CC BY
87
УДК 623.4.01
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ РАЗРАБОТКИ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Т.В. Привалова, М.В. Карпов
Приводятся описание и обоснование организации программно-технического комплекса, реализующего цифровую технологию проектирования сложного технического изделия посредством комплексной автоматизации проектно-конструкторских работ на базе интеграции программных, информационных и технических средств в единый программно-технический комплекс. Рассматриваются основные принципы построения такого комплекса, состав и структура его программно-информационных средств.
Ключевые слова: автоматизация проектно-конструкторских работ, программно-технический комплекс.
В условиях конкуренции на рынке вооружений и военной техники одной из важнейших задач для предприятий, ведущих разработку новых образцов вооружения, является создание в сжатые сроки высоконадежных образцов техники с опережающим мировые стандарты уровнем характеристик на основе оптимальных технических решений и прогрессивных технологий.
Для разработки современного вооружения используются и постоянно совершенствуются сложные математические модели и расчетные алгоритмы, специализированные и универсальные программные продукты для функционального моделирования образца и всех его основных компонент. Внедряются автоматизированные системы проектирования, обеспечивающие выполнение целого круга конструкторско-технологических работ. Широко применяются трехмерное моделирование, всесторонний инженерный анализ. Разрабатываются конструкторская документация, управляющие программы для станков с числовым программным управлением и др. [1].
Однако разрозненное использование автоматизированных систем для выполнения отдельных фрагментов проектно-конструкторских работ не дает желаемого снижения трудоемкости и повышения качества проектирования изделий, сокращения времени изготовления опытных образцов.
Таким образом, в настоящее время сложилась противоречивая ситуация, когда, с одной стороны, при выполнении большого объема проектных работ преобладают традиционные малопроизводительные средства и методы и процесс проектирования остается трудоемким и длительным, а с другой - потенциальные возможности программно-технических средств и
современных информационных технологий (ИТ-технологий) для быстрого и качественного выполнения этих работ используются недостаточно эффективно.
Преодолеть эти противоречия и сократить временные и материальные затраты на проектирование в настоящее время можно в основном за счет более совершенных технологий, базирующихся на комплексной автоматизации работ, выполняемых при разработке новых образцов вооружения, в рамках программно-технического комплекса.
Программно-технический комплекс (ПТК) представляет собой взаимоувязанную совокупность программных, информационных и технических средств.
Автоматизация процесса разработки и модернизации вооружения строится на внедрении современных ИТ-технологий и создании автоматизированной системы разработки - программно-технического комплекса, обеспечивающего реализацию безбумажной технологии процесса разработки и модернизации образца, что в целом позволит снизить затраты, существенно повысить качество и сократить сроки разработки. Необходимыми условиями автоматизации являются формализованное описание технологического процесса проектирования, определение состава и структуры программно-технического комплекса и его структурно-функциональной модели [2].
Основные принципы построения программно-технического комплекса
При построении ПТК можно выделить следующие основные принципы:
1. Внедрение достижений научно-технического прогресса
Процесс разработки есть процесс объединения (синтеза) достижений различных областей науки и техники в ходе выполнения этих работ с целью создания изделия (объекта), отвечающего заданным требованиям. При создании ПТК должны использоваться последние научно-технические достижения в области ИТ-технологий, методов и средств автоматизированного проектирования, конструирования, производства и управления.
2. Системное единство
Объект проектирования рассматривается как единое целое, как система иерархического типа, в которой функционирование каждой компоненты подчинено интересам ближайшего верхнего звена и управлению ближайшим нижним звеном.
Сущность системного подхода состоит в выявлении всех основных взаимосвязей между переменными факторами и в установлении их влияния на поведение всей системы как единого целого. Системный подход предполагает; что взаимосвязь и взаимодействие элементов придают новые свойства исследуемому объекту, которые не присущи его отдельным элементам или их совокупности без системного объединения.
