CC BY
620
УДК 681.5:004.414
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Н. К. Юрков /—--------------
Введение
Системный подход подразумевает всесторонний анализ предметной области. Основными методами системного анализа являются блочно-модульный метод, метод CALS-технологий (Continuous Acquisition and Life-Cycle Support), метод классификации, метод морфологического анализа, метод функционально-стоимостного анализа и метод структурного анализа и проектирования, методология SADT (Structural Analysis and Design Technique) [1].
Блочно-модульный подход позволяет формировать блочно-модульную структуру рациональных компонентов сложных систем.
При наличии множества информационных технологий возникают трудности по применению типовых структур для полнофункциональной реализации задач принятия решений в программно-технических комплексах. В этих условиях целесообразно последовательно, но в комплексе применять блочно-модульный подход, обеспечивающий реализацию сложных систем по отдельным компонентам.
CALS-технология, реализующая жизненный цикл сложных систем, является той базовой информационной технологией, к которой целесообразно привязывать множество других информационных технологий.
SADT-методология структурного анализа и проектирования позволяет интегрировать про-цесы моделирования, управления конфигурацией проекта, использования дополнительных языковых средств и руководство всем проектом со своим графическим языком. Процесс моделирования может быть разделен на несколько этапов: опрос экспертов, создание диаграмм и моделей, распространение документации, оценка адекватности моделей и принятие их для дальнейшего использования. Этот процесс хорошо отлажен, потому что при разработке проекта специалисты выполняют конкретные обязанности, а библиотекарь обеспечивает своевременный обмен информацией. Современный уровень информационных технологий предоставляет богатый выбор методов для создания автоматизированной поддержки SADT [2].
Выделение фактов из описания предметной области вида «объект - атрибут - действие» позволяет представлять знания как набор правил, каждое из которых состоит из двух частей: из антецедента и консеквента или условия и результата, или (как в порождающей грамматике) левой и правой частей. Такая концепция позволяет использовать системы продукции [3].
Во всех задачах оценки эффективности систем в иерархической структуре критериев на верхнем (первом) уровне находятся: полезность системы (выходные характеристики, важность, актуальность, перспективность, область применения (критерии второго уровня)); качество функционирования (помехозащищенность, точность, надежность, чувствительность, качество управления); организация системы (совершенство структуры, сложность и т.д.); эволюционная эффективность (осуществимость, ресурсы, возможности модификаций и другие характеристики развития); экономическая эффективность.
Декомпозиция системы всюду продолжается до тех пор, пока на нижнем уровне не будут получены элементы, принадлежащие разработанным типам, или сформулированы задачи создания необходимых элементов [1].
Зависимости между критериями выявляются, например, методами факторного анализа и математической статистики и представляют собой эмпирические закономерности или получаются на основе процедур оценки гипотез и взвешивания факторов.
Функционал качества принимался в виде
Ф(5 )= f X т + a-^ + br + с-, X m = min {X, ^ r = max I,
X m r i i { m J
где (—X ) - корни характеристического полинома, X, > 0 i = 1, k ; f, a, b, с - весовые константы.
В настоящее время наблюдается существенный разрыв в реализации процессов применения вычислительных систем при проектировании сложных технических систем (СТС), а также при подготовке их производства средств автоматизации производственных процессов. Все системы развивались независимо - системы CAD (Computer-Aided Design), системы CAM (Computer-Aided Manufacture) и системы компьютерного формирования и описания технологических процессов.
С целью повышения качества СТС, для уменьшения их себестоимости и сроков освоения в мировой практике широко используются производственные информационные технологии. Так, для генерации идей широко используются базы знаний, экспертные системы. При проведении научных исследований применяются автоматизированные системы научных исследований (АСНИ). В проектировании СТС и технологий их изготовления все более широкое распространение получают системы автоматизированного проектирования (САПР) различного назначения. В производстве СТС применяются автоматизированные системы управления. Применение данных автоматизированных систем позволяет увеличить производительность труда и повысить качество выпускаемых изделий.
