CC BY
64
МОДЕЛЬ ИЗМЕНЕНИЯ СТАДИИ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ОБЪЕКТОВ КОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИИ
УДК 002.53; 002.53:004.65; 002.53:004.62/.63
Анна Александровна Вичугова,
аспирант, ассистент кафедры Автоматики и компьютерных систем, института Кибернетики,
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Тел.: 8(3822) 41-89-07, Эл. почта: anya@aics.ru
В статье рассмотрено понятие объектов проектирования космической промышленности. Показана возможность применения базовых положений теории графов для разработки модели изменений стадий жизненного цикла объектов проектирования. Разработан алгоритм представления структуры изменений их жизненного цикла в виде размеченного раскрашенного орграфа. Получена и проанализирована модель жизненного цикла объектов проектирования космической промышленности с целью дальнейшего использования в качестве алгоритмической основы для разработки соответствующего программного обеспечения.
Кпючевые слова: проектирование радиоэлектронных приборов, управление жизненным циклом изделия, информационная модель изделия, конструкторская документация.
Anna A. Vichugova,
Post-graduate student, teaching assistant, the
Department of Automatic Equipment and
Computer Systems,
Tomsk Polytechnic University,
Те1.: 8(3822) 41-89-07,
E-mail: anya@aics.ru
MODEL OF PHASE SHIFTS OF LIFECYCLES OF OBJECTS OF SPACE INSTRUMENTATION ON THE STAGE OF DESIGN PHASE
The concept of design object of space industry is considered in the article. The possibility of application of basic points of graph theory for development model to change the lifecycles of design objects is represented. The algorithm of presenting changes structure of the lifecycle of the objects is worked out in the form of mapped out colored digraph. The developed models and algorithms would be used as an algorithmic framework for the development of appropriate software.
Keywords: design of electronic devices, product lifecycle management, digital mockup, design documentation.
1. Введение
Требования к массогабаритным характеристикам продукции космической отрасли промышленности, в связи с особенностями условий ее функционирования, являются решающим ограничением при проектировании. При этом именно проектирование относится к ключевым видам деятельности и считается основным источником временных затрат. Главным результатом проектирования является конструкторская документация (КД), которая необходима для производства новой продукции. Первоисточником данных для КД является информационная модель изделия (ИМИ) - совокупность разработанных в системах автомагического проектирования (САПР) виртуальных образцов продукции. ИМИ является источником данных для формирования КД, необходимой для производства продукции [1]. Фактически ИМИ представляет собой файл формата САПР для описания каких-либо свойств изделия. Также ИМИ отражает состав изделия с точки зрения иерархии его составных частей, которую принято называть электронной структурой изделия (ЭСИ) [2]. Таким образом, проектирование включает в себя описание в различных САПР электронной структуры, электронной и информационной моделей изделия.
2. Постановка задачи
ИМИ является первичным документом для получения различных конструкторских документов (КД), входящих в основной и полный комплекты согласно [3]. Например, спецификация, один из самых важных конструкторских документов, необходимых для производства изделия, формируется на основе данных из информационных моделей, разработанных в различных САПР. Изменение ИМИ влечет изменение КД. Поскольку функции интерактивного проектирования и инженерных расчетов реализуются в ИМИ, основным назначением КД становится статическое представление информации об изделии по [3].
Обобщая понятия создаваемых в процессе проектирования сущностей (изделие, ИМИ, ЭСИ, КД), следует определить единый термин для их обозначения. Далее под термином «объекты проектирования» подразумевается проектируемое изделие, его электронная структура, информационные модели, и конструкторские документы, необходимые для его производства.
Отличительной чертой космического приборостроения является включение испытаний в процесс проектирования. В связи с повышенными требованиями к надежности продукции, испытания проводятся в несколько этапов, которые называют стадиями, например испытания лабораторных образцов, конструкторско-доводочные и предварительные испытания [6, 7]. Натурные испытания каждой стадии проводятся на реальном экземпляре изделия. Поэтому в рамках каждой стадии испытаний должен быть создан экземпляр изделия, а, следовательно, должен существовать комплект КД, необходимой для производства изделия. В основе документов на следующую стадию испытаний лежат данные предыдущих стадий. Таким образом, проектирование является стадийным процессом, при этом в рамках разработки одного изделия создается множество связанных с ним объектов.
