CC BY
24
УДК 004.67
Ю.Е. Нестерихин1,2, В.К. Исаев3,2, В.В. Лазарев3,4, С.В. Сорокин2,5
1 Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН 2 Московский физико-технический институт (государственный университет)
3 Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского 4 Московский авиационный институт (государственный технический университет)
5 ООО «РБК-центр»
Исследования по созданию автоматизированной системы весового контроля
Автоматизированная система весового контроля нового поколения разрабатывается с целью создания средств для управления весовыми характеристиками изделия в течение всего жизненного цикла. Приводятся результаты разработки программной, концептуальной и вычислительной моделей. Настоящая работа обобщает результаты предшествующих этапов. В работе определены программная архитектура и базовые программные компоненты системы.
Ключевые слова: системный анализ и моделирование, PDM/PLM/ERP/MRP, CALS-технологии, весовой контроль, жизненный цикл изделия, сетевые технологии, объектно-ориентированный анализ и проектирование, Microsoft Sharepoint, Microsoft.NET.
I. Введение
Массово-инерционные характеристики (МИХ) существенным образом влияют на летно-технические, экономические показатели и безопасность полета летательного аппарата (ЛА). Эти характеристики изменяются по этапам жизненного цикла (ЖЦ) изделия, при его модификациях от полета к полету каждого конкретного экземпляра и, естественно, на протяжении полета. Точное знание значения массы самолёта и его основных компонентов необходимо на всех этапах его разработки: от стадии концептуального проектирования, когда выбирается компоновочная схема самолёта, до стадии лётных испытаний и сертификации, когда фиксируются значения массы и моменты инерции самолёта, удовлетворяющие требованиям норм летной годности и обеспечивающие необходимые прочностные и динамические характеристики ЛА [1].
Особое значение имеет осуществление комплекса мер по изделию на ранних этапах жизненного цикла при проектно-конструкторской разработке. Уже тогда должны быть представлены средства, обеспечивающие возможность автоматизированной работы с весовой инфор-
мацией для всех участников технологических процессов. Основной задачей является создание автоматизированной системы, позволяющей в режиме реального времени управлять весом (массово-инерционными характеристиками) на всех этапах ЖЦ изделия.
Масса каждого конкретного экземпляра самолёта, находящегося в эксплуатации, — величина переменная. Величина взлетной массы пассажирского самолёта определяется его комплектацией для данного полета: запасом топлива в зависимости от дальности полета по маршруту, компоновкой пассажирского салона, числом мест, занятых в рейсе, наличием и массой груза, величиной аэронавигационного запаса топлива (АНЗ) и т. д. Масса самолёта изменяется в процессе полета при расходовании топлива и в зависимости от метеоусловий и режима полета.
Для однозначного понимания терминологии в авиационной отрасли существует отраслевой стандарт ОСТ 1 00428-81 «Весовые характеристики самолёта. Термины и определения». ОСТ включает в себя группы стандартизованных терминов, используемых на всех этапах ЖЦ изделия:
— лимитная масса — максимальное значение массы изделия, установленное руко-
водителем проекта для разработки данного изделия;
— чертежная масса — значение массы, указанное в чертеже или спецификации;
— фактическая масса — значение массы, полученное в результате взвешивания изготовленного изделия;
— текущая масса — суммарное значение массы, состоящее из фактической массы изготовленных изделий, чертежной массы изделий, не изготовленных в производстве, и лимитной массы изделий, на которых не выпущены чертежи.
В дополнение к приведённым обозначениям используются термины:
— гарантированная масса;
— проектная масса;
— резерв массы;
— технологическая масса;
— функциональная масса.
Обозначенные термины могут использоваться применительно к ЛА в целом, его агрегатам, готовым изделиям и комплектующим.
Полная масса самолёта включает постоянную и переменную составляющие. Постоянная часть неизменна для данного экземпляра самолёта. Переменная часть зависит не только от расхода топлива в процессе полета, но меняется в каждом полетном задании.
Задачей весового контроля является создание условий для выполнения весовой программы, прогнозирования окончательного веса изделия и выяснения необходимости принятия мер по облегчению конструкции и/или повышению её надежности. Для выполнения указанной задачи в автоматизированной системе весового контроля (АСВК) должны осуществляться сбор, накопление, обработка, хранение и выдача весовой информации как в целом по изделию, так и по любой его части на всех этапах ЖЦ [2].
