CC BY
5Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 49
www.mai.ru/science/trudy/
УДК 621.4, 629.7
Технологическая среда проектирования сложных технических
объектов
И.В. Завалишин, И. А. Милюков, В.П. Соколов
Аннотация:
В статье дано обоснование применения современных информационных технологий и математического моделирования для решения задач всех групп стадий жизненного цикла наукоемких изделий: проектирования, производства и эксплуатации, предоставляющих возможность радикального совершенствования стадий конструирования, научных исследований, отработки технологичности, подготовки производства и изготовления.
Описана актуальность проведения классификации объектов, процессов и инструментальных систем, применяемых в новой области, называемой ИПИ-технологиями, и актуальность разработки специфической нормативной базы для целостного и взаимосвязанного подхода к объектно-ориентированному проектированию при информационной поддержке изделий (ИПИ) с учетом предъявляемых к ней требований.
В статье приведено описание стратегии создания систем автоматизации параллельного проектирования на основе применения методов имитационного моделирования и объектно-ориентированных инструментальных систем.
Ключевые слова:
технологическая подготовка производства; автоматизация жизненного цикла изделия; информационная поддержка изделия.
Комплексное решение всех задач, связанных с проектированием, производством и эксплуатацией изделий, необходимо осуществлять в рамках постоянно совершенствуемых интегрированных автоматизированных систем, использующих единые методы и средства для решения всех задач конструирования и технологической подготовки производства на
основе применения современных информационных технологий, предоставляющих возможность радикального изменения процессов проектирования, производства и эксплуатации. Учет структуры проектируемого объекта и методов проектирования и производства приводит к возникновению методов объектно-ориентированного проектирования. На существующем уровне становления информационных технологий эта специфическая технологическая область пока еще не имеет окончательно сложившихся представлений и понятий. Для целостного и взаимосвязанного подхода к объектно-ориентированному проектированию при информационной поддержке изделий (НИИ) должны быть проведены классификации объектов, процессов и инструментальных систем, применяемых в новой области, называемой НИИ-технологиями, и разработана специфическая нормативная база [1]. Специального внимания заслуживает состав объектов информационных технологий. Для них характерны такие признаки, как форма представления, структура, другие специфические характеристики.
Основными требованиями, предъявляемыми к НИИ-технологиям в настоящее время, являются:
- Комплексность технологических решений, которая обеспечивается только интегрированными системами. Совершенствование программно-методических и технических средств позволяет переходить к выбору различных стратегий в решении практических задач. Такое состояние проблемы способствует объединению отдельных инструментальных средств в технологические комплексы, ориентированные на сложные технические объекты, а их разработчики могут объединяться на базе компромиссных подходов к построению систем.
- Параллельность принятия решений и выполнения работ. Обеспечивается прежде всего сетевыми информационными технологиями в среде не только локальных, но и гетерогенных, и глобальных сетей, обеспечивающих удаленный доступ к информации и дистанционное выполнение работ. Это требует также перехода к новым моделям вычислений.
- Функциональная интеграция информационных и материальных технологий. Может быть обеспечена по двум различным направлениям: взаимное дополнение физических и вычислительных экспериментов или объединение вычислительно-управляющих и исполнительных систем. Взаимосвязь информационных и материальных потоков необходима для постоянного поддержания адекватности информационных моделей.
Ири традиционном информационном и методическом обеспечении всех стадий жизненного цикла изделий (ЖЦИ) устойчиво сложилось и подкреплено соответствующими документами распределение задач между участниками процессов проектирования, производства и эксплуатации изделий [2]. Определена последовательность решения задач, отработаны инженерные методики, сложились формы представления исходных данных и результатов проектирования.
Для комплексного параллельного проектирования многое из установившегося при традиционном (последовательном) проектировании должно измениться. В составе изменений непременно будут: распределение функций и решаемых задач между проектировщиками; состав и содержание документов с результатами проектирования; инженерные методики решения задач; состав программно-методических средств; электронный интерактивный документооборот со специфическим нормативным обеспечением [3]. Этот перечень в основном и определяет изменения технологической среды информационной поддержки изделий при переходе к параллельному проектированию.