Более значительный эффект обеспечивается при объединении этапов создания СТС на основе использования информационных технологий. Результатом такого объединения является компьютеризированное интегрированное производство или Computer Integrated Manufacturing (CIM), CASE-технологии (Computer Aided Software Engineering) и методики [4].
В мировой практике в последнее десятилетие в различных сферах производства и эксплуатации образцов СТС интенсивно ведутся работы по созданию и практическому использованию прикладных CALS-технологий. В настоящей работе разрабатываются формальный подход, методы и средства создания информационных технологий ситуационного управления процессами конструкторско-технологической подготовки производства СТС применительно к условиям и требованиям всех фаз жизненного цикла образцов заданного класса.
Системный подход к проблеме проектирования СТС
Современный уровень развития производства указывает на настоятельную необходимость новой методологии проектирования СТС, создаваемой на основе формализации процесса проектирования, а также разработки новых принципов использования современных информационных технологий и программных комплексов, позволяющих учесть методы и средства реализации автоматизированной разработки СТС на каждом из этапов жизненного цикла, а также возникающие особенности каждого предприятия. При этом следует предусмотреть применение современных тенденций в развитии CALS-технологии - «виртуальные предприятия».
Традиционный путь «от конструкции к технологии» во многом устарел, так как именно современные технологии во многом определяют конструктивное решение синтеза СТС. Структура предприятия меняется от традиционной иерархической к структуре «команд процессов», в которой главными действующими лицами являются владельцы ресурсов, владельцы процессов и операторы процессов. В современной сложной системе создания СТС технология изготовления во многом является определяющим фактором для процесса проектирования конструкции.
Предлагается осуществить не иерархический, а сетевой подход, т.е. управление проектированием СТС должно вестись не по иерархическому, а по сетевому принципу, в котором техническое задание передается сразу на этапы как конструкторской, так и технологической подготовки производства. В варианте традиционных иерархических отношений рассчитывать на существенный выигрыш эффективности проектирования не приходится. В настоящее время выиграть могут команды с лидерами в различных предметных областях и видах обеспечения процесса синтеза СТС.
Традиционная информационная технология разработки СТС допускает дублирование и несогласованность данных, включение в рассмотрение недостаточно перспективных вариантов, в то
время как часть возможных решений остается вне поля зрения, допускает ошибки и потери информации и времени при ее передаче и обработке на основе средств CALS-технологии.
Идея создания интегрированных систем возникла уже давно. Первым шагом была интеграция в единый пакет решений CAD/CAM, но вопрос создания интегрированных с CAD-системами систем технологической подготовки производства остается нерешенным.
Целью создания интегрированных САПР является сокращение трудоемкости и сроков технической подготовки производства за счет совмещения этапов конструкторского и технологического проектирования и их автоматизации.
Необходимо организовать системную интеграцию при управлении жизненным циклом (ЖЦ) СТС, обеспечивающую передачу интеллектуальной собственности предприятия из систем CAD, производства и управления по всему предприятию, тем самым организуя обмен информацией с прочими подразделениями предприятия. В целях быстрого принятия лучших решений интеграция должна осуществляться на уровне процессов за счет установления рациональных правил и снижения затрат на экспертизу, автоматизации рабочих потоков и управления изменениями, а также за счет стандартизации методов совместного функционирования на уровне различных подразделений предприятия, поставщиков и подрядчиков, что будем рассматривать как организационную интеграцию.
Отсутствие системного подхода к проблеме автоматизации и тем более интеллектуализации процессов создания и эксплуатации СТС привело к тому, что локальная автоматизация отдельных этапов ЖЦ не дает ожидаемого существенного экономического эффекта, несмотря на то, что инвестиции в этот процесс весьма велики.
Предлагается функции конструирования, как на этапе конструкторской подготовки производства (КПП) - при проектировании основных изделий, так и на этапе технологической подготовки производства (ТПП) - для проектирования технологического оснащения и операционных эскизов, выполнять совместно в единой системе.