Система может функционировать нормально лишь в случае органического взаимодействия всех ее элементов, несмотря на то, что каждый из них играет самостоятельную роль в реализации целей системы. Каждый элемент самостоятелен и представляет собой некоторую обособленную, структурообразующую часть системы, но все они находятся в определенной иерархической зависимости.
3. Декомпозиция
При реализации системного подхода возникает ряд противоречий. Их можно разрешить, только используя комплекс моделей и разбив сложные модели на более простые (декомпозиция). Разделение автоматизированных систем разработки на составляющие (подсистемы) должно быть выполнено по наиболее слабым организационным и информационным связям. Правильная декомпозиция позволяет понизить сложность системы и упростить ее разработку.
4. Модульность
Все компоненты ПТК должны представлять собой логически независимые модули, которые могут использоваться как самостоятельные системы (автономно), так и взаимосвязанно (комплексно).
5. Интеграция
В ПТК необходимо объединение разнородных программных и информационных компонент, представленных различными разработчиками. Между специальным (специализированным) программным обеспечением и адаптированными программными средствами, обеспечивающими автоматизацию инвариантных работ, должно быть организовано взаимодействие. Модули интеграционной платформы играют роль информационного моста, соединяющего в единый комплекс программно-технические системы различных производителей, работающие с различными формами представления информации о проектируемом изделии.
6. Совместимость
Все компоненты ПТК должны обеспечивать возможность их совместного функционирования. Это требует их организационной, информационной и программной совместимости.
7. Стандартизация
В ПТК должно быть использовано максимально возможное число унифицированных, типовых и стандартных решений. Информационные модели разрабатываемого образца и информационное обеспечение должны быть стандартизованы.
В ПТК действуют единые, стандартизованные правила хранения, обновления, поиска и передачи информации. Это уменьшает затраты на создание ПТК, повышает надежность его функционирования.
8. Открытость
ПТК должен быть открыт для дальнейшего развития и модернизации, замены и введения в состав новых модулей.
9. Единое информационное пространство (ЕИП)
ЕИП необходимо для информационной интеграции всех процессов разработки и изготовления образца, а также для обеспечения эффективного коллективного использования ПТК специалистами предприятия.
Автоматизированные рабочие места объединяются в компьютерную сеть, интегрированное хранилище данных позволяет не дублировать данные об объекте проектирования и процессах, обеспечиваются актуальность, полнота и целостность информации.
Состав, организация и функции основных компонентов программно-технического комплекса
Сложной системой принято считать систему, состоящую из совокупности иерархически организованных подсистем.
Современные системы вооружения являются сложными техническими системами, состоящими из целого ряда взаимодействующих устройств.
Эти устройства, в свою очередь, содержат элементы различной физической природы, увязанные в единую конструкцию и выполняющие определённую задачу. Так, например, в управляемой ракете - это тепло-электромеханическая система, являющаяся исполнительным органом системы управления; газодинамическая система, обеспечивающая движение ракеты; импульсный гироскоп, обеспечивающий в системе управления преобразование команд из одной системы координат в другую. В аппаратуре системы управления ракетой используются оптические, электронные, радиотехнические и механические устройства. Планер объединяет все эти устройства в единое целое - ракету. Взаимодействие этих устройств обеспечивает решение поставленной задачи [1].
Для организации автоматизированного проектирования таких сложных технических изделий в состав базового программно-технического комплекса должно быть включено (рисунок) [3] следующее.
1. Специализированные функциональные программные подсистемы, обеспечивающие проектирование основных компонент (для управляемой ракеты - планер, двигательная установка, бортовой рулевой привод, радиоэлектронная аппаратура, оптико-электронная аппаратура система управления и т.п.) и выполнение инженерных расчетов, включая анализ аэродинамики, термодинамики, прочности, кинематики и динамики движения управляемой ракеты.
2. Специализированные коммерческие программные системы, в частности:
- для конструирования и разработки КД - системы трехмерного геометрического моделирования и конструирования (SolidWorks, Geometry Works3D и др.);
- для проведения инженерных расчетов - COSMOSWorks, COS-MOSMotion, COSMOSFloWorks, MatLab, MathCAD и др.;
- для проектирования РЭА - P-CAD, Altium Designer и др.