Кроме того, высокие требования к надежности изделий космической промышленности обусловливают особый порядок разработки КД в части ее проверки и согласования. В бумажном документообороте согласование реализуется с помощью подписи согласующего лица. Для электронных документов используется электронная подпись (ЭП), которая реализуется специализированной программой, сертифицированной ФАПСИ/ФСБ, например, средства серии КРИПТОН/ Crypton, Sbersign, средства цифровой подписи Microsoft Windows, КАРМА и т.д. После того, как документ подписан ЭП, он не подлежит изменению. Однако, зачастую в процессе проектирования или во время испытаний возникает необходимость изменения КД, в том числе подписанных ЭП. Таким образом, при разработке одного изделия возрастает количество связанных с ним документов, которые должны быть сохранены.
В настоящее время для структурированного хранения информации об изделии применяются информационные технологии поддержки жизненного цикла
продукции, которые принято называть PLM (от англ. Product LifeCycle Management). Основные положения методологии PLM изложены в работах О. Шиловицкого, Д. Брауна, А. Мейер, Яблочникова Е.И., Молочникова В.И., Пестрецова С.И., Бакаева В.В., Д. Левина, В.Н. Малюха и других авторов. Центральное место в PLM-технологиях играет информационная система управления данными (СУД) о продукции. Кроме структурированного хранения информации об изделии, для реализации полноценного управления данными СУД должна поддерживать интеграцию с другими программными средствами, использующимися для поддержки ЖЦ изделия, в частности, САПР.
Интегрированное объединение различных информационных систем для поддержки ЖЦ изделий согласно методологии PLM принято называть PLM-решением. Сегодня существует множество готовых программных продуктов от крупнейших российских и мировых компаний-разработчиков программного обеспечения, например, ENOVIA, SmarTeam, Вертикаль, Lotsia PLM, Oracle PLM, Windchill, SAP PLM, TeamCenter, T-FLEX DOCs, Ë04MAH:PLM, 1C: PDM 2.0. Как правило, различные PLM-решения специфицированы для проектирования и производства на машиностроительных предприятиях аэрокосмической, автомобильной, оборонной, энергетических отраслей. Однако, несмотря на множество отраслевых решений для автоматизации как локальных этапов ЖЦ изделий, так и набора интегрированных между собой ИС, задача адаптации компонентов PLM-решения к особенностям космического приборостроения остается актуальной.
Управление ЖЦ объектов проектирования космического приборостроения, включает следующие задачи: учет подлинности документа согласно [3], взаимозависимость состояний ЖЦ элемента изделия и документов, связанных с ним, взаимозависимость документов ИМИ и КД.
Таким образом, возникает задача разработки алгоритмического и программного обеспечения управления жизненным циклом ОПКП, с учетом взаимозависимости их стадий ЖЦ, положений PLM-методологии, а также требований ЕСКД, в частности [3, 5]. Для этого следует описать структуру взаимосвязи объектов проектирования космической промышленности в стати-
ческом состоянии и динамику изменений их жизненного цикла в виде формализованных моделей и алгоритмов.
3. Алгоритм построения модели жизненного цикла ОПКП
Для описания структуры изменений ЖЦ объектов проектирования и их взаимосвязей с учетом ограничений космической промышленности, следует использовать соответствующие методов формализации, с помощью которых возможно описание статического состояния исследуемых объектов, а также их динамического поведения. Анализ этапов проектирования объектов космической промышленности [4], показывает дискретность состояний ЖЦ исследуемых объектов. Таким образом, можно сделать вывод, что для описания стадий жизненного цикла ОПКП целесообразно применение методов дискретной математики.