Обе системы (КПП/ТПП) должны обладать широким спектром функциональных возможностей, позволяющих накапливать и использовать приобретенные ранее знания и опыт проектирования - базу знаний, включающую прототипы изделий и технологические процессы их изготовления, нормативно-справочную информацию, правила проектирования и т.д. Для этого необходимо иметь набор модулей обработки знаний и специальный язык технологического проектирования.
Таким образом, систематизация методов построения моделей, которая заключается в создании методологии построения моделей широкого класса объектов проектирования (изделий, процессов), в разработке способов «стыковки» этих моделей, способов учета результатов исследования одних моделей при использовании других, а также согласование моделей и оперативная смена их параметров могут служить основой проектирования СТС. Это позволяет решить проблему высокоэффективного управления сложными иерархическими распределенными производственными комплексами за счет развития единого системного подхода на основе синтеза концептуальной модели предметной области.
Сформулированная системная цель определяет системные стратегии и схему структурной организации, которая в свою очередь определяется построением комплекса целей, включающих в себя цели системных стратегий. Для каждой цели определяются критерии и показатели, характеризующие их выполнение при заданных системных стратегиях. Затем формируется комплекс реакций, достигающих эти цели.
Разработка сложных технических систем
Относительная простота решения проблемы выработки проектных решений на отдельных этапах жизненного цикла СТС обеспечила создание эффективных методик решения весьма существенных, но в то же время отдельно стоящих задач, таких как проектирование, производство и эксплуатация сложных изделий. В то же время при этом наблюдается резкое различие в степени проработанности решения задач выработки проектных решений на различных этапах ЖЦ. Так, до сих пор передовые методологии проектирования во многих случаях не поддерживаются досконально проработанными и научно обоснованными методами машинного проектирования технологических систем, не говоря уже о процессах эксплуатации и утилизации промышленных изделий.
Существующий уровень автоматизации выработки проектных решений на этапах ЖЦ не может удовлетворять современным требованиям.
На этапе синтеза проектных решений, разработки первичного облика создаваемой системы принимается до 80 % решений, определяющих основное устройство и соответственно затраты на его создание. Недостаточность концептуально-теоретического аппарата, обслуживающего современную инженерную практику, приводит к тому, что принятие проектных решений происходит на основе эвристических процедур.
Рост масштабов и сложности создаваемых промышленных изделий требует дальнейшего развития концептуальных идей и соответственно инструментария обеспечения начальных этапов разработки, которые в значительной мере определяют технический облик создаваемого изделия и объем затрат на его производство.
Единое информационное пространство - это единая информационная среда, реализуемая средствами PDM (Product Data Management) системы и обеспечивающая совместную, согласованную работу конструкторов, технологов и других специалистов предприятия при выполнении работ по подготовке производства. Помимо информации об изделии (или продукте), в сфере ТПП не менее важную роль играет информация о процессах изготовления данного продукта, а также о ресурсах, необходимых для этого изготовления. Таким образом, ЕИП ТПП включает в себя информацию о продукте, процессах и ресурсах, которая может совместно использоваться конструкторами, технологами, управленцами и другими специалистами.
Интеграция базируется на использовании в процессе проектирования единых унифицированных конструктивно-технологических модулей (КТМ) - взаимосвязанных унифицированных фрагментов изделий (конструктивные модули) и фрагментов технологических процессов их изготовления.
Проектирование (как конструкторское, так и технологическое) осуществляется в едином цикле на этапе КПП, что значительно сокращает цикл технической подготовки производства. При проектировании изделий с помощью КТМ конструктор использует знания множества специалистов в области конструирования, технологии изготовления, стандартизации и другую информацию, заложенную в КТМ.
Система технологического проектирования должна обеспечивать два основных метода автоматизации технологического проектирования, как на базе типовых технологических процессов, так и на базе синтеза техпроцесса из элементарных технологических решений. Если в качестве КТМ принимается деталь и с ней ассоциируется технологический процесс, то реализуется первый метод. Если же в качестве КТМ принимаются фрагменты ТП, то реализуется второй метод.