Состав и структура программно-информационных средств комплекса
3. Программные средства для обеспечения обмена данными между функциональными подсистемами и специализированными коммерческими программными системами для реализации сквозного цикла проектирования изделия.
4. Интегрированное хранилище данных, содержащее базы данных изделий.
5. Программные средства, обеспечивающие автоматизацию технологической подготовки производства на основе электронного состава изделия (включающего трехмерные геометрические модели деталей и сборочных единиц изделий и ассоциативно связанную с ними конструкторскую документацию), с использованием нормативно-справочной базы данных, содержащей информацию по материалам, применяемому оборудованию, оснастке, стандартным изделиям, нормативной документации.
Комплексная автоматизация технологической подготовки производства реализуется за счет интеграции специализированных приложений с системой ЗоНёШогкБ, что позволяет осуществить сквозной цикл подготовки производства на основе трехмерных геометрических моделей.
6. Программные средства, обеспечивающие автоматизацию испытаний, хранение и обработку результатов испытаний на базе информационно-поисковой системы.
7. Программные средства подготовки электронной эксплуатационной документации и электронных каталогов в соответствии с требованиями международных стандартов.
8. Средства защиты от несанкционированного просмотра и копирования базы данных документации при помощи электронных ключей.
9. Методики и описание работы с системой разработки электронной документации.
Поддержка коллективной работы специалистов различного профиля над проектом должна осуществляться посредством использования PDM-систем (Product Data Management - средства управления данными об изделии), обеспечивающих сбор, консолидацию и управление данными на этапах жизненного цикла изделий, включая этапы проектирования, технологической подготовки производства, испытаний и разработки конструкторской документации.
Для работы ПТК должно формироваться и поддерживаться в актуальном состоянии интегрированное хранилище данных, содержащее базы данных изделий (конструкторские, технологические, производственные, эксплуатационные электронные составы изделий, трехмерные геометрические модели, КД, ТД, результаты испытаний), нормативно-справочную базу данных (материалы, оборудование, оснастку, стандартные изделия, библиотеку параметризованных трехмерных геометрических стандартных изделий, электронную библиотеку нормативной документации).
Построение центров обработки данных, являющихся ядром информационной системы предприятий, должно базироваться на принципах, обеспечивающих исключительно высокий уровень надёжности хранения и доступности данных, выбора программных и технических средств по их реализации, а также взаимодействия программно-технического комплекса и таких центров.
Сетевая инфраструктура предприятия, поддерживающая технологию программно-технического комплекса, должна отвечать требованиям:
- информационной безопасности;
- высокого уровня отказоустойчивости и помехозащищенности;
- обеспечения высокой пропускной способности;
- масштабируемости без перестроения основной структуры с минимальными трудовыми и финансовыми затратами;
- многоуровневой структуры и сегментированности;
- централизованного управления ИТ-ресурсами предприятия.
Управление ИТ-ресурсами должно обеспечиваться за счет: дистанционного развёртывания на пользовательских компьютерах программного обеспечения и обновлений к нему; дистанционного управления ресурсами как отдельных компьютеров, так и групп; централизованного доступа пользователей к общедоступным сетевым ресурсам на различных серверах предприятия; обеспечения безопасности данных и программного обеспечения на серверах и рабочих станциях пользователей.
Автоматизированная технология должна сопровождаться методическим и нормативным обеспечением внедрения и практического использования программно-технического комплекса.
Создание программно-технического комплекса, поддерживающего автоматизированную технологию проектирования, является достаточно сложной задачей, требующей значительных ресурсов для ее выполнения.
Приоритетными направлениями можно назвать работы по созданию интеграционной платформы, интегрированного хранилища данных и средств управления проектом. Так как ПТК должен объединять в себе всю совокупность программного обеспечения, используемого в процессе проектирования с учетом опыта его эксплуатации, то это требует привлечения к процессу создания ПТК не только высококвалифицированных специалистов в области ИТ-технологий, но и опытных специалистов, занимающихся проектированием изделий.
