CC BY
80
УДК 004.822
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА ПУТЕМ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПЕРЕХОДА ОТ РАЗЛИЧНЫХ CASE-СРЕДСТВ К СЕТЯМ ПЕТРИ
Р.С.Дорофеев1
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассматривается подход к построению модели технологической подготовки производства с помощью инструментальных CASE-средств, таких как BPWin и RationalRose, которые дают визуальное представление о рассматриваемом технологическом процессе, и переход к сетям Петри, представляющим собой одно из весьма развитых средств математического моделирования динамических процессов. Применение визуальных средств для построения наглядной модели сложных систем, состоящих из большого количества взаимосвязанных объектов, позволит построить актуальную базу знаний. Ил. 11. Библиогр. 10 назв.
Ключевые слова: математическое моделирование; BPWin; RationalRose; сеть Петри; Case-средства; подготовка производства; технологический процесс; технология машиностроения; конструкторская подготовка; технологическая подготовка; IDEF0; унификация; типизация.
SIMULATION OF THE PROCESSES OF PRODUCTION TECHNOLOGICAL PREPARATION BY SUCCESSIVE TRANSITION FROM DIFFERENT CASE-TOOLS TO PETRI NETWORKS R.S. Dorofeev
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664 074.
The article deals with an approach to build a model of technological preparation of production with the use of instrumental CASE-tools, such as BPWin and RationalRose, which give a visual representation of the discussed technological process as well as the transition to Petri networks. The last are highly developed means of dynamic process mathematical modeling. The application of visual aids for building a visual model of complex systems consisting of a large number of interrelated objects will allow to create an up-to-date knowledge base. 11 figures. 10 sources.
Key words: mathematical modeling; BPWin; RationalRose; Petri network; Case-tools; production preparation; technological process; technology of mechanical engineering; design preparation; technological preparation; IDEF0; unification; typification.
Введение. В статье рассматривается подход к построению модели технологической подготовки производства с помощью инструментальных САБЕ-средств для декомпозиции информационных процессов и приведения этой модели к математической путем последовательного преобразования. Эти средства относятся к разным областям моделирования, но при более глубоком рассмотрении видно, что они обеспечивают быстрое построение наглядных информационных моделей, легко модифицируемых, что необходимо при рассмотрении таких сложных систем [1].
В работе описан алгоритм построения многоуровневых сетей Петри для основных поведенческих диаграмм иМЬ Кроме того, описан новый вид диаграмм, для которых в явном виде указана связь между диаграммами состояний и диаграммами последовательности.
Спецификация машиностроительного предприятия. Для большинства машиностроительных предприятий характерна типизация системы подготовки производства, которая необходима при серийном и мелкосерийном производствах. При переходе к произ-
водству нового изделия подобная типизация позволяет сократить затраты.
В системе подготовки производства выделяют конструкторскую и технологическую подготовку, на базе которой осуществляется оперативно-календарное планирование, позволяющее усовершенствовать материально-техническое снабжение производства.
Производственные операции выполняются одним или группой работников на рабочем месте, представляющем собой оснащенную техническими средствами зону. Организация рабочего места - это оснащение средствами и предметами труда, размещенными в определенном порядке. Основные элементы оснащения рабочего места:
• Вспомогательное оборудование.
• Основное технологическое оборудование (станки).
• Технологическая оснастка (приспособления и инструмент).
Конструкторская и технологическая подготовка требует унификации и типизации. Унификация кон-
1Дорофеев Роман Сергеевич, аспирант, тел.: 89500858769, e-mail:rdobermann@list.ru Dorofeev Roman, Postgraduate, tel.: 89500858769, e-mail: rdobermann@list.ru
структорской подготовки требует выделения изделий, состоящих из узлов и деталей. Наиболее мелкими объектами являются детали, которые должны быть типизированы (определены их классы, подклассы, группы, типы).
Основными направлениями унификации являются типизация технологических процессов и групповой метод обработки деталей. Типовые процессы разрабатываются для однотипных деталей массового производства, групповые операции - для условий серийного производства. Типизация технологических процессов основана на типизации деталей. Каждая деталь имеет несколько обрабатываемых поверхностей, при обработке которых используется различная оснастка [2].
Типовой технологический процесс представляет собой совокупность операций.
Группа деталей характеризуется общностью оборудования, оснастки, наладки и технологического процесса. На основе деталей группы создается комплексная, виртуальная деталь, которая содержит все поверхности деталей группы. Такой детали ставится в соответствие групповая технологическая операция. Более общим случаем является выделение групп операций, выполняемых на различных видах оборудования и образующих групповой технологический процесс. Зная количество деталей каждой группы и нормы времени обработки каждой детали, можно обеспечить бесперебойную загрузку станка.