Современные представления о системной организации основываются на идеях Л. фон Бер-таланффи, Н. Винера и других ученых. Систему можно рассматривать как организованный механизм - целостный механизм целесообразной организации обстоятельств. Эти обстоятельства возникают как результат хаотичного хода внешних событий. Оказывая на них воздействие, система формирует процесс достижения цели. Ее работа как организационного механизма заключается в синтезе процесса достижения цели из фрагментов разнородных процессов, составляющих внешние обстоятельства.
Наличие теоретически обоснованных процедур концептуального моделирования и развитие возможностей математического моделирования процессов функционирования технических систем позволяет развить существующие аспекты автоматизации проектирования СТС.
Предлагается подход, позволяющий интерпретировать закономерности построения (в первую очередь структуры целей и структуры действий) системы в отношении устройства искусственных (в частности, технических) систем и управления ими. Современный уровень теоретического описания гомеостаза достаточен для использования в инженерной практике. Он позволяет с высокой степенью конкретности и определенности использовать закономерности структурно-функционального построения системы при проектировании разнообразных технических объектов.
Если локальные цели конструкторского проектирования возможно реализовать существующими коммерческими пакетами прикладных программ (ППП), то «за кадром» остаются не менее существенные проблемы, решение которых до сих пор не найдено.
Это хорошо иллюстрируется практически полным отсутствием систем поддержки принятия управленческих решений на всех этапах ЖЦ изделия, кроме, пожалуй, этапа конструкторского
проектирования. Именно расширение зоны действия автоматизированных программ выработки проектных решений на всех этапах ЖЦ и составляет предмет нашего исследования.
В настоящее время после конструкторского проектирования, которое осуществляется на основе хорошо отлаженных коммерческих пакетов прикладных программ, на дальнейшие этапы ЖЦ передается уже готовое конструкторское решение, и методология управления дальнейшими проектными решениями, по существу, сводится к подгонке существующей технологической, производственной и т.п. базы под готовое решение. На этих этапах исключен творческий процесс создания нового изделия, а приходится работать с наперед данными изделиями. Процесс доводки занимает много времени, требует множеств согласований, что резко снижает эффект от проведенной автоматизации этапа конструкторского проектирования.
Ощущается существенный недостаток системности при решении комплексной задачи обеспечения эффективности функционирования систем поддержки принятия решений на всех этапах ЖЦ. Необходим единый подход, связывающий воедино процессы управления на всех этапах ЖЦ СТС, исключающий повторы и дублирование многих расчетных процедур, применяемых разными группами разработчиков.
Процесс проектирования сложных наукоемких изделий неразрывно связан, а во многом и определяется процессами переработки информации, работой с информационными объектами (математическими, графическими и т.п. моделями). Поэтому синтез концептуальных моделей предметной области проектирования целесообразно провести на основе методологии создания концептуальных моделей информационных систем [3].
Построение концептуальной модели является первым этапом синтеза любой математической модели. Неосознанно она реализуется постоянно при разработке конструкций СТС в виде существующего в голове проектировщика прототипа некоторого конструктива, над созданием которого он работает (если в голове у конструктора нет концепции будущего изделия, то никакая автоматизация не позволит ему создать современное изделие). Прототип может иметь вполне реальную реализацию либо быть гипотетическим.
Концептуальное проектирование, на наш взгляд, позволит учесть передовой опыт и существующий на предприятии уровень технологий, опыт эксплуатации, утилизации и т.д. на начальном этапе проектирования.
Основой построения концептуальной модели может выступать проектная модель технической системы, представимая комплектом технической документации. Она позволяет накапливать и хранить сведения о создаваемой системе, появляющиеся по мере конкретизации представлений об ее устройстве, начиная с момента формулирования цели их создания.
Процесс разработки сложной технической системы можно представить с помощью рис. 1.
Рис. 1. Содержание процесса разработки сложной технической системы
Комплекс причинно-следственных связей определяет структурированную совокупность действий, обеспечивающих целесообразность функционирования технической системы и ее целостность. Выполнение этих действий осуществляется с помощью соответствующих устройств, что позволяет разработать аппаратное и конструктивное устройство создаваемой технической системы [5].