Из множества разделов дискретной математики следует выбрать те, методы которых позволять формализовать структуру взаимосвязей ОПКП и динамику изменения их ЖЦ. Такая формулировка задач соответствует положениям системного подхода, в основе которого лежит рассмотрение объекта как целостного множества элементов в совокупности отношений и связей между ними.
Учитывая структуру взаимосвязи различных типов ОПКП, целесообразно формализовать объекты исследования (изделие, ИМИ, КД, ЭСИ) и связь между ними с помощью базовых понятий теории множеств. Полученные таким образом отношения между ОПКП будут отражать типизацию объектов, что соответствует логической структуре представления данных в ИС. Используя базовые понятия теории множеств, основные положения которой изложены в работах Б.Больцана, Г. Кантора, Д. Гильберта, Б.Рассела, Э.Цермело, Бер-таланфи Л. фон и др., можно формализовать выявленные ОПКП (изделие, ИМИ, КД, ЭСИ) и связь между ними. Поскольку первоисточником данных для формирования ЭСИ и КД является множество ИМИ, справедливы следующие выражения:
- КБ ^ БМ (1), где КБ - множество конструкторских документов, а БМ -множество ИМИ;
- 1ТМ ^ БМ (2), где 1ТМ - множество элементов ЭСИ.
Однако, теория множеств позволяет формализовать статичное состояние исследуемых объектов, а управление
ЖЦ требует инструмента, который поможет представить динамические изменения стадий ЖЦ. Одним из таких инструментов является теория графов, которая, как и теория множеств, является разделом дискретной математики. Представляя структуру изменений стадий жизненного цикла ОПКП в терминах теории графов, можно отметить следующие положения:
- совокупность объектов в разных стадиях ЖЦ образует множество вершин графа;
- порядок изменения стадий ЖЦ отражается с помощью направленных ребер графа, связывающих его вершины;
- поскольку фактические действия по изменению ОПКП выполняют люди, то ребра графа отражают работы на протяжении ЖЦ объектов;
- стадии ЖЦ каждого типа ОПКП изменяются последовательно, что позволяет обобщить их в виде функции разметки вершин f: А ^ Б и соответственно определить последовательность работ по обходу вершин как функцию разметки дуг g : Я ^ Б. Таки образом, рассматриваемый граф является размеченным;
- с целью повышения наглядности графа рационально визуально разделить его вершины, соответствующие различным типам ОПКП с помощью раскраски их разными цветами.
На основе данных положений можно сделать вывод о целесообразности разработки алгоритма и модели формализации структуры изменений стадий жизненного цикла ОПКП. Полученный алгоритм и модель, в свою очередь, будут являться базисом для построения графических ЦМЬ-диаграмм, необходимых при разработке программного обеспечения управления жизненным циклом ОПКП в рамках РЬМ-решения.
Построение модели структуры изменений ЖЦ объектов проектирования в виде размеченного раскрашенного орграфа представляет собой отдельную нетривиальную задачу. Поскольку процесс разработки модели включает структурированную последовательность действий, следует представить ее в виде формализованного алгоритма из следующий шагов:
1. составить перечень типов объектов проектирования;
2. для каждого типового объекта проектирования определить последовательность изменений стадий ЖЦ;
3. каждую пару значений «типовой
объект проектирования, его стадия ЖЦ» представить в виде вершины графа;
4. с целью повышения наглядности, вершины графа с одинаковым типом объекта проектирования раскрасить одним цветом;
5. в соответствии с логической последовательностью процесса проектирования выбрать начальную и конечную вершины графа;
6. связать вершины графа в направлении логической последовательности изменения стадий ЖЦ типовых объектов проектирования от начальной вершины к конечной;
7. найти гамильтонов путь от начальной вершины к конечной, исключив петли, контуры, висячие вершины и инцидентные им ребра;
8. на основе гамильтонова графа выявить ключевые типы объектов проектирования, состояние ЖЦ которых определяет стадию ЖЦ остальных объектов;
9. для формирования алгоритмической основы для программного обеспечения следует разработать ЦМЪ-диаг-раммы, которые позволят формально описать последовательность изменений объектов проектирования и действий пользователей.
