модуля ПМК для определения потребности проектирование создание нового карданного вала оказывалось необходимым, правда не с полной уверенностью.

Рис. 2. Окно программного модуля для определения потребности проектирования

В результате модернизации карданного вала необходимо было достичь определённые цели, вытекающие из требований, продиктованных общественными интересами на различных их уровнях.

Для определения целей проектирования можно было воспользоваться программным модулем из программно-методического комплекса (рис. 3).

Рис. 3. Окно программного модуля для выбора целей проектирования Цели проектирования определяют признаки (свойства) будущего объекта. Установление последних также может поддерживаться программным модулем (рис. 4).

Hj, Признаки объекта проектирования

Цели проектирования

ШИ

Категории признаков

Показатели назначения Г

Показатели надежности Показатели технологичности С

Показатели безопасности С

Показатели эргономичности С

Показатели эстетичности Г

Показатели экологичности Г

Показатели патентной чистоты С

Показатели условий эксплуатации С

Показатели технического уровня Г

Показатели экономичности С

Признаки объекта проектирования, предусмотренные программой

Устранение недостатков карданных валов 1 0 Вероятность безотказной работы. л.

Обеспеченив сохраняемости карданных валов 0 96 Средняя наработка на отказ.

Обеспечение долговечности карданных валов 0.9 Интенсивность отказов.

Обеспечение технологичности карданных валов 0 86 Наработка на отказ.

Обеспечение ремонтопригодности карданных bs 0.8 Г амма-процентный ресурс.

Снижение эксплуатационных затрат 0.6 Средний ресурс.

Повышение долговечностивагонов 0.53 Назначенный ресурс. Средний ресурс между ремонтами. Средний ресурс до списания. Г амма-процентный срок службы. Средний срок службы.

Средний срок службы между ремонтами.

Средний срок до списания.

Вероятность воссановления в заданное время

Дополнительные признаки

d

Показать признаки

Ввести признак

Выделите признак и укажите в долях единицы насколько он отвечает выделенной цели

Вывести на печать

Вывести на экран

Ввести

Вывести в файл

Рис. 3. Окно программного модуля для определения признаков объекта проектирования

Задав конкретные значения установленным признакам объекта проектирования, было подготовлено ТЗ для выполнения последующих стадий проектирования силами кафедры:

УТВЕРЖДАЮ:

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ на разработку карданного вала для привода вагонного генератора мощностью 32 кВт для отечественных вагонов с кондиционированием воздуха.

СОГЛАСОВАНО:

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

1. ОСНОВАНИЕ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ

1.1. Разработка карданного вала проводится на основании договора №37/01/01 от 03 января 2001 г. с ООО «ВС-Трейн» «Разработка современного привода вагонного генератора мощностью 32 кВт для отечественных вагонов с кондиционированием воздуха.

Начало разработки 03.01.2001 г.

Окончание разработки 31.12.2001 г.

2. ЦЕЛЬ ВЫПОЛНЕНИЯ РАЗРАБОТКИ

2.1. Цель разработки заключается в модернизации карданного вала привода генератора для устранения имеющихся недостатков в его конструкции:

• недостаточный диапазон изменения длины вала,

• залипание в шлицевом соединении.

2.2. Устранение недостатков существующих карданных валов должно быть выполнено при условии обеспечения требуемых технических характеристик по сохраняемости, долговечности, технологичности изготовления, обслуживания и ремонта, ремонтопригодности. 3

3. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

3.1. Требования по назначению.

Карданный вал служит для передачи вращения от выходного вала редуктора к генератору при взаимных пространственных перемещениях кузова вагона и необрессоренных частей тележки, вызванных колебаниями вагона на рессорном подвешивании. Максимальные величины перемещения при движении вагона достигают: в горизонтальном поперечном направлении - 100 мм, в вертикальном -200 мм.

3.2. Карданный вал должен удовлетворять следующим техническим параметрам: крутильная жесткость вала должна быть не более 1,5*106 Нсм/рад.; максимально допустимый угол наклона - 250; наибольший остаточный дисбаланс - 150 г*см; наибольшее изменение длины - 200 мм; наибольший допустимый крутящий момент -

4000 Н*м; установочная длина - 1460 мм, наибольшая длина - 1580 мм, наименьшая длина - 1380 мм.

4. ТРЕБОВАНИЯ ПО НАДЕЖНОСТИ

4.1. Средний срок сохраняемости карданного вала - 0,5 года.

4.2. Средний срок службы карданного вала при скорости движения поезда 80 км/час - 600000 км пробега.

4.3. Трудоемкость изготовления не должна превышать - 80 чел/час.

4.4. Средняя оперативная трудоемкость обслуживания и ремонта за период эксплуатации не должна превышать - 120 чел/час.

5. СТАДИИ РАЗРАБОТКИ

5.1. Разработка технических требований и технического задания на карданный вал (1 квартал 2001 г.)