Информационное моделирование с использованием BPWIN. В качестве начального этапа описания связей рассматриваемой предметной области может быть предложено CASE-средство BPWIN, использующее язык моделирования IDEF0 и дающее возможность наглядно представить любую деятельность в виде процессов, декомпозируя их на более мелкие. Это позволяет оптимизировать процесс про-
изводства, снизить издержки, исключить ненужные операции, повысить гибкость и эффективность.
Под моделью в IDEF0 понимают описание системы, которое должно дать ответ на некоторые заранее определенные вопросы. Взаимодействие системы с окружающей средой можно представить следующим образом.
1. На Вход системы из внешней среды поступает некая сущность (материальный ресурс, информация), которая обрабатывается системой.
2. Результат деятельности системы поступает на Выход.
3. Правила и процедуры, в соответствии с которыми осуществляется функционирование системы, можно представить как Управление.
4. Любые виды ресурсов, необходимых для функционирования системы, можно именовать термином Механизм [3].
Тогда система преобразует входы в выходы, находясь под управлением и используя механизмы.
После описания системы в целом выполняется декомпозиция ее на крупные фрагменты. Уровней декомпозиции может быть несколько - до достижения нужного уровня подробности описания.
Работы диаграмм изображаются в виде прямоугольников, а взаимодействие работ с внешней средой и между собой описывается в виде стрелок. Изобразим основную контекстную диаграмму и два уровня ее декомпозиции для описания технологического процесса изготовления конкретной детали на токарном станке (рис. 1-3).
Проведение подобной работы для всех техпроцессов (типовых и групповых) позволило бы представить всю техническую подготовку производства в наглядной форме.
Применение визуальных средств для построения модели сложных взаимосвязанных объектов позволит в конечном итоге построить актуальную базу данных.
гост
1
Заготовка ТП детали на токарном станке Детзгь
0 л ^
Т<Щ?К1|К СТаЮЖ
Рис. 1. Контекстная диаграмма технологического процесса (ТП) изготовления детали на токарном станке
Окончательная кразоиэ
Рис. 2. Первый уровень декомпозиции процесса
Рис. 3. Декомпозиция работы «Установка 1»
Информационное моделирование с использованием Rational Rose. Представим вышеизложенную декомпозицию процесса изготовления детали на токарном станке с помощью диаграммы последовательности CASE-средства Rational Rose 2006 фирмы IBM Rational Software Modeler. Пакет Rational Rose использует метод объектно-ориентированного анализа и проектирования и предназначен для визуального построения объектной модели системы. В данном пакете для этой цели используется унифицированный язык моделирования UML (Unified Modeling Language), который позволяет создавать несколько типов визу-
альных диаграмм: диаграммы вариантов использования (Use Case), диаграммы последовательностей (Sequence), диаграммы классов (Classes), диаграммы действия (Activity), диаграммы состояний (StateChart) и др. [4]. Диаграмма последовательности акцентирует внимание на временной упорядоченности сообщений. В качестве механизмов на данной диаграмме будут выступать актеры (Actors), которые показываются в виде «человечков». Опустим на данных диаграммах управляющие воздействия. На рис. 4-6 показаны диаграммы последовательности для технологического процесса изготовления детали.
Заготовка ТП детали на ' Деталь
токарном станке : Токарный станок
1: Поступление
2: Поступление
->1
3: Обработка :
4: Результат
Рис. 4. Диаграмма последовательности для технологического процесса изготовления детали
на токарном станке
Рис. 5. Развернутая диаграмма последовательности для технологического процесса изготовления детали
на токарном станке
Рис. 6. Диаграмма последовательности процесса работы «Установка 1»
Аналогичные диаграммы можно построить для «Установки 2» и «Установки 3».
Возможности сетей Петри. Хорошая математическая модель характеризуется тем, что наряду с описанием предметной област позволяет анализировать некоторые свойства моделируемых систем. Для того чтобы диаграммы им^ обладали таким свойством, необходимо описать их формальную семантику. В качестве такой семантики используются многоуровневые сети Петри [5] - математический аппарат для моделирования динамических дискретных систем [6], впервые описанных Карлом Петри в 1962 году.
Сеть Петри представляет собой двудольный ориентированный граф, состоящий из вершин двух типов - позиций и переходов, соединённых между собой дугами; вершины одного типа не могут быть соединены непосредственно. В позициях могут размещаться метки (маркеры), способные перемещаться по сети. Событием называют срабатывание перехода, при котором метки из входных позиций этого перехода перемещаются в выходные позиции. События происходят мгновенно, асинхронно при выполнении некоторых условий. Позициями, как правило, моделируют состояния системы, переходами - её деятельность [5]. Сеть Петри представляется тройкой
N = P, F),
где Р = {p1,p2,pз.....рп} - конечное множество позиций и
T = {t1,t2lt3,___,tm} - конечное множество переходов,
причем множество позиций и переходов не пересекаются: Р П Т = 0.
ние диаграммы последовательности на части специального вида и сопоставление каждой такой части некоторой конструкции многоуровневой сети Петри [6].