4. Модели изменения стадий жизненного цикла ОПКП
На основании представленного алгоритма следует формализовать структуру изменений стадий жизненного цикла ОПКП в виде размеченного раскрашенного графа. В соответствии с разработанным алгоритмом следует, прежде всего, составить перечень типов объектов проектирования. В перечень типовых объектов анализируемой предметной области входят следующие сущности: Изделие, ИМИ, ЭСИ, КД.
Далее рассмотрим логическую последовательность проектирования:
1. до начала проектирования изделие находится в стадии ЖЦ «Новое»;
2. как только в рамках одной стадии испытаний запущен процесс проектирования, изделие переходит в стадию ЖЦ «В разработке»;
3. запуск процесса проектирования означает начало разработки ИМИ, при этом в начале своего жизненного цикла ИМИ находится в стадии «Новая», при этом файл ИМИ, разработанный в САПР, находится на локальном компьютере разработчика;
4. для предоставления общего доступа к файлу ИМИ его следует опубли-
ковать в СУД, при этом стадия жизненного цикла ИМИ меняется на «Опубликована»;
5. в связи с итеративностью процесса проектирования и необходимостью накопления истории в СУД сохраняется каждая новая версия файла ИМИ, разработанного (редактированного) в САПР, при этом стадия жизненного цикла ИМИ меняется на «Новая версия»;
6. чтобы объявить окончание разработки ИМИ, последнюю версию этого объекта следует перевести в стадию ЖЦ «Выпущенная»;
7. при наличии в СУД нескольких ИМИ, которые характеризуют изделие с точки зрения электрического и механического проектирования и находятся в стадии ЖЦ «Выпущенная», следует программным образом сгенерировать ЭСИ.
8. для создания КД необходимо программным образом сгенерировать ЭСИ в стадии ЖЦ «Новая версия», полученную на основе данных ИМИ, хранящихся в СУД;
9. при наличии ЭСИ возможна генерация КД, которая будет находиться на локальном компьютере разработчика, в стадии ЖЦ «Новая»;
10. для предоставления общего доступа к сгенерированной конструкторской документации, ее следует опубликовать в СУД;
11. поскольку КД является визуальным представлением ЭСИ и специализированных данных ИМИ, именно этот объект, наряду с ИМИ, предоставляется для согласования уполномоченным лицам. При наличии замечаний в ИМИ и/или КД, полученной на ее основе, необходимо изменить первоисточник -ИМИ. При этом происходит возврат на
этап разработки в САПР новой версии ИМИ, и генерации новой версии КД на ее основе;
12. при отсутствии замечаний в ИМИ и/или КД, полученной на ее основе, ИМИ переходит в стадию ЖЦ «Согласована»;
13. чтобы объявить окончание разработки ИМИ и КД, следует программным образом изменить стадию жизненного цикла КД на «Выпущена»;
14. после окончательного выпуска КД рационально следует отметить итоговый вариант ЭСИ, изменив программным образом стадию ЖЦ ее последней версии на «Выпущена»;
15. после электронной подписи согласованных ИМИ, на основе которых была выпущена КД, ИМИ переходит в стадию ЖЦ «Оригинал», поскольку является первичным документом для генерации КД;
16. наличие ИМИ в стадии ЖЦ «Оригинал» разрешает перевод КД в стадию ЖЦ «Согласована»;
17. после электронной подписи согласованных конструкторских документов КД переходит в стадию ЖЦ «Подлинник»;
18. при наличии подлинников КД процесс проектирования в рамках одной стадии испытаний считается выполненным, и изделие переходит в стадию ЖЦ «Готово к производству».
Согласно второму этапу разработанного алгоритма представления структуры изменений ЖЦ объектов проектирования в виде размеченного раскрашенного графа, формализуем для каждого типового объекта проектирования последовательность стадий его ЖЦ в виде таблицы (табл. 1).