Это позволяет определить технологию процесса разработки СТС, общая схема которой представлена на рис. 2. Она включает два основных этапа: разработку концептуальной модели и разработку количественной модели. Сложность интеграции указанных этапов, в особенности автоматизации синтеза концептуальной модели предметной области и обеспечения информацион-
ного согласования этого процесса с промышленными пакетами САПР, и определяет актуальность данной работы.
Сформулированная системная цель определяет системные стратегии и схему структурной организации, которая в свою очередь определяется построением комплекса целей, включающих в себя цели системных стратегий. Для каждой цели определяются критерии и показатели, характеризующие их выполнение при заданных системных стратегиях. Затем формируется комплекс реакций, достигающих эти цели. Это позволит определить состав естественных процессов, из которых будет синтезирована схема функционирования технической системы. Их свойства будут использоваться как ресурсы управления, которые могут выступать как пассивными (реализуемыми в конструкции), так и активными (реализуемыми в виде устройств) механизмами управления.
Выявленный состав процессов дает возможность формирования математического описания процесса функционирования технической системы [6].
На основе этого формулируется структурированный комплекс целей, характеризующий организацию технической системы, и действий, реализующих функции, обеспечивающие целесообразность и целостность работы концептуальной модели [7].
Количественное моделирование представляет собой формализацию понятийного описания до уровня получения количественных оценок. Тогда же осуществляется разработка математических, графических и т.п. моделей.
Разработка концептуальной моделей
Рис. 2. Общая схема процесса разработки СТС
В качестве модели формального описания предметной области ситуационного управления процессами проектирования СТС используется кортеж составляющих вида
Mпо =(Moy, WeBM, Rer, O, П, Q, Y, D, К, H, Д,
(S S F F \
MП, MСНПИ, MП, MСНПИ I - модель представления объекта управления, здесь
Mj,M,СНПИ - структурно-конструктивная модель процесса проектирования СТС; Mj, M^^^ -функциональная модель процессов проектирования СТС. В качестве указанных моделей используются дифференциальные и алгебраические системы уравнений, полихроматический направленный логический граф и нечеткие уравнения в отношениях: W]^ - подмножество критичных факторов внешнего мира (среды); Rer - подмножество критичных процессов проектирования и режимов функционирования СТС заданного класса; О - перечень класса проектируемых предприятием СТС; П - подмножество последовательностей экспериментов оценки степени технико-экономического совершенства методов, средств проектирования и проектных решений СТС; Q - допустимое подмножество нештатных ситуаций объектами управления; Y - подмножество вход-выходных показателей (параметров, признаков), характеризующее состояние объекта управления; D - допустимое подмножество маршрутов активных действий; К - перечень критериев тактикоэкономической оценки степени совершенства процессов проектирования и проектных решений СТС; H - подмножество целей, поставленных в рамках предметной области, достигаемых средствами информационных технологий (ИТ); Д - перечень допусковых зон и пороговых уровней ограничения процессов проектирования и технико-экономического совершенства проектных решений СТС.
Методология построения ИТ предусматривает реализацию формального подхода к созданию распределенных мультиагентных систем ситуационного управления проектированием СТС, в которых в качестве интеллектуальных агентов могут выступать программные модули, автономные ИТ и экспертные информационно-управляющие комплексы.
Таким образом, появляется возможность формировать более совершенные технические решения, повысить эффективность проектирования, снизить потери на исправление погрешностей проектирования.
Только анализ системных связей позволяет выявить системные свойства, определить совокупность целей проектирования при этом, чем полнее он будет, тем с большей вероятностью будет сделано правильное проектное решение. Зная цель, можно подыскать (в автоматическом, автоматизированном режиме либо на базе средств технической имитации интеллекта) эффективное средство для ее достижения.
Без подобной расшифровки общей цели функционирования невозможно обойтись при создании современной промышленной среды.