5.2. Разработка технического предложения и эскизного проекта модернизации карданного вала (4 квартал 2001 г.)

От исполнителя От заказчика

Для представления данных, содержащихся в полученном документе, в форме электронного документа существует ряд возможностей [4].

Электронный документ может существовать либо в форме совокупности информационных элементов, хранимых и управляемых автоматизированной системой (в частности PDM-системой), либо в форме обменного файла оформленного согласно рекомендациям [5].

В PDM-системе применяется два основных способа хранения данных: в виде объектов, обладающих определенным набором свойств и значениями этих свойств (например, объектом может быть деталь, а его свойствами могут быть ее длина, ширина, высота и т.п.),

в виде целостных документов, содержащих необходимые данные (например, документом может быть файл САПР).

В то же время, документ сам является объектом в системе, имеющим определенные свойства. Для удобства использования, хранение всех объектов и документов организовано посредством каталогов или папок, аналогично файловой системе компьютера. При этом документ может храниться как самостоятельно, так и быть привязанным к другому объекту системы (например, к изделию).

Основным принципом хранения данных в PDM-системе является то, что данные хранятся только один раз в защищенной системе, называемой хранилищем данных. При проведении изменения данных, новая их редакция, сопровождаемая подписью и датой, помещается в хранилище и существует там наряду со старой редакцией данных, которая остается в хранилище в своей первоначальной форме.

Ниже (рис. 5.) представлен фрагмент представления разработанного ТЗ в структуре данных в одной из популярных отечественных PDM-систем - PDM STEP SUITE v. 3.3.6.

Информация ТЗ является частью модели вновь создаваемого изделия, которое уже имеет место в системе классификации предприятия-разработчика и может использоваться сотрудниками, имеющими доступ к этим данным.

Проблема размещения данных в интегрированной модели представляет достаточно непростой процесс. Главная проблема -предварительное размещение общих для всех моделей изделий понятий: организационной структуры предприятия, чтобы можно было обеспечить однозначную идентификацию сотрудников, разрабатывающих и имеющих доступ к элементам модели, уровни классификации, характеристики, их типы и единицы измерения, типы документов и др. [1].

Пример подготовки справочных данных о характеристиках изделий приведен ниже (рис. 6).

Рис. 5. Хранение результатов разработки ТЗ в модели изделия PDM STEP SUITE

v. 3.3.6.

X Настройка словарей БД - БД 'ВС-Трейн' Пользователь 'Administialoi' Сотрудник Не определен

Файл Вид ?

;<asiail|||^ta 6 а Ed | а™_..| ЄТ31 | 0Асі.. І фРР... | В]СЛ... I Si Sea...| g]520...| ДГла...| g]071 ..||^ На... IUS-Ф ВДВ|%.ВМ 150

Рис. 6. Фрагмент подготовки справочника характеристик для ввода информации

о разработанном ТЗ

При условии интеграции PDM STEP SUITE v. 3.3.6. и программнометодического комплекса для поддержки ранних стадий проектирования машин перенос информации из ПМК в PDM осуществляется автоматически.

Представим теперь, что дальнейшие стадии проектирования, технологической подготовки производства и изготовления должны быть выполнены организацией, использующей CALS технологии, например фирмой «Вальтершейд», специализирующейся в производстве карданных валов. Эта фирма в прошлом поставляла валы с шариковым соединением полувалов, но их производство уже давно было прекращено.

Передаваемое иностранной фирме ТЗ должно быть представлено в форме электронного технического документа.

Электронный технический документ (ЭТД) - логически завершенный структурированный набор технических данных, оформленный надлежащим образом в установленном порядке, который может быть представлен в форме, пригодной для её восприятия человеком [5].

ЭТД логически состоит из двух частей - реквизитной и содержательной, где:

реквизитная часть - аутентификационные и идентификационные данные ЭТД, включающие набор обязательных атрибутов и аутентификационные признаки (одну или несколько ЭЦП).

содержательная часть - информация об изделии и/или способах и средствах поддержки жизненного цикла изделия.

Реквизитная часть ЭТД представляет набор атрибутов, обеспечивающих идентификацию и аутентификацию документа.

Содержательная часть ЭТД состоит из произвольного количества информационных единиц, представляющих содержание документа.

Ниже приведен пример оформления разработанного ТЗ в форме ЭТД.