Анализ полученной таблицы позво-
Таблица 1. Объекты проектирования и стадии их жизненного цикла
№ Объект проектирования Стадия жизненного цикла
1 Изделие Новое
2 В разработке
3 Готово к производству
4 Информационная модель изделия (ИМИ) Новая
5 Опубликована
б Новая версия
7 Выпущена
8 Согласована
9 Оригинал (подписана ЭП)
10 Электронная структура изделия (ЭСИ) Новая версия
11 Выпущена
12 Конструкторская документация (КД) Новая
13 Опубликована
14 Новая версия
15 Выпущена
16 Согласована
17 Подлинник (подписана ЭП)
Рис. 1. Модель структуры изменений стадий жизненного цикла ОПКП в виде размеченного раскрашенного графа
ляет сделать вывод о количестве вершин графа. С целью повышения его наглядности, вершины графа с одинаковым типом объекта проектирования следует раскрасить одним цветом. Чтобы компактно представить вершины графа, рационально задать их численную нумерацию.
В соответствии с вышеизложенной логической последовательностью разработки изделия, за начальную точку графа следует принять вершину с парой значений «Изделие, Новое», а за конечную - «Изделие, Готово к производству». Далее, связав вершины графа в направлении движения от начальной вершины к конечной, получаем модель изменений стадий жизненного цикла ОПКП в виде раскрашенного размеченного графа (рис. 1).
Анализируя полученный раскрашенный орграф, можно сделать следующие выводы:
1. Движение по контурам орграфа означает генерацию новой версии проектируемых сущностей;
2. Граф является связным;
3. Для выявления ключевых объектов проектирования и процесса изменения их стадий ЖЦ в рамках единой стадии испытаний из полученного орграфа следует удалить контуры, висячие вершины и инцидентные им ребра;
4. Полученный в результате преобразования гамильтонов орграф является простым путем из начальной вершины с парой значений «Изделие, Новое» в конечную «Изделие, Готово к произ-
водству»;
Анализ полученного гамильтонова орграфа позволяет сделать следующие выводы:
- Типы объектов в полученном га-мильтоновом графе следует считать независимыми сущностями проектирования. Исключенные при поиске га-мильтонова пути вершины с типами объектов ЭСИ и КД, являются зависимыми сущностями, поскольку состояние их ЖЦ которых определяется ИМИ.
- На основе зависимостей ЭСИ и КД от данных, содержащихся в ИМИ, (1)-(2), целесообразно сформулировать следующие зависимости:
- ^ои ^ 8КВ П где 8рг0(1 - это состояние ЖЦ изделия, 8КВ - состояние ЖЦ конструкторской документации на него, 81ТМ - состояние множества элементов ЭСИ;
- 8КО ^ SDM, где 8ОМ - это состояние ЖЦ множества ИМИ.
5. Результаты
Полученные модели и выводы по ним будут использованы при разработке программного обеспечения управления жизненным циклом ОПКП в рамках РЬМ-решения. Однако, в основе программного обеспечения лежат, как правило, алгоритмические выражения в виде графических схем. Анализ методов графического описания и документирования программных систем, позволяет сделать вывод, что функциональные возможности ЦМЬ-инстру-ментария позволяют решить вышеперечисленные задачи.
Итак, разработанные модели и алгоритмы позволяют формализовать взаимозависимости объектов проектирования и, фактически, являются алгоритмической основой для разработки программного обеспечения управления ЖЦ объектов проектирования в рамках PLM-решения.
Литература
1. ГОСТ 2.052-2006. Электронная модель изделия. Общие положения.
2. ГОСТ 2.053-2006. Электронная структура изделия. Общие положения.
3. ГОСТ 2.102-68. Виды и комплектность конструкторских документов.
4. ГОСТ 16504-81. Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения.
5. ГОСТ 2.103-68* «ЕСКД. Стадии разработки».
References
1. 2.052-2006. Unified system for design documentation. Electronic model of product. General
2. 2.053-2006. Unified system for design documentation. Product electronic structure. General
3. 2.102-68. Unified system for design documentation. Types and sets of design documentations
4. 16504-81. The state system of testing products. Product test and quality inspection. General terms and definitions
5. 2.103-68* Unified system for design documentation. Stages of designing