Преобразование будем выполнять по следующему алгоритму:
Рис. 7. Пример сети Петри: р-р4 - позиции; - переходы; черная точка - метка
F является отношением Р и Т:
F П (Р х Р) = F П (Т х Т) = 0.
N является функцией т: Р ^ {0,1,2,3, ...}, где каждой позиции р е Р присваивается маркер. Маркер используется, чтобы показать начальную позицию.
Авторы работ [7-9] предприняли попытку разработать формальную семантику диаграмм им^ на основе обыкновенных сетей Петри. Многоуровневые сети Петри - это расширение формализма обыкновенных сетей Петри, такое, что в позициях сетей могут нахо-
1. Декомпозиция диаграммы последовательности в отдельные фрагменты.
2. Преобразование каждого фрагмента в эквивалентные части сети Петри.
3. Замена и подстановка блоков сети Петри для представления сетью Петри исходной диаграммы последовательности.
Вышеописанный алгоритм графически показан на рис. 8, где т - передаваемое сообщение (переход) на диаграмме последовательности.
Рис. 8. Переход от диаграммы последовательности к сети Петри
диться другие многоуровневые сети Петри. Многоуровневые сети Петри [10] имеют механизм синхронизации сетей, находящихся на различных уровнях. Формализм многоуровневых сетей Петри хорошо подходит для моделирования сложных, иерархических, мультиагентных систем.
Сети Петри, наряду с наглядным описанием функционирования системы, предоставляют хорошо описанную теорию анализа семантических свойств.
Рассмотрим алгоритм построения многоуровневой сети Петри для диаграммы последовательности.
Построение сетей Петри на основе имь диаграмм. Основная идея построения сети - разбие-
На первом этапе разбиваем диаграмму последовательности таким образом, чтобы в каждом фрагменте обязательно было только одно передаваемое сообщение (один переход). На следующем шаге преобразуем каждый фрагмент в эквивалентную часть сети Петри, т.е. заменяем сообщение переходом ^ а каждый элемент диаграммы последовательности заменяем позицией р, затем производим замену и подстановку ("собираем") полученных блоков в единую сеть Петри.
В результате получаем сети Петри по диаграммам последовательностей (рис. 9-11).
Рис. 9. Сеть Петри для технологического процесса изготовления детали на токарном станке
Рис. 10. Сеть Петри для развернутой диаграммы последовательности технологического процесса изготовления детали на токарном станке
Рис. 11. Сеть Петри для диаграммы последовательности процесса работы «Установка 1»
Цифрами отмечены переходы, соответствующие переходам на диаграмме последовательности.
Заключение. В результате рассмотрения различных визуальных средств моделирования был осуществлен переход от визуального представления к математической модели технологического процесса изготовления конкретной детали на токарном станке. Удалось показать возможность перехода от одних САБЕ-средств к другим, что позволило отобразить
одну и ту же модель с разных сторон. Описанный в статье алгоритм последовательного перехода позволит специалистам в различных областях, имея одну из вышепредставленных информационных моделей, методом последовательного преобразования прийти к той, которая бы более полно соответствовала их представлениям о модели представления производства.
Библиографический список
1. Сосинская С.С. Объектное моделирование в задаче выбора оптимального варианта технологического процесса // Материалы 3-й Всероссийской конференции «Винеровские чтения» [электронный ресурс]. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009.
2. Митрофанов С.П. Научная организация машиностроительного производства. Л.: Машиностроение, 1976. 712 с.
3. Методология ЮЕР0 и программный продукт ВР\мп: учебно-методическое пособие. Нижний Новгород, 2007. 28 с.
4. Вендров А.М. Практикум по проектированию программного обеспечения экономических информационных систем: учеб. пособие. М.: Финансы и статистика, 2002. 192 с.
5. Котов В.Е. Сети Петри. М.: Наука, 1984. 160 с.
6. Немцан М.Ю. Трансляция диаграмм унифицированного языка моделирования в многоуровневые иерархические сети Петри // Электронный сборник «Восьмая международ-
ная конференция "Дискретные модели в теории управляющих систем"». М.: ВМК МГУ им. М.В.Ломоносова, 2009.
7. Z. Hu, S. M. Shatz. Mapping UML Diagrams to a Petri Net Notation for System Simulation. Concurrent Software Systems Laboratory University of Illinois at Chicago.
8. J. A. Saldhana, S. M. Shatz. UML Diagrams to Object Petri Net Models: An Approach for Modeling and Analysis. Department of Electrical Engineering and Computer Science University of Illinois at Chicago.
9. M. A. Ameedeen, B. Bordbar. A Model Driven Approach to Represent Sequence Diagrams as Free Choice Petri Nets. School of Computer Science University of Birmingham.
10. Ломазова И.А. Вложенные сети Петри: моделирование и анализ распределенных систем с объектной структурой. М.: Научный мир, 2004. 208 с.