АСВК является системообразующей основой CALS-систем и технологий [3]. так как позволяет эффективно решать важную задачу управления весом изделия. С весом связаны конструкция, материалы, технологии всех предметных областей: научных, конструкторских, технологических, финансовых, управленческих, информационных, кадровых и др. В работе дан системный анализ основных связей и информационных потоков АСВК в све-
те CALS-технологий, ставятся и решаются основные задачи АСВК.
В задачи обработки входят расчёт и прогнозирование всей массово-инерционной информации, необходимой для расчёта: веса, центровки, моментов инерции и главных осей инерции изделия и его любых частей. Указанные операции производятся на основании вводимых значений лимитного, чертежного, фактического весов, составляющих изделие частей.
На основании ввода текущей информации АСВК производит формирование банка данных АСВК, а в дальнейшем, по мере поступления новых сведений, включаются данные об изменениях весовых характеристик, положений центров масс элементов, полученных в процессе доработки любых агрегатов изделия, — его модификацию и пополнение.
По текущему состоянию банка данных комплекс программ АСВК производит расчёт и выдачу информации о массово-инерционных характеристиках любого агрегата и изделия в целом. Информационное и программное обеспечение АСВК реализует процедуру замещения веса любых деталей и агрегатов изделия в следующей последовательности: лимитный вес ^ чертежный вес ^ фактический вес.
В проблеме создания программно-технического комплекса АСВК следует выделить три основополагающих задачи [4]:
— разработка информационного хранилища весовой информации и вычислительных алгоритмов для работы с ним;
— разработка интерактивной среды автоматизации деятельности пользователей;
— разработка гетерогенной среды обеспечения межсистемного информационного взаимодействия.
II. Математическая модель задачи весового контроля
При формировании банка данных (БД) весовых характеристик в АСВК используется существующая практика декомпозиции изделия на агрегаты, системы и узлы (сборочные единицы).
Предусматривается введение системы координат для описания элементов каждой сборочной единицы. Для основного изделия (сборочная единица уровня 0) уста-
навливаются общая система отсчёта. Основное изделие декомпозируется с учётом весовой классификации на агрегаты и системы. Каждому агрегату назначаются локальные системы отсчёта. Эти агрегаты и системы представляют собой крупные сборочные единицы уровня 1, состоящие из ряда деталей и более мелких единиц уровня 2 и т. д., для которых последовательно назначаются системы отчёта следующего уровня (2, 3, 4). Количество уровней в каждом конкретном случае определяется весовым подразделением.
Системы координат любой сборочной единицы привязываются (в конечном итоге только к первой) вышестоящей системе координат. В качестве основной принята левая прямоугольная система координат. Все сборочные единицы записываются в этой системе координат. Для сборочных единиц «отражённого вида» независимо от их уровня система координат меняется на противоположную (правую). Это необходимо учитывать при записи углов поворота.
Понятие симметричности сборочных единиц и деталей вводится относительно плоскости симметрии основного изделия по полету независимо от того, «правые-левые» по чертежу они или нет. В АСВК приняты следующие обозначения (рассматриваются на примере плоскости симметрии):
— «правая», сборочная единица или деталь расположена только справа от плоскости симметрии;
— «левая», сборочная единица или деталь расположена только слева от плоскости симметрии;
— «правая-левая», сборочная единица или деталь расположена с любой стороны от плоскости симметрии, а на противоположной стороне симметрично расположена сборочная единица или деталь «отражённого вида».
Сборочным единицам и деталям при необходимости присваивается признак симметрии: правый, левый, правый-
левый.
Признак симметрии сборочной единицы распространяется на все входящие в неё сборочные единицы (вне зависимости от их уровня) и детали. Признак симметрии детали распространяется и на её части (в случае членения детали на части).
Для определения массово-инерционных и центровочных характеристик изделия с помощью АСВК информацию необходимо ввести на страницу портала. Данные должны обновляться на все выпущенные вновь чертежи и все последующие изменения.
Информация вводится на каждую установленную для заполнения сборочную единицу. Для сборочных единиц «отражённого вида», устанавливаемых симметрично, в систему вносятся данные только об одном из двух симметричных элементов.