Заключение
Технико-экономическая эффективность использования ИТ в задачах ситуационного управления процессами проектирования СТС определяется, главным образом, сокращением временного цикла проектирования и снижением материально-экономических затрат за счет информационной поддержки формализованных методов проектирования; идентификации проектных недоработок, распознавания причин и принятия обоснованных решений по устранению этих причин на ранних этапах проектирования в результате комплексного анализа в пространственно-временном представлении больших массивов разнородной информации, регистрируемой в процессе проведения ускоренных (критичных) испытаний ВВТ и их составных компонентов.
Возможность системной организации процесса выработки проектных решений на этапах разработки и производства СТС обеспечивает получение экономического эффекта на всех последующих этапах ЖЦ цикла за счет рационализации процессов выработки проектных решений по всем перечисленным выше аспектам.
Список литературы
1. Данилов, А. М. Системные методологии, идентификация систем и теория управления: промышленные и аэрокосмические приложения / А. М. Данилов, И. А. Гарькина, Э. В. Лапшин, Н. К. Юрков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2009. - № 1. - С. 3-11.
2. Юрков, Н. К. Системная организация жизненного цикла промышленных изделий / Н. К. Юрков, Л. А. Тюрина // Тяжелое машиностроение. - 2006. - № 6. - С. 8-12.
3. Von Bertalanffy L. General System Theory (Foundation, Development, Application) / L. Von Bertalanffy. -N.-Y., 1973.
4. Юрков, Н. К. Модели и алгоритмы управления интегрированными производственными комплексами / Н. К. Юрков. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2003. - 198 с.
5. Юрков, Н. К. Системный подход к проблеме принятия управленческих решений / Н. К. Юрков // Надежность и качество : тр. междунар. симп. : в 2 т. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006. - Т. 1. - С. 84-87.
6. Юрков, Н. К. К проблеме обеспечения безопасности сложных систем / Н. К. Юрков // Надежность и качество - 2011 : тр. междунар. симп. : в 2 т. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - Т. 1. -С. 104-106.
7. Кузьмин, И. А. Распределенная обработка информации в научных исследованиях / И. А. Кузьмин, В. А. Путилов, В. В. Фильчаков. - Л. : Наука, 1991. - 304 с.
УДК 681.5:004.414 Юрков, Н. К.
Системный подход к организации жизненного цикла сложных технических систем /
Н. К. Юрков, В. А. Ушаков // Надежность и качество сложных систем. - 2013. - № 1. - С. 27-34.
Юрков Николай Кондратьевич
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры,
Пензенский государственный университет,
440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.
(841-2) 56-43-46
E-mail: [email protected]
Аннотация. Предлагается осуществить совмещение этапов конструкторского и технологического проектирования за счет организации системной интеграции при управлении жизненным циклом сложных технических систем (СТС), обеспечивающее передачу интеллектуальной собственности предприятия из систем автоматизации проектирования, производства и управления по всему предприятию, тем самым организуя обмен информацией с прочими подразделениями предприятия. Подготовка производства ведется не по иерархическому, а по сетевому принципу, когда техническое задание на проектирование СТС передается одновременно на этапы как конструкторской, так и технологической подготовки производства.
Ключевые слова: системный анализ, сложная техническая система, безопасность, жизненный цикл, конструкторская подготовка, технологическая подготовка.
N. Yurkov
Doctor of Technical Science, professor, the managing of department construction and the production of radio equipment
Penza state university 440026, Penza, Red street, 40.
(841-2) 56-43-46
E-mail: [email protected]
Abstract. Proposed combination of design and technological design phases, through systems integration in managing the lifecycle of complex technical systems (STS), which provides transfer of intellectual property rights of enterprise automation systems design, production and management across the enterprise, thus organizing the exchange of information with other units of the company. Preparation of production is not hierarchical, and to network with the technical specification for design of SPC is transmitted simultaneously on both stages of design and technological preparation of production.
Key words: system analysis, complex engineering system, security, life cycle, design, technological preparation of production.