Разработка ПТК должна вестись с учетом сложившейся на предприятии реальной структуры взаимосвязей, которая отражает распределение информационных потоков внутри предприятия, что необходимо для создания эффективной системы управления проектом, однако в ряде случаев может потребоваться изменение сложившейся организационной и информационной инфраструктуры предприятия.
Список литературы
1. Шипунов А.Г., Юдаев А.В. Комплексная автоматизация проектирования малогабаритных управляемых ракет: монография. Книга 1. Теоретические основы комплексной автоматизации проектирования малогабаритных управляемых ракет. Тула: ГУП «КБП», 2007. 210 с.
2. Юдаев А. В., Привалова Т. В. Проблемы разработки и внедрения программно-технического комплекса, реализующего безбумажную конвейерную технологию проектирования // Фундаментальные основы баллистического проектирования. Всероссийская научно-техническая конференция. 28 июня - 2 июля 2010: сборник материалов / под ред. проф. Б.Э. Кэр-та. СПб.: Балтийский государственный технический университет, 2010. В 2 т. Т. 2. С. 178 - 181.
3. Юдаев А.В., Привалова Т.В. Состав и структура программно-технического комплекса, поддерживающего безбумажную конвейерную технологию проектирования малогабаритных управляемых ракет: VII Конференция Волжского регионального центра РАРАН «Современные методы проектирования и отработки ракетно-артиллерийского вооружения», 1-3 июня 2011 года, г. Саров. С. 22.
Привалова Татьяна Владимировна, канд. техн. наук., начальник сектора, khkedratula.net, Россия, Тула, АО «КБП»,
Карпов Михаил Владимирович, начальник отделения, khkedratnla.net, Россия, Тула, АО «КБП»
PRINCIPLES OF DESIGNING A SOFTWARE AND HARD WARE SUITE FOR DEVELOPMENT OF SOPHISTICA TED TECHNICAL SYSTEMS
Т. V. Privalova, М. V. Karpov
The article contains description and substantiation of arrangement of a software and hardware suite, which realizes the digital technology of designing a sophisticated technical product hy means of comprehensive automation of research and development on the basis of integration of software and hardware assets into a single software and hardware suite. The article deals with the main principles of designing such a suite, as well as with composition and structure of its software assets.
Key words: research and development automation, software and hardware suite.
Privalova Tatiana Vladimirovna, candidate of technical sciences, chief of section, khkedr a tiila. net, Russia, Tula, JSC «KBP»,
Karpov Mikhail Vladimirovich, chief of division, khkedr a tiila. net, Russia, Tula, JSC «KBP»
УДК 681.3.011.56
ВАЛИДАЦИЯ И ВЕРИФИКАЦИЯ ВСТРАИВАЕМОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ НА РАННИХ СТАДИЯХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
В.М. Понятский, В.Г. Федорищева
Рассмотрена технология проверки разрабатываемой системы управления на ранней стадии проектирования с использованием инструментов MathWorks. Технология поддерживает реализацию подхода «от модели к программе» и включает процедуры создания связи модели с документом требований; проверку модели на соответствие стандартам моделирования; функциональное тестирование модели; анализ на покрытие модели тестами; проверку на ошибки проектирования; доказательство свойств модели и автоматическую генерацию тестов для 100%-го покрытия модели.
Ключевые слова: верификация, валидация, трассируемость, функциональное тестирование, анализ на покрытие.
По мере удешевления процессорных ресурсов и памяти встраиваемое программное обеспечение (ПО), применяемое повсеместно, значительно усложняется. Поэтому аспекты, связанные с разработкой систем повышенной надежности, начинают играть все более важную роль. Одно из решений заключается в повышении эффективности разработок путем использования программных инструментов для проектирования, генерации и отладки кода.