В системе должны присутствовать [5]:
— идентификатор пользователя, осуществившего ввод в систему информации;
— дата внесения или исправления (вносится автоматически);
— номер чертежа изделия;
— шифр-идентификатор изделия;
— признак симметрии для сборочной единицы, детали;
— параметры привязки к вышестоящей системе координат;
- значения плоскостных углов.
Последние задаются в случае, когда используемая система конструирования не позволяет получить соответствующую матрицу поворота (табл. 1).
Таблица 1
Виды плоскостных углов
угол между осями в плоскости
а Хі И Хі+1 н
а' Хі И Хі-|_і V
& У г И Уі+1 V
!3" У і и уі+і IV
7 и гі+і н
7" *і и гі+1 IV
Н, V, Ш — горизонтальная, фронтальная, профильная плоскости проекции соответственно (рис. 1), хі , уі , гі — оси координат ближайшей вышестоящей сборочной единицы
Рис. 1. Основные плоскости проектирования
В БД содержатся текущие значения и динамика изменений массово-инерционных характеристик, полученные расчётным путём или введённые извне.
В АСВК при проведении операций по вводу и контролю весовых характеристик используются правила, служащие основанием для проведения расчётов [6]: лимитный вес берется из весовой сводки, чертёжный вес — из чертежа сборки. Центровка и моменты инерции рассчитываются путём суммирования по всем деталям, составляющим сборку.
Если используемая (автоматизированная) система конструирования не позволяет непосредственно получить матрицу перехода, то нижестоящая сборка по отношению к вышестоящей определяется шестью плоскостными углами и радиусом-вектором начала координат нижестоящей сборки в системе координат вышестоящей. Шесть плоскостных углов позволяют опре-
делить матрицу перехода от локальной системы координат к вышестоящей. Поскольку координатные системы «вложены» одна в другую, матрица перехода от «внутренней» системы координат равна произведению соответствующих матриц.
Если начала систем координат совпадают, то матрица перехода от системы координат с ортонормированным базисом (іо,Зо,к0) к системе координат с базисом
(іі ,3\к) определяется девятью направляющими косинусами:
где
a11 a12 a13
cos Yl У = a21 a22 a23
a31 a32 a33
i1 = a11 io + a12 jo + a13 ko, j1 = a21 io + a22 jo + a23 ko, k1 = a31 io + a32 jo + a33 ko.
Рис. 2. Плоскостные углы а, а/, в/, в", Y, Y
Явные выражения элементов матрицы перехода через 6 плоскостных углов а, а ", в', в", 7, 7" (рис. 2), которые определяют положение ортов ,кх системы хп, уп, гп относительно системы хп_1, уп-1, Хп-1, могут быть получены из соотношений:
, / a12
tga = —,
a11
, a13
tga =------------,
a11
2
222 a11 + a12 + a13 = 1,
-tg/3' = ^l, a22
tg /3"=^ a22
a
21
+ a22 + a23 =1,
, и a32
tg7 = —;
a33
tg Y =
Дзі
a33
222 a31 + a32 + a33 = 1
После чего матрица перехода от координатной системы сборки n-го уровня к координатной системе сборки n — 1-го уровня примет вид
cos Yi =
где
Л1 Л1tg(a/) -Л1 tg(а)
Л2tg(e/) Л2 Л2 tg(e")
Лз tg(Y) Лзtg(Y") Л3
At = sign(90° — 1 a‘ 1)
Л2 =
Лз =
v 1 + tg2 а/ + tg2 а
sign(90° -\р"\)
Vl + tg2 + tg2
sign(90° - І7І) y/l + tg2 7" + tg2 7
В случае, если один или два плоскостных угла равны 90°, направляющие косинусы вычисляются по формулам:
— если а = а' = 90°, либо а = 0 и а' = 90°, либо а = 90° и а' = 0, тогда ап = 0, а12 = sign(а'), ахз = - sign(а);
III. Программная модель автоматизированной системы весового контроля
АСВК является централизованной информационной системой, представленной в виде корпоративного портала Microsoft Office Sharepoint Server. Портал представляет пользователям единую точку доступа к данным вычислительной сети. В системе производится выделение программных слоёв — АСВК реализуется в рамках трёхуровневой модели (табл. 2).