<Реквизитная часть ЭТД, согласно [5]>

Файлы передаваемых единиц данных

Файл 1: Идентификационный блок файла, 520.0600-

0_0.stp>

Файл 2: < идентификационный блок файла, тз1.pdf>

Фрагмент содержательного блока 1 в формате ГОСТ Р ИСО 10303-21 и ГОСТ Р ИСО 10303-203 приведён ниже:

ISO-10303-21;

HEADER;

/* Exchange file generated using APL SDAI v0.1*/ FILE_DESCRIPTION (

/* implementation_level */ '1');

FILE_NAME( _

/* name */ '520.0600-0_0.stp',

/* time_stamp */ '2005-09-26T20:52:15',

/* author */ (''),

/* organization */ ('BC-Трейн'),

/* preprocessor_version */ '',

/* originating_system */ 'PLM STEP v.3.1',

/* authorization */ '');

FILE_SCHEMA(('CONFIG_CONTROL_DESIGN'));

ENDSEC;

DATA;

#13=DESIGN_CONTEXT('physical design',#11, 'design'); #14=PERSON_('0', '');

#15=ORGANIZATION('81205','BC-Трейн',''),

#16=PERSON AND ORGANIZATION(#14,#15);

#347=CALENDAR_DATE(2005,23,8);

#348=DATE_AND_TIME(#347,#20);

#349=PRODUCT('KB-BC,'Карданный вал ВС-Трейн','',(#12)); #350=APPROVAL_DATA_NIME(#348,#352); #351=APPROVAL_PERSON_ORGANIZATION(#16,#352'#45); #352=APPROVAL(#26,'');

#353=CC DESIGN APPROVAL(#352,(#354,#356));

ENDSEC;

END-ISO-10303-21;

Разработка организационно-нормативных и технических механизмов обмена является частью задачи по разработке корпоративной информационной системы (КИС) или другими словами «виртуального предприятия». Для наилучшего функционирования КИС необходимо, чтобы на каждом из предприятий корпорации было проведено внедрение PDM-системы для автоматизации технического документооборота. В таком случае интегрированная информационная среда каждого из предприятий будет включать: PDM-систему, АСУП, прикладные системы для создания и изменения данных об изделии (САПР, офисные пакеты и т.п.). В то же время, в любом случае потребуется наличие на каждом из предприятий хотя бы одной версии любой PDM-системы для организации обмена информацией.

Таким образом, обмен данными в КИС будет вестись между PDM-системами предприятий. Обмен проводится посредством «обменного пакета» (ОП), включающего все передаваемые данные об изделии. ОП сам по себе является электронным техническим документом и сопровождается электронной цифровой подписью. ОП включает: нейтральный обменный файл для передачи состава и основных характеристик изделия и набор файлов, хранящих документацию на изделие в форматах прикладных систем. ОП получается из PDM-системы предприятия через соответствующий конвертер. Аналогично, конвертер используется для загрузки ОП в PDM-систему принимающего предприятия.

В заключение можно с уверенностью утверждать, что применение CALS/PDM - технологий позволит повысить эффективность и сократить сроки освоения новых изделий.

Заключение

Использование CALS-технологий позволит включить учебный процесс в единое информационное пространство, что отвечает одному из приоритетных научно - технических направлений, даст возможность систематизировать получаемые студентами знания, создаст условия для их успешной работы по окончании университета.

Библиографический список

1. Управление жизненным циклом продукции / А. Ф. Колчин, М. В. Овсянников, А. Ф. Стрекалов, С. В. Сумароков. - М. : Анахарсис, 2002. - 304 с.

2. Автоматизированная разработка технического задания на проектирование объектов машиностроения / В. П. Быков, В. В. Быков, О. М. Орлов // Вестник машиностроения. - 2000. - № 7. - С.49-51.

3. Программно-методический комплекс для поддержки ранних стадий проектирования машин / В. П. Быков // Вестник компьютерных и информационных технологий. - 2005. - № 1. - С. 27-33.

4. Ранние стадии проектирования в условиях применения CALS-технологий / В. П. Быков, М. В. Овсянников // Вестник машиностроения. - 2008. - № 10. - С. 63-66.

5. Р 50.1.027-2001. Информационные технологии поддержки жизненного цикла продукции. Автоматизированный обмен технической информацией. Основные положения и общие требования.

Статья поступила в редакцию 30.04.2009;

представлена к публикации членом редколлегии А. А. Корниенко.

УДК 62-2

Я. С. Ватулин, С. К. Коровин

ДИАГНОСТИКА МАШИН С ПОМОЩЬЮ АЛГОРИТМА САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ АДАПТАЦИИ

В статье приводится алгоритм многопараметрического прогнозирования состояния машин. Данный алгоритм состоит из процедур прогнозирования и восстановления в сети прямого распространения с помощью одно- и двухслойных полносвязных нейронных сетей.

прогнозирование, восстановление, нейронные сети прямого распространения.

Введение

Для продления сроков эксплуатации машин и механизмов необходимо оценивать и прогнозировать их фактическое техническое состояние. Неопределенность воздействия внешней среды в будущем и отсутствие информации о состоянии машины при тех или иных внешних и внутренних условиях делают задачу прогнозирования частью сложного, не всегда алгоритмизируемого процесса, в котором тесно переплетаются эмпирические и теоретические изыскания. Другими словами, проблема теоретического плана при прогнозировании состояний сложных систем любой физической природы заключается в том, что система рано или поздно входит в область, где не бывала ранее [1].

1 Особенности прогнозирования технического состояния машин