Ио аналогии с принципами моделирования производственных систем в машиностроении технологическая среда параллельного проектирования (далее «технологическая среда») объединяет объекты, процессы и средства проектирования. Технологическая среда может характеризоваться как система проектирования, состоящая из объектно-ориентированных подсистем и средств, включающих те же виды обеспечений, что и инвариантные автоматизированные системы: математическое, лингвистическое, информационное, программное, техническое, методическое, организационное.
Для создания технологической среды необходимо объединение разнородных объектов в систему высокого уровня - производственную систему, и организация проектирования на различных стадиях ЖЦИ. В производственную систему при этом включаются: изделия, технологические системы, технологические процессы, процессы и системы проектирования [4].
Основными стадиями ЖЦИ всех выше перечисленных объектов производственной системы являются: научные исследования, конструирование, подготовка производства, изготовление, эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт, снятие с эксплуатации и утилизация (рис. 1).
X
с; ч I
>х о
о о
о
------- ПРОЕКТИРОВАНИЕ ------- НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
КОНСТРУИРОВАНИЕ
ИНФОРМАЦИОННЫЙ СЛОЙ
ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ
Оценка реализуемости и отработка технологичности вариантов конструкций
0
1 ■а с;
о
X
=г £
в
ПРОИЗВОДСТВО
ПОДГОТОВКА ПРОИЗВОДСТВА
С^АРРв (АСУТП)
С едет
Формирование моделей конструкции
Формализация конструктивных свойств
Сравнение вариантов конструкций по комплексному показателю реализуемости
ГРУППИРОВАНИЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХПРОЦЕССОВ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОСНАЩЕНИЯ
- ^ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА
ИЗГОТОВЛЕНИЕ
РМБ (ГПС) ОАО
Испытания
С^ БОМ
----<--- N ЭКСПЛУАТАЦИЯ* -------- РЕАЛИЗАЦИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ
ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И РЕМОНТ
СНЯТИЕ С ЭКСПЛУАТАЦИИ И УТИЛИЗАЦИЯ
МАТЕРИАЛЬНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
МАТЕРИАЛЬНЫЙ СЛОЙ
Рис. 1. Информационная поддержка автоматизированными системами различного назначения стадий жизненного цикла сложных технических систем
Центральной группой стадий ЖЦИ сложных технических объектов, где сосредоточена информация о различных объектах, необходимых для создания и эффективной реализации изделий, является группа стадий, называемая производством. С этой группой стадий наиболее сильно связаны стадии функционально-стоимостного анализа и испытаний. В них происходит основное взаимодействие объектов в материальном и информационном слоях и отдельно, и одновременно. Именно поэтому технологическая среда параллельного проектирования ИПИ-технологий должна быть ориентирована на производственную систему в том понимании, которое предусматривает объединение в информационном слое различных объектов в единый комплекс.
Для построения модели элемента системы параллельной технологической среды могут быть сделаны следующие предположения.
1. Моделирование материальных и энергетических преобразований происходит только в элементах системы (предположение сосредоточенного преобразования).
2. Математическая модель элемента описывает поведение элемента как целого независимо от способа соединения с другими элементами системы (предположение независимости).
3. Моделью элемента системы проектирования на концептуальном уровне является граф вида "дерево", информационные потоки в котором соответствуют дугам (предположение иерархичности).
4. Моделью системы проектирования в целом на концептуальном уровне является граф общего вида, объединяющий элементы системы, а процесс передачи информации имеет итерационный характер (предположение связности).
При моделировании объектов производственной системы выделяются модели: изделий, технологических систем, технологических процессов, процессов в системах проектирования и информационной поддержки. Модели процесса проектирования включают: модель исходного объекта £ (А); модель порождающей среды £ (Р); модель объекта проектирования £ (Т). Модели по форме представления подразделяются на модели общего вида и модели типовых проектных решений [5].
Моделирование по назначению подразделяется на функциональное, конструктивное, технологическое, эксплуатационное (рис. 2). Моделирование по видам делится на структурно-параметрическое, геометрическое, натурное (технологическое), физико-механическое. Пространства моделирования подразделяются на п-мерное; трехмерное (геометрическое), где двухмерное - частный упрощенный случай. Выделяются информационный и материальный слои моделирования.