і '
і і
Ж___________________________Ї
Модель
Рис. 3. Схема типового решения «мо-дель-представление-контроллер»
Программная архитектура системы базируется на введённых выше слоях и представлена в виде типового решения «мо-дель-представление-контроллер» [7], что
— если в' = в'' = 90°, либо в' = 0 и в'' = 90°, либо в' = 90° и в'' = 0, тогда
а22 = 0, а21 = - sign(в'), а2з = sign(в");
— если 7 = 7" = 90°, либо 7 = 0 и
7'' = 90°, либо 7 = 90° и 7'' = 0, тогда
азз = 0, аз1 = sign(7), аз2 = - sign(7'').
подразумевает выделение трёх отдельных ролей (рис. 3).
Модель — это объект, предоставляющий некоторую информацию о предметной области. У модели нет визуального интерфейса, она содержит в себе все данные и поведение, не связанные с интерфейсом. Представление отображает содержимое модели средствами графического интерфейса. Все изменения информации обрабатываются третьим «участником» системы — контроллером. Контроллер получает входные данные от пользователя, выполняет операции над моделью и указывает представлению на необходимость соответствующего обновления. В этом плане графический интерфейс ^Ш) рассматривается как совокупность представления и контроллера.
Клиентское приложение АСВК, отвечающее за представление, взаимодействует с серверными программными объектами, реализующими логику системы; осуществляется отправка на веб-сервер запросов пользователя на просмотр, изменение и поиск данных. Для передачи информации ис-
Таблица 2
Расслоение на логические уровни в системе
1 Презентационный уровень Интерфейс системы, организованный на основе \¥еЬ-тех-нологий. Данный уровень системы представляет данные системы пользователю и обеспечивает оперативный ввод и изменение данных при наличии у пользователя определённых прав в системе.
2 Уровень логики предметной области Данный уровень содержит программные объекты и программный код, который реализуют логику работы системы. Компоненты выполняются на сервере с разделением общих ресурсов сервера.
3 Уровень данных Уровень хранения данных обеспечивает долговременное эффективное хранение данных системы. Уровень может включать в себя внутренние хранилища данных, внешние СУБД и компоненты для доступа к данным. Уровень предоставляет программный интерфейс для объектов уровня бизнес-логики. Программные средства данного уровня поддерживают работу на отдельном аппаратном устройстве, сервере.
Представление
Контроллер
пользуются стандартные Internet-протоколы передачи данных: HTTP, SOAP.
Серверная часть системы принимает и обрабатывает запросы пользователей, генерирует ответы на запросы. Серверное программное обеспечение реализовано на основе веб-сервера Microsoft Internet Information Services под управлением продукта Microsoft Sharepoint Services [8].
Обмен данными для сервисов портала, основанных на стандартных возможностях продукта Microsoft Sharepoint, обеспечивается механизмами самого продукта. Помимо этого, сервисы могут осуществлять взаимодействие с внутренним хранилищем данных на основе SQL-запросов с использованием объектов доступа к данным ADO или ADO.NET (рис. 4).
Метаданные Sharepoint Server XML шаблоны
Рис. 4. Схема обмена данными между уровнями в системе
В основе ядра Sharepoint используется концепция HTTP-модулей: все запросы перенаправляются в программный модуль, который на основе адресной строки и передаваемых параметров формирует соответствующий отклик системы. Технически в рамках технологии ASP.NET существует механизм интерфейса IHttpModule. Создается сборка, в которой декларируется класс-обработчик, реализующий указанный интерфейс. В дальнейшем класс-обработчик регистрируется в рамках вебсервера IIS в качестве обработчика запросов, и при обработке запроса вызов делегируется объекту-экземпляру этого класса. Данная методика является реализацией паттерна FrontPageController [9].
Работу всех сервисов обеспечивает ядро системы. Ядро системы реализовано на базе технологий Microsoft.NET. В ядро АСВК входят следующие программные компоненты [10]:
— рабочий демон-процесс Sharepoint;
— серверные компоненты АСВК;
— Workflow сервис АСВК.
Рабочий демон-процесс Sharepoint
представлен в виде стандартного программного модуля, входящего в ядро Sharepoint. Низкоуровневое взаимодействие с исполняемым процессом веб-сервера Internet Information Services построено на базе технологии ISAPI расширений. Этот компонент обеспечивает системные возможности: низкоуровневая обработка запросов, маршрутизация обработки запросов, администрирование, обеспечение ролевой безопасности и т. д.