Для эффективного решения задач параллельного проектирования в прикладной области знаний информационной поддержки процессов создания и эксплуатации сложных технических объектов необходимы теория автоматизации проектирования, специфическая методология и аппарат исследования, а также языки представления теории и объектов моделирования. Стратегия создания систем автоматизации параллельного проектирования на основе применения методов имитационного моделирования и инструментальных систем для формирования средств обеспечения интегрированных автоматизированных систем соответствует представленным подходам. С практической точки зрения, методология параллельного проектирования формируется как обобщение опыта, отражающее объективные закономерности и совокупность положений, образующих раздел науки о проектировании, представляемый математическими методами.
Рис. 2. Взаимосвязь пространств, слоев и методов моделирования жизненного цикла
наукоемких изделий
В соответствии с принятой стратегией построения систем И! 1И-технологий математическая структура, или просто структура, представляет собой базисные множества, элементы которых состоят в некоторых отношениях, описываемых свойствами.
С учетом требований непротиворечивости, независимости и полноты системы параллельного проектирования приняты следующие предложения в качестве основных
утверждений:
1. Процесс проектирования £ (П) представляется совместными преобразованиями модели исходного объекта £ (А) и модели порождающей среды £ (Р) с получением в результате преобразований модели объекта проектирования Б (Т).
2. Математические модели £ (А), £ (Р), £ (Т) описывают состояние моделируемого объекта (среды) автономно, независимо от способов соединения с другими объектами системы.
3. Преобразования, реализуемые при проектировании, представляют собой последовательность эквивалентных преобразований, результаты преобразований всегда конечны и определенны, что позволяет представить процесс проектирования £ (П) направленным потоком.
4. Модели исходных объектов £ (А), модели объектов проектирования £ (Т) и модели порождающей среды £ (Р) имеют одинаковую математическую структуру.
Переходя к представлениям и интерпретациям формул методологии автоматизации проектирования в предметной области ЖЦИ, формулируются основные конфигурации и функции проектирующих систем. При этом процесс проектирования представляется математической структурой £(П)={£(А),р £(Р),£(Т)}, где р - процедурно-алгоритмическая среда. Модели всех объектов £(А), р, £(Р), £(Т) процесса проектирования также представляются в форме типовых математических структур.
Библиографический список
1. Информационные технологии в наукоемком машиностроении: Компьютерное обеспечение индустриального бизнеса / Под общ. ред. А.Г. Братухина. - К.: Техшка, 2001. - 728 с.
2. СЛЬБ-технологии в технологической подготовке производства авиакосмической техники / В.Д. Костюков, Э.М. Годин, В.П. Соколов, М.Л. Сокольский, А.П. Баранов; Под ред. Э.М. Година. - М.: Изд-во МАИ, 2005. - 552 с.
3. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: Учеб. для вузов. -3-е изд. перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 448 с.: ил.
4. Павлов В.В. Структурное моделирование в CALS-технологиях. - М.: Наука, 2006. - 307 с.
5. Автоматизация технологической подготовки производства летательных аппаратов / С.И. Феоктистов, Е.А. Макарова, В.И. Меркулов, В.П. Соколов и др.; Под общ. ред. Е.А. Макаровой. - М.: Изд-во "ЭКОМ", 2001. - 288 с.
Соколов Владимир Петрович, заведующий кафедрой «Инновационные технологии аэрокосмической деятельности», проректор по научной работе Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства, д.т.н., профессор.
РГУИТП, 107078, г. Москва, ул. Новая Басманная, дом 9 тел.: +7 (495) 618-65-70; e-mail: Vladimir.Sokolov@itbu.ru
Завалишин Игорь Владимирович, доцент кафедры «Инновационные технологии аэрокосмической деятельности» Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства, к.т.н. РГУИТП, 107078, г. Москва, ул. Новая Басманная, дом 9 тел.: +7 (495) 618-36-10; e-mail: rassiec@mail.ru
Милюков Игорь Александрович, зам. заведующего кафедрой «Инновационные технологии аэрокосмической деятельности» Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства, к.т.н., доцент. РГУИТП, 107078, г. Москва, ул. Новая Басманная, дом 9 тел.: +7 (495) 618-11-98; e-mail: rassiec@mail.ru