Серверные компоненты АСВК представлены набором типовых пользовательских элементов управления, базирующихся на технологии веб-частей Microsoft Sharepoint, и набором программных модулей, реализующих технологические операции по взаимодействию с информационным хранилищем и представляющих домен предметной области [9] АСВК.
Workflow сервис АСВК предоставляет расширенные средства автоматизации динамических бизнес-процессов, то есть процессов, которые подвержены изменениям с течением времени. Сюда относятся задачи по контролю информационных потоков весовой информации в системе, обеспечение распределенного взаимодействия, управление расписаниями выполнения системных операций по обеспечению надлежащего функционирования.
IV. Заключение
На основе системного анализа технологических процессов весового контроля в рамках CALS-технологий проведено исследование концептуальной, программной и вычислительной моделей автоматизированной системы весового контроля нового поколения, которая разрабатывается с целью обеспечения математическими моделями и электронной документацией всего жизненного цикла самолётов и вертолетов гражданской авиации и, прежде всего, для решения задач управления весом изделия.
Проведены анализ и формализация программной архитектуры АСВК, выделены базовые программные компоненты. Предложена 3-уровневая логическая структура системы на основе веб-портала предприятия. Описаны принципы организации потоков и хранения истории изменений в изделии. Разработана структура
модуля для расчёта центровки и массовоинерционных характеристик изделия и любых его компонентов.
Предложена архитектура информационного хранилища АСВК. Дано описание ядра системы, серверного ASP.NET потока АСВК и структуры портала. С использованием портальной технологии Microsoft Sharepoint разработан программный прототип системы, обеспечивающий автоматизированную обработку потоков информации на основе заявок в задачах весового контроля. Прототип предоставляет интерфейс для работы с базой знаний организации путём вовлечения персонала в информационную среду с совместным доступом.
Разработанные структуры и прототип АСВК нового поколения являются системным заделом и существенным вкладом в совершенствование весовой отдачи перспективных самолётов и вертолетов гражданской авиации, повышение конкурентоспособности, информационной и технологической культуры на всех этапах ЖЦ сложных изделий авиастроения и машиностроения.
Литература
1. Исаев В.К., Кухаренко Б.Г., Сорокин С.В., Золотухин В.В. Автоматизированная система весового контроля нового поколения как элемент системы PDM/PLM. Основные задачи и перспективы развития // Труды XLVI научной конференции «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». — 2003. — Ч. III. — С. 118-120.
2. Руководящие технические материалы (РТМ). Автоматизированная система весового контроля. Рабочий проект. Часть I. Основные организационные принципы и задачи АСВК / отв. редактор
В.К. Исаев. — М.: Издательский отдел ЦА-ГИ, 1976.
3. Братухин А.Г., Давыдов Ю.В., Елисеев Ю.С., Павлов Ю.Б., Суров В.И.
CALS в авиастроении. — М.: Изд-во МАИ, 2000.
4. Нестерихин Ю.Е., Глухарев К.К., Исаев В.К., Сорокин С.В. Применение объектно-ориентированного подхода при создании информационных систем управления жизненным циклом в машиностроении // Проблемы машиностроения. Сборник трудов конференции. — Институт машиноведения РАН им. А.А. Благонравова, 2008. — С. 376-379.
5. Исаев В.К., Матушкин С.С. Структура информационного хранилища автоматизированной системы весового контроля (АСВК) // Труды XLYIII научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». — 2005. — Ч. III. — С. 46-47.
6. Руководящие технические материалы (РТМ). Автоматизированная система весового контроля. Рабочий проект. Часть III. Математическое обеспечение АСВК / отв. редактор В.К. Исаев. — М.: Издательский отдел ЦАГИ, 1976.
7. Гамма Э., Хелм Р., Джонсон Р., Влиссидес Дж. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования. — М.: Питер, 2006.
8. Сорокин С.В. Программная модель автоматизированной системы весового контроля (АСВК) // Труды IV Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Технологии Microsoft в теории и практике программирования». — М.: Вузовская книга, 2007. —
С. 23-24.
9. Фаулер М. Архитектура корпоративных программных приложений. — М.: Вильямс, 2004.
10. Исаев В.К., Сорокин С.В. Программная архитектура автоматизированной системы весового контроля (АСВК) // Труды XLYIII научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». — 2005. —
Ч. III. — С. 50-51.
Поступила в редакцию 29.03.2009.
